论文部分内容阅读
[摘 要]针对电气化铁路牵引供电系统存在的大量负序、谐波、无功等电能质量问题，本文介绍了传统同相供电技术方案及其局限性，介绍了有源补偿设备容量最优化的组合式同相供电技术方案，最后提出了新型双边供电技术方案，为同相供电的理论研究和实际应用提供了参考。
[关键词]同相供电；电能质量；电分相；新型双边供电
中图分类号：U22 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）23-0069-02
1 引言
电气化铁路的牵引负荷为单相交流负荷，使牵引供电系统三相严重不平衡，并且存在无功电流。为了降低三相不平衡的影响，牵引变压器采用换相连接，导致各供电区段电压不同，必须用分相绝缘器分隔。分相绝缘器限制了机车平滑连续地受流，成了供电的薄弱环节，制约了高速、重载铁路的发展。变电所采用同相供电技术，通过实时检测系统的综合补偿电流，控制有源滤波器，平衡三相，滤除无功电流，牵引变压器原边不再轮换。变电所单相供电，不用设置分相绝缘器。同相供电技术从根本上解决了电分相问题，更有利于高速机车速度的提高，更能满足高速或重载牵引的发展要求；在补偿装置的作用下，能够解决系统的三相不平衡问题，同时补偿无功和谐波。[1]
同相供电技术是指线路上相邻变电所供电的区段接触网电压相位相同，线路上无电分相环节的牵引供电方式。理论上，全线各牵引变电所采用单相变压器就可以实现同相供电，但由于单相负荷在电力系统引起负序电流，当电力系统薄弱时，会导致严重的三相不平衡，全部采用单相变压器不会得到电力部门的同意。因此，同相供电的关键技术就是在牵引变电所实现三相、单相对称变换。
2 传统解决方案
2.1 基于无源对称补偿的同相供电方案
无源对称补偿技术是以可调并联电抗器、电容器为依托，通过并联无功补偿或并联电容补偿来消除或消弱单相牵引负荷引起的系统不平衡，同时兼补无功，从而实现同相供电。
从理论上来说任何一种接线形式的牵引变压器均可以构造出三相/单相对称变换系统，实现同相供电。在结合常规接线的牵引变压器的对称补偿时，如YNdll变压器、vv变压器，必须在三个端口均安装可调补偿器，这就使得补偿装置的总安装容量大于牵引负荷容量，增大了投资，补偿设备容量利用率偏低，补偿协调的控制手段和设备较为复杂。而采用特殊接线，如不等边Scott接线、不等边V，V接线等的对称补偿技术，只需在制定两端口设置补偿容量，使得补偿装置总安装容量小于牵引负荷容量，简化了系统结构，并能实现与单相牵引变压器相配合。
随着电力电子技术的发展，在对称补偿理论基础上提出了基于有源补偿的同相供电技术方案。
2.2 基于有源补偿的同相供电方案
为了有效的解决电网谐波污染和无功冲击等问题，随着电力电子器件的发展，有源对称补偿技术得到了大量的研究和运用。
同相牵引供电系统是在现行牵引供电系统结构的基础上在各个牵引变电所内引入平衡变压器和變流器，使现有变电所的两供电臂合并，实现单相供电，接触网各区段电压相位相同。在由平衡变压器供电的牵引系统中，当两个供电臂的负荷相等时，即两个负荷的电流幅值相同、功率因数相等时，变压器高压侧的三相电流是对称的，利用平衡变压器的这个特性在如下图中机车所需的有功功率是变压器提供，同时当两个供电臂的负荷不相等的情况下，右边的变压器提供一部分有功功率给左边的供电臂，其结果是变压器两个绕组均输出相同的有功功率，实现供电臂有功功率平衡，并且供电臂的无功功率由两个四象限变流器提供，最终实现两个供电臂电压和相位的相同，取消变电所出口分相。
2.3 组合式同相供电方案
在现有同相供电系统的基础上加以改善后提出的组合式同相供电系统，能够实现补偿装置容量最小化、技术经济最优化的目标，因此对组合式同相供电设计方法进行研究有着更为实际的意义。
2.3.1 单相组合式同相供电
单相组合式同相供电原理是由牵引变压器TT和高压匹配变压器HMT构成不等边的Scott变压器，即一种供电容量不等，电压相位垂直幅值相等的特殊类型的平衡变压器。
当单相组合式同相供电系统正常运行时，单相变压器和交直交装置一同给牵引网负荷供电，其中牵引变压器承担主要的供电任务，交直交装置承担次要的供电任务，即牵引负荷的计算容量为牵引变压器计算容量与交直交装置的计算容量之和。交直交装置的计算容量由引起三相电压不平衡度超标部分的牵引负荷容量确定。单相组合式同相供电系统方案原理如下图所示。
2.3.2 单三相组合式同相供电
上节介绍的单相组合式同相供电系统一般用于新建铁路的设计，对于现有电气化铁路的改造和原边需要大电流接地的情况来说，单三相组合式同相供电系统更加满足铁路设计需求，其牵引变电所构建方案如下图3所示。
组合式同相供电技术是新一代牵引供电系统的最关键技术之一，它不仅可用于铁路的新线建设，也方便于我国高速铁路、重载铁路广泛采用的单相接线（型）牵引变电所的同相供电改造与升级，具有良好的适用性。
比较单相组合式同相供电与单三相组合式同相供电可见，组合式同相供电方案省却了一级匹配变压器，这不仅节约成本，减少占地，还可提高系统效率。新发展起来的MMC（modular multileveconverter）技术可以使交直交变流器直挂于牵引母线，则可进一步省却牵引匹配变压器。
2.4 新型双边供电技术
双边供电就是用分区所SPk中的断路器将相邻的牵引网TNk和TNk+1联通，相邻的牵引变电所SSk和SSk+1对TNk和TNk+1构成双边供电。新的双边供电方案是在SSk的牵引馈线串接电抗器Lk，在SSk+1的牵引馈线串接电抗器Lk+1，SSk用单相牵引变压器TTk，SSk+1用单相牵引变压器TTk+1，分别在公共连接点PCCk和PCCk+1处接入电力系统输电线ABC，如图4所示。
电力系统与牵引变电所的电气联结方式称为外部供电方式，它取决于电力系统结构以及其与牵引变电所的相对位置等因素。一般说来，有环形单回路、环形双回路、单电源双回路、放射式等方式。图5所示的是环形单回路、环形双回路、单电源双回路供电方式的一种简化示意图，比较多见、典型，可称为单回路T接方式。
3 结论
新型双边供电技术，用以取消分区所处的分相，通过牵引馈线串接电抗器可以有效减小均衡电流及其对电力系统的影响，同时通过调整负荷功率因数，可以确保牵引网电压水平。
参考文献
[1] 何晓琼，彭旭，周瑛英，等.一种新型同相牵引供电系统均流性能研究[J].电力自动化设备，2014，34（4）：53-58.
[2] 张秀峰，高仕斌，钱清泉，丁菊霞.基于阻抗匹配平衡变压器和AT供电方式的新型同相牵引供电系统[J].铁道学报，2006，28（4）：32-37.
[3] 李群湛，贺建闽，解绍锋.电气化铁路电能质量分析与控制[M].成都：西南交通大学出版社，2011.
[4] 胡景瑜.贯通式同相供电系统潮流控制策略研究[D].硕士学位论文，西南交通大学大学，2013.
[5] 张睿.贯通式同相供电系统电能变换器的研究[J].电气化铁道，2012（4）：19-22.
[关键词]同相供电；电能质量；电分相；新型双边供电
中图分类号：U22 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）23-0069-02
1 引言
电气化铁路的牵引负荷为单相交流负荷，使牵引供电系统三相严重不平衡，并且存在无功电流。为了降低三相不平衡的影响，牵引变压器采用换相连接，导致各供电区段电压不同，必须用分相绝缘器分隔。分相绝缘器限制了机车平滑连续地受流，成了供电的薄弱环节，制约了高速、重载铁路的发展。变电所采用同相供电技术，通过实时检测系统的综合补偿电流，控制有源滤波器，平衡三相，滤除无功电流，牵引变压器原边不再轮换。变电所单相供电，不用设置分相绝缘器。同相供电技术从根本上解决了电分相问题，更有利于高速机车速度的提高，更能满足高速或重载牵引的发展要求；在补偿装置的作用下，能够解决系统的三相不平衡问题，同时补偿无功和谐波。[1]
同相供电技术是指线路上相邻变电所供电的区段接触网电压相位相同，线路上无电分相环节的牵引供电方式。理论上，全线各牵引变电所采用单相变压器就可以实现同相供电，但由于单相负荷在电力系统引起负序电流，当电力系统薄弱时，会导致严重的三相不平衡，全部采用单相变压器不会得到电力部门的同意。因此，同相供电的关键技术就是在牵引变电所实现三相、单相对称变换。
2 传统解决方案
2.1 基于无源对称补偿的同相供电方案
无源对称补偿技术是以可调并联电抗器、电容器为依托，通过并联无功补偿或并联电容补偿来消除或消弱单相牵引负荷引起的系统不平衡，同时兼补无功，从而实现同相供电。
从理论上来说任何一种接线形式的牵引变压器均可以构造出三相/单相对称变换系统，实现同相供电。在结合常规接线的牵引变压器的对称补偿时，如YNdll变压器、vv变压器，必须在三个端口均安装可调补偿器，这就使得补偿装置的总安装容量大于牵引负荷容量，增大了投资，补偿设备容量利用率偏低，补偿协调的控制手段和设备较为复杂。而采用特殊接线，如不等边Scott接线、不等边V，V接线等的对称补偿技术，只需在制定两端口设置补偿容量，使得补偿装置总安装容量小于牵引负荷容量，简化了系统结构，并能实现与单相牵引变压器相配合。
随着电力电子技术的发展，在对称补偿理论基础上提出了基于有源补偿的同相供电技术方案。
2.2 基于有源补偿的同相供电方案
为了有效的解决电网谐波污染和无功冲击等问题，随着电力电子器件的发展，有源对称补偿技术得到了大量的研究和运用。
同相牵引供电系统是在现行牵引供电系统结构的基础上在各个牵引变电所内引入平衡变压器和變流器，使现有变电所的两供电臂合并，实现单相供电，接触网各区段电压相位相同。在由平衡变压器供电的牵引系统中，当两个供电臂的负荷相等时，即两个负荷的电流幅值相同、功率因数相等时，变压器高压侧的三相电流是对称的，利用平衡变压器的这个特性在如下图中机车所需的有功功率是变压器提供，同时当两个供电臂的负荷不相等的情况下，右边的变压器提供一部分有功功率给左边的供电臂，其结果是变压器两个绕组均输出相同的有功功率，实现供电臂有功功率平衡，并且供电臂的无功功率由两个四象限变流器提供，最终实现两个供电臂电压和相位的相同，取消变电所出口分相。
2.3 组合式同相供电方案
在现有同相供电系统的基础上加以改善后提出的组合式同相供电系统，能够实现补偿装置容量最小化、技术经济最优化的目标，因此对组合式同相供电设计方法进行研究有着更为实际的意义。
2.3.1 单相组合式同相供电
单相组合式同相供电原理是由牵引变压器TT和高压匹配变压器HMT构成不等边的Scott变压器，即一种供电容量不等，电压相位垂直幅值相等的特殊类型的平衡变压器。
当单相组合式同相供电系统正常运行时，单相变压器和交直交装置一同给牵引网负荷供电，其中牵引变压器承担主要的供电任务，交直交装置承担次要的供电任务，即牵引负荷的计算容量为牵引变压器计算容量与交直交装置的计算容量之和。交直交装置的计算容量由引起三相电压不平衡度超标部分的牵引负荷容量确定。单相组合式同相供电系统方案原理如下图所示。
2.3.2 单三相组合式同相供电
上节介绍的单相组合式同相供电系统一般用于新建铁路的设计，对于现有电气化铁路的改造和原边需要大电流接地的情况来说，单三相组合式同相供电系统更加满足铁路设计需求，其牵引变电所构建方案如下图3所示。
组合式同相供电技术是新一代牵引供电系统的最关键技术之一，它不仅可用于铁路的新线建设，也方便于我国高速铁路、重载铁路广泛采用的单相接线（型）牵引变电所的同相供电改造与升级，具有良好的适用性。
比较单相组合式同相供电与单三相组合式同相供电可见，组合式同相供电方案省却了一级匹配变压器，这不仅节约成本，减少占地，还可提高系统效率。新发展起来的MMC（modular multileveconverter）技术可以使交直交变流器直挂于牵引母线，则可进一步省却牵引匹配变压器。
2.4 新型双边供电技术
双边供电就是用分区所SPk中的断路器将相邻的牵引网TNk和TNk+1联通，相邻的牵引变电所SSk和SSk+1对TNk和TNk+1构成双边供电。新的双边供电方案是在SSk的牵引馈线串接电抗器Lk，在SSk+1的牵引馈线串接电抗器Lk+1，SSk用单相牵引变压器TTk，SSk+1用单相牵引变压器TTk+1，分别在公共连接点PCCk和PCCk+1处接入电力系统输电线ABC，如图4所示。
电力系统与牵引变电所的电气联结方式称为外部供电方式，它取决于电力系统结构以及其与牵引变电所的相对位置等因素。一般说来，有环形单回路、环形双回路、单电源双回路、放射式等方式。图5所示的是环形单回路、环形双回路、单电源双回路供电方式的一种简化示意图，比较多见、典型，可称为单回路T接方式。
3 结论
新型双边供电技术，用以取消分区所处的分相，通过牵引馈线串接电抗器可以有效减小均衡电流及其对电力系统的影响，同时通过调整负荷功率因数，可以确保牵引网电压水平。
参考文献
[1] 何晓琼，彭旭，周瑛英，等.一种新型同相牵引供电系统均流性能研究[J].电力自动化设备，2014，34（4）：53-58.
[2] 张秀峰，高仕斌，钱清泉，丁菊霞.基于阻抗匹配平衡变压器和AT供电方式的新型同相牵引供电系统[J].铁道学报，2006，28（4）：32-37.
[3] 李群湛，贺建闽，解绍锋.电气化铁路电能质量分析与控制[M].成都：西南交通大学出版社，2011.
[4] 胡景瑜.贯通式同相供电系统潮流控制策略研究[D].硕士学位论文，西南交通大学大学，2013.
[5] 张睿.贯通式同相供电系统电能变换器的研究[J].电气化铁道，2012（4）：19-22.