电气化铁路同相供电技术可靠性分析

2021-06-05吴观华

工程建设与设计 2021年8期

吴观华

（中铁十一局集团电务工程有限公司，武汉430074）

1 工程概况

温州市域铁路S1线一期工程总长度为53.507 km，路基3.029 km、桥梁7座39.112km，越岭双线隧道2座1.323 km，地下线10.043 km，桥隧比94.34%。全线建设2座地面车站、3座地下车站、13座高架车站，预留车站2座。根据规划，近期平均站间距3.13 km，远期减小至2.73%km。本项目采用了新型同相供电技术，这在国内市域铁路施工建设史上尚属首次。该技术采用同一相位的单相供电技术，可避免电分相，实现牵引网电压同相位运行，是解决长期困扰铁路过分相和电能质量问题的有效手段，有利于重载列车和高速牵引列车的稳定运行。

2 同相供电技术在本项目的应用特点

项目高度重视对供电系统的优化，引入了同相供电技术，有利于优化牵引网的工作状态，使其电压同相位运行，突破传统方式下铁路过分相和电能供应品质偏低的发展局限性。

同相供电技术是随着行业的发展而衍生出的新型技术形式，具有自动化水平高、安全可靠等特点，解决了以往电气化铁路负序、无功等问题，以维持电气化铁路安全运营为前提，提高其节能环保水平。受惠于同相供电技术的多重应用优势，其逐步成为市域铁路电气化建设领域的重要支撑技术。

具体至本项目中，在同相供电系统的组成中，通过潮流控制器的应用实现对牵引变压器的整合，使该处的2条馈线合并成1条，高效向牵引网供电，此机制下各变电所的输出电压具有均衡性，表现出相位一致的特点，以往电分相的问题不复存在。

3 同相供电装置的安装

3.1 规格特点

同相供电装置的规格特点如表1所示。

3.2 安装方法

表1 同相供电装置规格特点

安装过程中，主要考虑如下几点：（1）同相供电装置集交直交变流器和牵引匹配变压器于一体，为高效完成安装，在设备生产前，以设备结构特点等方面的情况为依据，制订可行的安装方案，具体需考虑变压器的安装、变流器的安装、馈出高压开关柜的配置等，各方面均要满足要求；（2）以工程进度计划为准及时组织设备运输作业，到达现场后全面检查，再由专业人员将设备安装到位；（3）以全户内式布置方式为主，在施工前获取房建工程的实际信息，包含施工进度、质量等，形成合理的规划，合理安排人员，保证设备的运输和安装均具有流程性，以减少工序交叉，有序开展各项工作。

4 同相供电装置结构类型

现阶段，同相供电装置已经取得较显著的发展成果，结构类型逐步丰富，主要有如下2种：（1）单项级联结构，其按照“背对背”的方式连接直流电源，可确保电能的交换具有足够的稳定性与可靠性；（2）在科学技术持续发展的背景下，技术的驱动作用愈发显著，多重化结构应运而生，扩容效果良好，可满足大功率运行的要求。同相供电结构如图1所示。

5 技术方案

国内关于同相供电系统的研究主要分2类：基于对称补偿技术的同相供电系统和基于有源补偿技术的同相供电系统。

5.1 采用对称补偿技术构成的同相供电系统

通过并联无功补偿（PRC）方式的应用有助于削弱单相负荷所形成的负序电流，并且具备无功补偿的功能，由此达到同相供电的效果。此外，也可采取并联电容补偿（PCC）的方式。YNdl1接线三相一单相系统的对称补偿，其主要特点在于补偿装置的容量利用率较低，顺利设置补偿装置的必要前提在于得到3个端口的支持，且精准控制输出的电压，不能与邻近单相变压器变电所的电压相位一致。对于特殊接线方式下所构建的三相一单相对称补偿系统，其主要运行目标体现在2方面：（1）寻找负序完备补偿的最简方式；（2）与单相接线牵引变压器高效结合，达到同相供电的效果，发挥出电力系统承受负序的能力，将系统化繁为简。

图1 同相供电结构

5.2 采用有源补偿技术构成的同相供电系统

PFC为潮流控制器。目前电力电子技术得到了长足发展和广泛应用，由于具有动态响应速度快和精度高的特点，因此，基于电力电子的有源补偿技术具有较高实用价值。这种同相供电方案中，潮流控制器是实现同相供电的关键设备。潮流控制器是由电力电子器件和控制系统构成的变流器系统，其主要组成包含3部分：（1）补偿电流生成电路，可检测牵引负荷电流的具体分量，如有功、无功和谐波；（2）电流跟踪控制电路，其能够产生PWM控制脉冲；（3）主电路，核心组成为变流器。从工作原理的角度分析潮流控制器的运行特性：检测补偿对象的电压和电流，其间生成补偿电流指令信号，依托于电流跟踪控制电路可以形成PWM控制脉冲，此后带动主电路运行，使其产生综合补偿电流，以满足补偿对象的需求[1]。

5.3 经济优势

同相供电系统具有较好的综合经济性，主要表现在：（1）取消分相，避免了分相时的列车速度损失，提高了列车的通过能力，增加了运量；（2）由于牵引变压器利用率的提高，可降低牵引变压器安装容量1～2个容量等级，节省大量的固定电费（每年数百万）；（3）可改善功率因数、降低电压不平衡度、提高和稳定网压，避免电能质量罚款；（4）可节省其他电能质量补偿装置（如固定补偿、SC等）费用；（5）取消变电所出口分相，节省地面自动过分相装置投资。

6 有源补偿的优势及结论

有源补偿的优势具体体现在以下3个方面：

1）防止并联电容器组对谐波的放大。在电网中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作用。当谐波存在时，在一定的参数下电容器组会对某次谐波发生振荡，从而对该次谐波起放大作用，危及电容本身和附近的电气设备。在对电容器组的部分支路采取改造措施后（改为滤波器），或采用串联电抗器的方式，可抑制电容器组对谐波的放大作用，改善运行环境。

2）增设静止无功补偿装置。电弧炉、卷扬机等装置在运行期间存在快速变化的谐波源，同时伴有供电电压的波动和闪变现象，甚至在特殊情况下会出现系统电压三相失衡的局面，导致公用电网难以维持正常工作状态，电能质量大幅下降。对此，在精准锁定谐波源后，于该处以并联的方式设置静止无功补偿装置，此举有助于减少波动的谐波量，克服三相不平衡的问题，也能在一定程度上补偿功率因素。

3）改善供电环境。正确选用供电电压，切实维护三相电压的均衡性与稳定性，此举有助于削弱谐波对电网产生的影响。谐波源的供电对象为高一级电压的电网，架设专门的线路，以满足谐波源负荷的供电需求，以免因谐波的存在对其他负荷带来负面影响。在该工作机制下可抑制甚至完全消除高次谐波。

较之于对称补偿技术，此处所提的有源补偿技术的综合应用优势更为显著，高度可控、快速响应，可以根据需求补偿各次谐波，缓解甚至解决闪变、补偿无功的问题；成本方面，滤波特性并不会受到系统阻抗的干扰，避免了与系统阻抗发生谐振的问题。在容量逐步加大的行业发展背景下，有源滤波技术的应用优势逐步显现，应将其视为改善电能质量的关键技术，并扩宽其适用范围，打破以往仅补偿用户自身谐波的束缚，将其延伸至整个电力系统中，切实提高整体的电能质量。