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摘要：目前我国铁路电力系统的外部电源，主要由地方电网接引的10kV/35kV可靠电源为铁路沿线非牵引负荷的各类电力负荷进行供电。随着近年来西部地区和高原电气化铁路的快速推进，部分新建铁路沿线普遍存在长大坡道较多，电力系统薄弱，外电接口较少，电源接引距离过长等制约工程实施的重大影响因素，对于铁路电力及牵引供电系统的设计建设难度进一步加大，加之电气化铁路长期以来普遍存在的电能质量及过分相问题，鉴于此本文提出了一种基于新型电气化铁路同相供电牵引变电所的铁路电力供电方案，通过利用牵引-补偿变压器及单相功率潮流控制器可实现对电力牵引负荷所引起的负序等电能质量问题进行综合治理，从结构上取消牵引变电所出口处的电分相环节，实现同相供电，同时在单相功率潮流控制器的共直流母线侧，利用集中式三相逆变电源设备配合匹配变压器将直流电源转换为三相交流电源为铁路电力变配电所及贯通线供电。

关键词：功率潮流控制器；电能质量控制；同相供电；铁路电力系统

0引言

伴随着我国铁路建设的飞速发展，经济产业结构升级和城市化进程的显著加快，铁路电气化、信息化、智能化程度不断提升，为维持电气化铁路的正常运转，除确保电力机车能够得到源源不断的电能供给外，铁路沿线还分布着大量的通信、信号设备及生产生活房屋动力照明等各类非牵引负荷，因此铁路电力系统的安全、稳定、可靠，与牵引供电系统同样至关重要[1-2]。

我国的电气化铁路广泛采用27.5kV/50Hz的单相工频交流制供电方式，相对于三相系统具有单相独立性和不对称性，导致现行牵引供电系统中长期存在以负序为主的电能质量问题和过分相问题，尤其是在当前西部地区和高原电气化铁路快速推进的大背景下，部分新建铁路沿线普遍存在地址环境恶劣，长大坡道较多，电力系统薄弱，外电接口较少，电源接引距离过长等问题，对于铁路电力和牵引供电系统的设计建设提出了更高程度的挑战，制约了我国西部地区和高原铁路的进一步发展[3-4]。

1基于新型同相供电牵引变电所的铁路电力供电方案

同相供电技术作为改善电气化铁路电能质量，并彻底取消电分相环节的最佳技术途径，引领了新一代牵引供电系统的技术革命[5-8]。结合同相供电技术的基本理念，本文提出了一种基于新型电气化铁路同相供电牵引变电所的铁路电力供电方案，如图1所示。

同相牵引变电所分别由新型牵引-补偿变压器、功率潮流控制装置、馈线及保护单元、以及综合测控单元四部分组成。其中牵引-补偿变压器的拓扑结构如图2所示，高压侧分别引出A、B、C三端子与110kV/220kV三相高压母线相连，并自原边绕组AB引出中间抽头D端子，将其与B1端子相连接，从而将原边绕组的接线方式等效构造为Scott接线；同时以其次边绕组ab为同相牵引端口，并分别引出抽头d、d1两个端子，将端子d与次边绕组b1c的b1端子相连接，则可最终形成ac、d1c、ad共计3个补偿端口。

此时若牵引-补偿变压器的各次边绕组ad、dd1、b1c的线圈匝数相同，则可得到3个补偿端口的接入电压相量关系，如图3所示。其中、两者相互垂直，与分别相差，三者端口电压大小满足。

功率潮流控制装置由3台共直流母线的单相功率潮流控制器CON1、CON2以及CON3及1台集中式三相逆变电源设备构成。在系统投入运行后，牵引变电所实施同相供电，牵引网采用同一电压相位为电力机车提供牵引动力，并由功率潮流控制装置通过改变系统的有功和无功潮流，在实现对负序、无功以及谐波等电能质量问题进行集中治理的同时，可为铁路电力变配电所及贯通线提供可靠稳定的10kV/35kV三相交流电源。综合测控装置通过监测牵引负荷及电力用电负荷的实时数据及参数信息，控制系统的高效稳定运行。

2功率潮流控制装置工作原理分析

根据文献[9-10]可知，对于牵引-补偿变压器的次边任意牵引端口或补偿端口中所流过的单相电流，其映射于三相电力系统当中所对应的各相电流可按下式进行表示：

若将式（1）分别左乘和，则可得到电力牵引负荷所产生的总合成正序电流通用表达式为：

式中，为端口电流的有效值，为功率因数角（以滞后为正）。

将式（2）的共轭乘以即可得到系统侧的正、负序视在功率分别为：

于是根据式（3）可以得知，功率潮流控制装置实现电能质量治理的本质便是基于做减法的思想，由于负序和无功问题往往伴随电力牵引负荷而同时出现，因此根据电力牵引负荷所产生的负序功率大小及无功含量的不同，可将功率潮流控制装置的基本工作原理总结如下：

1）当牵引-补偿变压器的次边牵引端口存在电力牵引负荷时，如考虑同时针对电力牵引负荷所产生的负序和无功功率进行约束，此时通过控制单相功率潮流控制器CON1和CON3分别在补偿端口发出容性无功功率、CON2在补偿端口发出感性无功功率，则在完全补偿的条件下，可由式（3）得到负序无功综合补偿数学模型为：

对式（4）进行求解，即可得到CON1和CON3所需发出的容性无功功率为和，CON2所需发出的感性无功功率大小为。

2）为满足铁路10kV/35kV电力系统的用电需求，三相逆变电源设备的交流侧所需功率还同时由公共电网通过单相功率潮流控制器CON1和CON2提供，且通过CON1和CON2的功率相等，分别为铁路电力用电负荷视在功率的一半。

在此基础上可作出系统在同时满足牵引供电和铁路电力供电运行工况下的正、负序相量关系示意图，如图4所示。

根据图4可以得知，对于牵引负荷所产生的负序电流而言，由单相功率潮流控制器CON1和CON3输出的容性补偿电流和，以及CON2输出的感性补偿电流，可实现相互抵消，此时CON1、CON2、CON3注入系统中的总无功功率呈容性，因而能够在抵消牵引负荷所产生的系统负序同时，实现对牵引负荷正序无功分量的完全补偿。

此外当单相功率潮流控制器CON1和CON2通过大小相同的电力负荷电流时，两者所产生的负序电流分量和恰好共线反向，相互抵消，因此不会在系统中产生额外的负序电流分量，再经由共直流母线侧的三相逆变电源设备将所需功率传输至铁路电力变配电所及贯通线，则可较好的解决铁路电力系统的外电接入问题。

3系统仿真分析

为了进一步验证上述系统方案的可行性和有效性，本节将结合某电气化铁路牵引变电所的实测负荷数据针对牵引变电所电能质量综合治理及铁路电力供电的运行效果进行仿真分析。

仿真中设置牵引变电所一次侧进线电压等级为110kV，外部电源系统短路容量为500MVA，牵引-补偿变压器的牵引端口额定电压为27.5kV。设定PCC处的负序电压不平衡度允许限值为2%[11]，同时控制系统功率因数不低于0.9运行，其中牵引端口的负荷视在功率为23MVA，对系统造成的负序电压不平衡度约为4.6%，功率因数为0.8，铁路10kV电力系统的负荷视在功率为5000kVA，功率因数为0.8。

系统投入运行后，则可得到在满足电力及牵引供电负荷需求的前提下，对牵引变电所电能质量问题进行综合治理前后的仿真结果，如图5所示。

可以看出，在对牵引变电所电能质量问题进行综合治理前，系统侧的三相电流波形存在明显的不对称现象，且非牵引负荷的各类电力负荷所需功率均由电网通过单相功率潮流控制器CON1、CON2提供大小相等的功率潮流，再经由共直流母线侧的三相逆变电源设备传递至铁路10kV电力供电系统中。当控制单相功率潮流控制器CON1、CON2、CON3共同对牵引负荷所引起的负序无功等电能质量问题进行综合治理时，系统在一个电流周期内便可达到稳定运行状态，CON1、CON2、CON3分别发出性质不同的补偿电流，从而使PCC处的负序电压不平衡度能够迅速控制在2%的允许限值内，且功率因数也能够从补偿前的0.8提升至0.9，仿真结果表明所提系统方案能够满足预期的各项功能。

4结论

本文提出了一种基于新型电气化铁路同相供电牵引变电所的铁路电力供电方案，可有效解决外电系统薄弱或接引困难地区，铁路10kV/35kV电力系统的供电需求，并通过利用同相供电技术，有效解决了电气化铁路对公用电网造成的以负序为主的电能质量问题，同时通过取消牵引变电所出口处电分相，能够充分避免电力机车过分相所带来的诸多不良影响，此外牵引-补偿变压器同时具有牵引端口及补偿端口，二者之间可以进行绕组共用，集成度高，能够实现牵引变压器与补偿变压器的结构优化配置，有利于进一步减少牵引变电所供电设备数量，节约投资及运维成本。仿真结果表明，本文方案有效可行，且系统响应速度较快，电能质量综合治理效果良好。

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