中国铁路济南局集团有限公司青岛供电段 山东青岛 266002
摘要：随着科学技术的发展，我国的柔性电力电子技术有了很大进展，为实现功率可控、可转移提供技术方案。本文针对目前电气化铁路供电臂间功率不可融通、电分相供电孤岛、变电所功率不可控等问题，研究了柔性电力电子技术在牵引供电系统中的应用，并对系统构成及功能进行分析。
关键词：电气化铁路；柔性供电；功率融通
引言
电分相导致牵引供电系统存在无电区，在保障供电安全的前提下使列车安全可靠高速通过电分相是牵引供电领域长期关注的问题。为解决列车过分相带来的供电及行车安全问题，相继提出多种车载或地面自动过分相技术方案。这些技术方案虽然在一定程度上减轻了司机的操作强度，提升了供电与行车安全水平，但在过分相期间列车仍然存在从断电到复电的过程，导致列车牵引力及速度的损失，并通常伴随过电压、过电流、弓网强烈燃弧等电磁暂态现象，严重时可能导致牵引网相间短路或列车坡停等重大安全问题。因此，电分相问题已成为我国铁路进一步向安全、高效发展的主要技术瓶颈。
1电气化铁路的电能特征及电能质量主要技术指标
电气化铁路不同于一般电力负载，牵引供电系统采用单相工频供电制式，电力机车含有整流和逆变电力电子装置，电力机车运行时有起动、加速、制动等不同状态，说明电气化铁路的负荷具有不对称性、非线性和冲击性。不对称性会造成电力系统三相电压不平衡，产生负序电压和电流，其负序特性受牵引变压器接线方式的影响．含有电力电子装置的电力机车运行会向电力系统注入谐波，电力机车分为交直型和交直交型。交直型电力机车采用相控整流方式，其谐波含量大，功率因数低，谐波含量多为低次奇次谐波，功率因数通常低于0．9；交直交型电力机车采用PWM整流方式，其谐波含量小，功率因数高，低次谐波含量很小，高次谐波含量增大。同时，电气化铁路负载的冲击性造成系统电压的波动。电气化铁路电能质量的主要问题是负序、谐波、无功．我国电能质量的相关技术标准见文献。电能质量指标可分为技术性和非技术指标，非技术指标其实就是服务性指标．技术性指标一般包括供电连续性、供电电压允许偏差、供电频率允许偏差、电压波动和闪变、三相电压不平衡度、谐波等。电能质量指标项目较多，在有效反映电气化铁路的电能质量问题前提下，宜通过合理选择反映电能质量的关键技术指标以减少统计数据量。影响电气化铁路电网的主要因素是谐波、负序、无功，因此，仅统计分析谐波电压、谐波电流、三相电压不平衡度、功率因数四个电能质量技术指标。
2电气化铁路供电系统存在问题
2.1电分相问题
电气化铁路电力机车采用交流工频单相供电，作者简介：崔校玉.中国铁路设计集团有限公司，教授级高级工程师，主要研究方向为牵引供电系统设计。为平衡电力系统各相负荷，牵引供电系统一般采用相序轮换供电，为此需在接触网中设电分相，将不同相电进行电气隔离以避免相间短路。电分相一般设置在牵引变电所出口及供电臂末端，由接触网、车载装置、地面信号装置等组成。电分相不仅将不同相之间进行电气隔离，同时也隔离了不同相之间的功率交换。电分相同时也是划分不同供电单元不可缺少的部分，在供电可靠性和灵活性方面起到较大作用。电分相是牵引供电系统中的供电孤岛，在大型车站出站侧设计电分相，会影响出站列车的速度，列车出站启动时速度较低，经过电分相时断电，速度损失较大，延长了追踪间隔。
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2.2电容器并联接线方式存在问题
并联电容器主要分成两种类型，分别为星形和三角形，其中星形又可以分为双星形和单星形，三角形又分为单三角形和双三角形。而三角形接线容量是星形接线容量的3倍以上，所以三角形接法是一种非常普遍的接法，但由于高压电容器三角形接法存在一些安全隐患，国家要求新建的高压电容器不能使用三角形接线的方法进行接线，而对于低压三相并联电容器则采用三角形连接方式。
2.3智能牵引供电系统需求
牵引供电系统为列车运行提供电能，供电可靠性与运行品质息息相关，运行过程中各种状况千变万化，故障时有发生。故障发生后，为了保证运输持续性，降低故障对铁路运输的影响，需要牵引供电系统进行灵活应对。目前，牵引供电系统均按照列车运行功率需求配置，故障情况下不能主动进行功率增加，功率潮流控制的智能化水平较低，而且供电格局无法实现不同供电臂间、不同所间的功率交换。利用柔性电力电子技术则可以实现不同运行工况下功率需求的智能化匹配，以及车-网功率需求与传输的合理匹配。
3柔性牵引供电系统构成
柔性牵引供电系统主要由牵引变电所柔性供电子系统、分区所柔性供电子系统、低压配电系统柔性交换子系统构成，各子系统由柔性电力电子模块构成，牵引变电所柔性供电子系统实现牵引变电所的电能控制、功率融通，解决电分相供电孤岛问题；分区所柔性供电子系统实现两相邻供电臂的功率融通、消除电分相供电孤岛；低压配电系统柔性交流系统实现低压配电系统与牵引系统之间电能交互可控、可调。目前在电气化铁路中应用的柔性电力电子技术功能较为单一，还未形成整个供电系统电能柔性传输与控制。最终的柔性牵引供电系统应能实现在牵引变电所进行潮流控制，取消牵引变电所、分区所处的电分相，使牵引功率需求在不同变电所间实现最佳经济性匹配。
4电气化铁路电能质量问题的治理措施
1）改善功率因数的主要方法是采用无功补偿装置，补偿装置可分为固定和可调无功补偿装置两种方式。固定无功补偿装置的成本低、灵活度差。电气化铁路的负载特性是冲击性负载，固定补偿会出现过补偿的情况，随着电力部门采用无功返送正计的计量方法，这种方法的经济性变差；可调无功补偿装置灵活度高，但其控制要求高，成本高。2）改善电压不平衡问题的主要措施有采用牵引站轮流换相和平衡变压器，虽然在一定程度上抑制了负序电流，但效果不理想。此外，增加系统接入点的短路容量也可以有效改善电压不平衡问题，但这需要电力系统强大的支撑，对于电力系统发展相对落后地区，电源薄弱，无法提供足够大的容量．3）抑制谐波的方法主要是滤波，滤波器分为无源和有源滤波器。无源滤波器成本低，滤波带宽有限，一般只针对特定频次的谐波。4）源头抑制措施。传统的交直型机车具有功率因数低、低次谐波含量大的特点，是导致电气化铁路的功率因数和谐波问题的源头。通过改进电力机车主电路的拓扑结构，可以提高其功率因数和减少谐波。近些年，交直交型机车凭借自身功率因数高，低次谐波含量小的优点，正在逐步取代交直型电力机车，然而电力机车的更新升级过程还会持续一段较长过渡时期，在这个过渡时期内，功率因数和谐波问题依然存在，需要加装补偿和滤波装置进行控制和治理。
结束语
综上所述，本文分析了目前牵引供电系统存在的供电孤岛、功率不融通、再生电能难以高效利用等主要问题。借鉴电力系统柔性输电的成熟应用经验，利用先进的电力电子技术可以构建灵活、可靠、高效的柔性牵引供电系统，并对系统构成及各部分功能进行分析。该系统可以改变现有供电格局，实现牵引供电功率潮流、供电质量、电能质量的可控以及再生能的高效利用，提高牵引供电系统运行品质。
参考文献：
[1]谢小荣，姜齐荣.柔性交流输电系统原理与应用[M].北京：清华大学出版社，2014.
[2]全风岐，李春东，薛激光.FACTS技术在智能电网中的应用[C].第四届电能质量及柔性输电技术研讨会，2012.
[3]董志杰.电气化铁道负序影响分析及降低措施研究[C].第四届电能质量及柔性输电技术研讨会，2012.
论文作者:张增华,王涛,郭毅
论文发表刊物:《房地产世界》2019年10期
论文发表时间:2019/10/28
标签：谐波论文; 柔性论文; 电气化铁路论文; 供电系统论文; 电能论文; 电力机车论文; 功率论文; 《房地产世界》2019年10期论文;