單相交流牽引供電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展

周方圓，陳 鵬，吳麗然

(1.株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，株洲 412001；2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610031)

電氣化鐵路運(yùn)能大、速度快，具有明顯經(jīng)濟(jì)效益并且仍將是未來(lái)鐵路發(fā)展的重要方向[1]。單相交流牽引供電系統(tǒng)在電氣化鐵路應(yīng)用最為廣泛，但是其存在電分相、負(fù)序、諧波等問題[2]，這些問題制約單相交流牽引供電系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)發(fā)揮。單相交流牽引供電系統(tǒng)針對(duì)以上問題采取對(duì)應(yīng)措施，如電分相問題各國(guó)采取車載過(guò)分相、地面過(guò)分相等方式，針對(duì)電能質(zhì)量問題采SVC、RPC等治理措施。同相供電可以綜合治理過(guò)分相和電能質(zhì)量問題，國(guó)內(nèi)外都已有工程應(yīng)用，而適合我國(guó)國(guó)情的同相供電技術(shù)仍在改進(jìn)和完善[1-3]。

本文對(duì)各國(guó)單相交流牽引供電系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上，結(jié)合儲(chǔ)能和新能源背景描繪單相交流牽引供電系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 各國(guó)主要牽引供電制式

電氣化鐵路大部分采用單相交流牽引供電，但是各國(guó)的牽引供電制式有所不同，德國(guó)等中、北歐國(guó)家受歷史影響采用16.7 Hz單相交流供電[3-4]，法國(guó)、英國(guó)等國(guó)家電網(wǎng)電壓等級(jí)高、短路容量大，采用單相變壓器給鐵路供電[4]，而日本受某些地區(qū)薄弱電網(wǎng)影響采用Scott平衡變壓器給鐵路供電[5]，我國(guó)采用單相工頻交流牽引供電方式[6]。各國(guó)主要牽引供電制式見表1。

表1 各國(guó)主要牽引供電制式一覽

2 國(guó)內(nèi)外過(guò)分相技術(shù)

為使電力系統(tǒng)三相盡量平衡，電氣化鐵路采用分段換相供電，接觸網(wǎng)上兩相中間需設(shè)置絕緣無(wú)電中性區(qū)，由此產(chǎn)生電分相。機(jī)車過(guò)分相過(guò)程存在短時(shí)斷電，給列車帶來(lái)速度損失和安全隱患，換相過(guò)程的過(guò)壓、過(guò)流嚴(yán)重時(shí)可能燒毀車載設(shè)備[7]。

2.1 車載過(guò)分相技術(shù)

歐洲許多國(guó)家采用單相變壓器給鐵路供電，省去變電所出口處過(guò)分相，且牽引供電系統(tǒng)一般接入高電壓等級(jí)三相電網(wǎng)，短路容量較大，供電距離長(zhǎng)，電分相數(shù)量少。這些國(guó)家針對(duì)過(guò)分相問題一般追求簡(jiǎn)單實(shí)用，采用車載自動(dòng)過(guò)分相方式，如英國(guó)和德國(guó)就采用這種過(guò)分相方式[7]。

我國(guó)高鐵普遍采用車載自動(dòng)過(guò)分相[8]，列車檢測(cè)地面?zhèn)鞲衅餍盘?hào)自動(dòng)“斷”、“合”車載主斷路器，惰行通過(guò)中性區(qū)。該方式適應(yīng)多速度列車要求，但過(guò)分相斷電時(shí)間較長(zhǎng)，速度損失嚴(yán)重；需開/閉車載主斷，對(duì)車載設(shè)備存在暫態(tài)沖擊，需要相關(guān)保護(hù)。

2.2 柱上開關(guān)自動(dòng)過(guò)分相技術(shù)

柱上開關(guān)自動(dòng)過(guò)分相方式以瑞士為代表，我國(guó)原福州鐵路分局20世紀(jì)90年代采購(gòu)過(guò)2套柱上開關(guān)自動(dòng)過(guò)分相裝置[7]。該裝置通過(guò)磁控線包控制真空開關(guān)分、合閘操作，縮短電力機(jī)車過(guò)分相的距離和斷電時(shí)間，司機(jī)可不操縱機(jī)車使其惰行過(guò)分相。該裝置在我國(guó)實(shí)際應(yīng)用時(shí)需對(duì)機(jī)車控制系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)改造，且分相區(qū)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，換相過(guò)程過(guò)壓、過(guò)流嚴(yán)重。

2.3 地面自動(dòng)過(guò)分相技術(shù)

2.3.1 機(jī)械開關(guān)型

圖1 機(jī)械開關(guān)型過(guò)分相(日本)

地面自動(dòng)過(guò)分相以日本為代表，早期切換開關(guān)多采用真空斷路器(圖1)。該過(guò)分相方式主要問題在于過(guò)分相過(guò)程中300 ms左右的斷電時(shí)間較長(zhǎng)，真空斷路器控制不夠精確，無(wú)法控制合閘相位，真空開關(guān)開/閉過(guò)程中的過(guò)壓、過(guò)流比較嚴(yán)重[9]，且真空斷路器的壽命較短，后期維護(hù)頻繁且維護(hù)成本較大。

西安鐵路局科研所20世紀(jì)90年代研制帶有智能選相功能的真空斷路器過(guò)分相(圖2)。實(shí)現(xiàn)在主斷路器工作情況下轉(zhuǎn)換時(shí)間小于(0.13±0.02) s，備用斷路器下小于(0.4±0.05) s；該裝置后期維護(hù)成本較高，但在神朔、寶成等多坡、重載鐵路大量采用[10]。

圖2 機(jī)械開關(guān)型過(guò)分相(西鐵科)

2.3.2 電子開關(guān)型(圖3)

機(jī)械開關(guān)型過(guò)分相其控制和壽命上存在固有缺點(diǎn)，日本逐漸采用電子開關(guān)型過(guò)分相代替[9]，采用晶閘管閥組代替真空斷路器，晶閘管可控性強(qiáng)、響應(yīng)快、可靠性高、維護(hù)費(fèi)用低。且斷電時(shí)間和換相時(shí)間都大大縮短，可精確控制開/閉角，可緩解電壓、電流暫態(tài)沖擊。西班牙也采用了該方案，裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，方便后期更換和維護(hù)[11]。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)電子開關(guān)型過(guò)分相展開過(guò)研究，也在開展電子開關(guān)型過(guò)分相的工程化應(yīng)用。

圖3 電子開關(guān)型過(guò)分相

2.3.3 柔性過(guò)分相技術(shù)

盡管電子開關(guān)相比于機(jī)械開關(guān)過(guò)分相性能改進(jìn)很大，對(duì)開/閉相位的控制、抑制暫態(tài)沖擊等很有幫助，但是列車仍有很短暫的斷電時(shí)間，無(wú)法實(shí)現(xiàn)完全不斷電過(guò)分相。日本鐵路研究機(jī)構(gòu)提出基于過(guò)分相供電系統(tǒng)(Changeover Section Power System， CSPS)的地面自動(dòng)過(guò)分相裝置[12]。

該裝置主要包括3種控制：電壓調(diào)幅和移相控制，負(fù)載傳輸控制，輸出限制控制。列車在過(guò)分相過(guò)程中，CSPS裝置通過(guò)3種控制實(shí)現(xiàn)列車平滑不斷電通過(guò)電分相[12]。如圖4所示。

圖4 不斷電過(guò)分相

國(guó)內(nèi)學(xué)者也對(duì)不斷電過(guò)分相(柔性過(guò)分相)進(jìn)行了研究并提出相關(guān)方案[13]，目前我國(guó)中船重工712所和中車株洲所都在開展柔性過(guò)分相工程化應(yīng)用。柔性過(guò)分相需要配套安裝隔離變壓器和大容量的電力電子裝置，成本相對(duì)來(lái)說(shuō)較高。

3 電能質(zhì)量治理

制約單相交流牽引供電系統(tǒng)發(fā)展的除了電分相問題，還有電能質(zhì)量問題，其不但影響電氣化鐵路的安全、高效運(yùn)行，同時(shí)也是電力部門和鐵路部門關(guān)注焦點(diǎn)所在，如鐵路部門因?yàn)楣β室驍?shù)問題每年被電力部門罰款，增加了鐵路的運(yùn)營(yíng)成本。

主要介紹SVC、RPC、STATCOM 3種常用電能質(zhì)量治理方式，同相供電將在下文介紹。各國(guó)鐵路受牽引供電制式和地區(qū)電網(wǎng)特點(diǎn)影響，采取側(cè)重點(diǎn)不同的治理方式。

3.1 靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)

歐洲鐵路一般采用單相變壓器供電，系統(tǒng)側(cè)連接大容量電網(wǎng)以緩解鐵路電能質(zhì)量問題對(duì)電力系統(tǒng)的影響[4]。單相變壓器負(fù)序問題比較嚴(yán)重，歐洲通常采用基于Steinmets法[14]的SVC方案進(jìn)行補(bǔ)償。如圖5所示。

圖5 SVC的Steinmets法補(bǔ)償

1987年，澳大利亞昆士蘭鐵路的三相132 kV電網(wǎng)側(cè)安裝9套SVC裝置用來(lái)治理負(fù)序問題和動(dòng)態(tài)負(fù)載平衡，總安裝容量達(dá)到600 MVA，是世界上鐵路SVC安裝容量最大的一處工程。

SVC在我國(guó)各鐵路局應(yīng)用廣泛，主要安裝于牽引供電臂末端補(bǔ)償線路無(wú)功損失，提高功率因數(shù)。隨著交直交機(jī)車逐漸取代交直機(jī)車，功率因數(shù)提高，SVC在鐵路的應(yīng)用逐漸飽和，部分使用交直機(jī)車的西部鐵路和無(wú)功補(bǔ)償改造項(xiàng)目仍有此需求。

3.2 靜止無(wú)功同步補(bǔ)償器(STATCOM)

當(dāng)補(bǔ)償接入點(diǎn)的電壓發(fā)生變化的時(shí)候，SVC的補(bǔ)償效果并不理想，STATCOM可彌補(bǔ)這一缺點(diǎn)，響應(yīng)時(shí)間達(dá)20 ms，速度更快。日本將STATCOM安裝于三相電網(wǎng)側(cè)用于于消除負(fù)序分量(圖6)，從1993年，在東海道新干線安裝了5套34/60MVA的STATCOM用于無(wú)功和負(fù)序補(bǔ)償、低次諧波治理、抑制電壓波動(dòng)[15]。

圖6 三相電網(wǎng)側(cè)的STATCOM

STATCOM占用空間小，受端電壓影響小，但是成本較之于SVC高出許多，控制方式上也比SVC復(fù)雜，目前在我國(guó)鐵路應(yīng)用較少，未來(lái)隨著功率器件成本下降，STATCOM在鐵路無(wú)功和負(fù)序補(bǔ)償方面將有不錯(cuò)前景[16]。

3.3 鐵路功率調(diào)節(jié)器(RPC)

平衡變壓器在日本使用最廣泛，日本普遍使用Scott平衡變壓器，這與日本鐵路行車密度高有一定關(guān)系。為了發(fā)揮Scott平衡變壓器效果，日本在Scott變壓器兩臂之間安裝鐵路功率調(diào)節(jié)器RPC(圖7)，補(bǔ)償兩臂的全部無(wú)功，以及在兩臂間傳輸有功，實(shí)現(xiàn)兩臂有功平衡[17]。日本鐵路先后有2套20 MVA RPC(東北新干線)和6套20/60 MVA RPC(東海道新干線)投運(yùn)，投運(yùn)后系統(tǒng)側(cè)負(fù)序指標(biāo)明顯改善[9，17]。

圖7 RPC結(jié)構(gòu)

我國(guó)首套R(shí)PC裝置于2015年在常德石門牽引變電所成功投運(yùn)，顯著提高了該變電所的功率因數(shù)，系統(tǒng)側(cè)三相不平衡度大大降低，電壓波動(dòng)和諧波電壓畸變率明顯改善，同時(shí)提高變壓器的設(shè)備利用率。

4 同相供電技術(shù)

單相交流牽引供電系統(tǒng)采用同相供電技術(shù)可綜合治理過(guò)分相問題和電能質(zhì)量問題[18]。

4.1 國(guó)外同相供電現(xiàn)狀

歐洲最早開展鐵路變頻供電的研究應(yīng)用，早期采用旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組，現(xiàn)普遍采用大功率頻率變換器SFC。其SFC主要有兩種結(jié)構(gòu)：一種是NPC級(jí)聯(lián)交直交拓?fù)?，模塊并聯(lián)以提高冗余度，實(shí)現(xiàn)牽引網(wǎng)和三相電網(wǎng)完全解耦；另一種是MMC直接變換型拓?fù)?，輸出直接與接觸網(wǎng)相連，省卻輸出變壓器。

日本東海道新干線某些變電所采用EFC將50 Hz三相電變換為60 Hz單相給鐵路供電。2003年以來(lái)，先后有3套60 MVA EFC安裝運(yùn)行，EFC具有實(shí)現(xiàn)同相供電能力[19]。

國(guó)外同相供電發(fā)展起步早，投入運(yùn)行的工程安裝容量較大，成本高。德國(guó)、澳大利亞和日本的同相供電工程實(shí)際運(yùn)行效果表明，同相供電不僅解決過(guò)分相問題和電能質(zhì)量問題，還實(shí)現(xiàn)牽引網(wǎng)和電網(wǎng)解耦，其貫通式同相供電很值得我國(guó)借鑒和學(xué)習(xí)。

4.2 國(guó)內(nèi)同相供電現(xiàn)狀

我國(guó)學(xué)者和研究單位一直致力于同相供電研究[1，2，18，20]，第一套同相供電裝置2010年在眉山牽引變電所投入運(yùn)行，其結(jié)構(gòu)如圖8所示。

該系統(tǒng)的主要功能有：取消變電所出口電分相，兼顧諧波和無(wú)功補(bǔ)償，補(bǔ)償負(fù)序，降低原邊三相不平衡度。該裝置經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，運(yùn)行穩(wěn)定，安全可靠，2011年通過(guò)科技部組織專家鑒定驗(yàn)收[2]。

圖8 眉山同相供電裝置結(jié)構(gòu)

眉山同相供電裝置獲得成功后，2014年，世界首套“單三相組合式同相供電裝置”在山西中南重載鐵路投運(yùn)，標(biāo)志著我國(guó)同相供電技術(shù)及裝備開始進(jìn)入工程化應(yīng)用。組合式同相供電采用負(fù)序滿意補(bǔ)償，補(bǔ)償容量最小化，變壓器容量利用率最大化，變流器冗余備用可在線切換，提高系統(tǒng)供電可靠性。見圖9。

圖9 組合式同相供電結(jié)構(gòu)

我國(guó)的同相供電以牽引變壓器為主，電力電子補(bǔ)償裝置為輔，降低了電力電子裝置安裝容量，具有成本優(yōu)勢(shì)，且變流器故障情況下可切換至牽引變壓器供電，雖然電能質(zhì)量下降，但是短時(shí)恢復(fù)列車供電，不影響列車運(yùn)行[20]。

5 “綠色”牽引供電系統(tǒng)技術(shù)

未來(lái)隨著電力電子技術(shù)進(jìn)步，制約單相交流牽引供電系統(tǒng)發(fā)展的電分相和電能質(zhì)量問題將得到很好解決。我國(guó)乃至世界新能源發(fā)展迅速，鐵路作為電能消耗大戶也應(yīng)響應(yīng)這一潮流，提高新能源在鐵路供電中的占比，不僅包括動(dòng)力用電，還應(yīng)包括牽引供電。德國(guó)等歐洲國(guó)家相繼提出提高鐵路新能源用電占比，德國(guó)提出到2050年，德國(guó)鐵路將100%采用新能源供電，實(shí)現(xiàn)電氣化鐵路零碳排放。

電氣化鐵路再生制動(dòng)能量利用率低，降低電氣化鐵路碳排放需將再生制動(dòng)能量利用和新能源結(jié)合。儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)單相交流牽引供電系統(tǒng)削峰填谷，將列車制動(dòng)能量存儲(chǔ)用于列車加速情況下使用，可降低牽引供電系統(tǒng)安裝容量。

由于牽引負(fù)荷沖擊大，給新能源接入穩(wěn)定性帶來(lái)困難，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以分擔(dān)牽引負(fù)荷給新能源帶來(lái)的沖擊；目前新能源用于牽引供電的技術(shù)還不成熟，未來(lái)隨著虛擬同步機(jī)技術(shù)[21]取得重大突破，新能源并網(wǎng)穩(wěn)定性將大大提高，實(shí)現(xiàn)圖10的“綠色”牽引供電系統(tǒng)將成為可能。

圖10 “綠色”牽引供電系統(tǒng)技術(shù)

6 結(jié)論

本文對(duì)國(guó)內(nèi)外單相交流牽引供電系統(tǒng)的部分關(guān)鍵技術(shù)現(xiàn)狀進(jìn)行了總結(jié)，單相交流牽引供電系統(tǒng)經(jīng)過(guò)歷史檢驗(yàn)已顯示其優(yōu)越性，限制其優(yōu)勢(shì)發(fā)揮的過(guò)分相和電能質(zhì)量問題已通過(guò)相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)得到治理。單相交流牽引供電系統(tǒng)未來(lái)必須順應(yīng)節(jié)能減排的趨勢(shì)，以繼續(xù)推動(dòng)電氣化鐵路發(fā)展，“綠色”牽引供電系統(tǒng)為未來(lái)電氣化鐵路單相牽引供電系統(tǒng)的發(fā)展提供了新思路。