基于同相供电系统混合补偿

赵旭 程天宇 周子淳

摘要：随着电气化铁路向高速、重载方向发展，电能质量和相分离问题已成为电气化铁路需要解决的两大问题。同相供电技术是解决这两个问题的理想解决方案。目前的同相供电系统存在有源补偿装置容量大、成本高等问题，限制了共相供电系统的推广应用。因此，降低有源补偿装置的容量对共相供电技术的发展具有重要意义。本文首先总结了传统电气化铁路牵引供电系统的主要问题及同相供电系统的发展现状。总结了同相供电系统的实现方法和系统结构。针对仅使用有源补偿装置时有源补偿容量较大的问题，结合有源补偿和无源补偿的优点，提出一种基于混合补偿的同相供电系统。通过增加无源器件，有效降低了有源器件的容量，降低了成本，提高了系统可靠性。

关键词：共相供电系统;电能质量;电相分离;混合补偿

简介：本文首先总结了传统电气化铁路牵引供电系统的主要问题及同相供电系统的研究现状。总结了同相供电系统的实现方法和系统结构。接下来结合有源补偿和无源补偿的优点，提出一种基于混合补偿的同相供电系统。

第一章

背景和研究的意义

牵引供电系统作为电气化铁路的核心组成部分，对保证铁路安全高效经济运行起着重要作用。单相交流牵引供电系统具有供电容量大、建设成本低、牵引负荷容量大等特点，将在电网中引入。负序、谐波、无功等电能质量问题。牵引变电所中相邻两供电臂间的电压相位差，为防止相反相短路而设置的电气隔相装置。电相分离的存在会引起列车牵引、速度损失等一系列问题。可见，电能质量和电相分离是牵引供电系统亟待解决的两大问题。

1.1国外研究

共相供电技术在有效解决上述问题的同时，成为国内外研究热点。针对电气化铁路牵引供电系统存在的一系列问题，国外学者做了大量研究。日本EFC的拓扑结构H桥级联多交流-直流-交流拓扑结构，其直接与馈电系统相连，保持电压和电源供应的优点，不需要Scott连接变压器，供电可靠性高。[1]

1.2国内研究

针对我国现有的牵引供电方式，西南交通大学李群展教授首先提出了我国相牵引供电系统改造中存在的差异，建设相牵引供电系统，从根本上解决了电气化铁路存在的问题电能质量和电力均等划分问题，为我国高速铁路的发展奠定了基础。2010年，李群詹教授团队研制的国内首台同相供电装置已在成昆线路眉山牵引变电站投入运行。谐波、无功、负序等电能质量问题得到了极大的改善，而变电站出口处的电相分离被取消。该装置稳定、安全、可靠，为我国电气化铁路的发展翻开了新的篇章，被誉为电气化铁路领域的革命性创新[2]。2014年，全球首台单三相组合式共相供电装置在山西中南通道沙余牵引变电站成功投产。与眉山牵引变电站的共相供电系统方案相比，该方案可有效减少共相供电装置的一次性投资，大大提高负序效应，提高牵引变电站的供电质量和设备的容量利用率。[3]

第二章

基于混合補偿的同相供电系统

由于无源补偿装置动态调节能力差，单次补偿具有很大的局限性。主动补偿装置虽然动态调节能力强，补偿效果显著，但高昂的价格限制了它的广泛应用。目前在治理电能质量方面，最常用的混合补偿方式是主动和被动相结合的补偿方式，通过无源补偿装置来降低这种补偿方式。低有源补偿装置的容量促进了其在电能质量控制和同相供电领域的推广和发展。西南交通大学李群展教授团队首次提出了一种混合被动对称补偿和主动补偿装置的补偿方案。澳门大学研究团队通过改变铁路电能质量补偿器（RPC）结构，提出了混合补偿器（HPQC），混合补偿装置有效降低了有源补偿能力。

2.1基于V/V牵引变压器的混合补偿共相供电系统。

基于V/V牵引变压器的混合补偿共相供电系统.系统由V/V牵引变压器、单相降压变压器、无源补偿装置和有源补偿装置组成，其中无源补偿装置（电容器或电抗器）连接两个非拉负载口，对负序补偿装置和有源补偿装置组成。连接两个变压器绕组端口，实现两个绕组之间的有功功率，实现负序动态补偿，同时对牵引负载产生的无功功率和谐波进行补偿，实现电能质量的全面管理。V/V牵引变压器的三个输出相位的牵引负载可以在端口上使用，从而产生负序电流和牵引。

2.2基于V/V牵引变压器的HPQC混合同相供电系统

基于V/V牵引变压器，系统主要由V/V牵引变压器和HPQC组成，由电抗L、耦合分支LC和有源补偿装置组成，L和LC分支具有平波和无功补偿功能，通过背靠背变流器的有源补偿装置实现了两侧绕组之间的功率融合，为牵引负载和两端提供相同的有功功率。补偿适当的无功功率、无功功率、负序和谐波动态补偿，实现三相系统平衡。HPQC两端连接到变压器次级绕组的两端，LC和L用于补偿部分无功功率，以减少有功补偿。补偿设备容量的目的。

参考文献：

[1]张志强。电子变频器在新干线铁路站场电源中的应用[j]。2014年国际电力电子大会（IPEC-Hiroshima2014-ecceASIA）。IEEE2014。1054-1061。

[2]基于模块化多电平换流器的交直流-交流变电站控制策略研究[J].工程中的数学问题。2017：1-14.

[3]戴楠，黄明春等.用于电气化铁路共相供电系统的混合电能质量调节器[J].IET电力电子。2012，5（7）：1084-1094.

作者简介：赵旭，性别：男，籍贯：河北省任丘市，民族：汉族，学历：本科，就读于石家庄铁道大学。