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1、对新型牵引供电系统的发展与简述 由于当前牵引供电系统结构的特殊性，存在着谐波、无功、负序、通信干扰、“过电分相”等其自身无法解决的问题。其中“过电分相”还对高速铁路的安全、可靠运行构成了威胁。文章提出了利用电力电子技术和不同接线方式的变压器以及AT牵引网构成的新型牵引供电系统。新系统采用了AT供电方式,具有综合经济技术性能优越的通信防护效果,利用电力电子技术滤除了谐波、补偿了无功、消除了系统不平衡，实现了同相供电，解决了过电分相问题。分析仿真证实新型牵引供电系统不但可以解决当前牵引供电系统所存在的问题，且可以提高供电的质量与效率，增强供电的可靠性与安全性。2台YN,d接线变压器十字交叉构成的A
2、T牵引供电系统,接线复杂，变压器容量利用率低，相邻供电区段必需用分相绝缘器分断，不利于高速铁路运行。由1台YN,d接线变压器加四桥臂有源滤波器构成的新型同相AT牵引供电系统，可以实现同相供电，取消分相绝缘器;可以节省变压器，原边中性点可方便接地；在有源滤波器的作用下，可以实现消除三相不平衡、动态滤除谐波和补偿无功，使变压器容量得到充分利用；由于采用了AT供电方式，因此可以获得综合经济优越的通信防护效果。仿真实验也证实了这一点性能。? 随着我国高速、重载铁路的快速发展，已有牵引供电系统在谐波、无功、负序和过分相等方面的问题日益突出，降低案例供电的效率与质量，严重影响了铁路运营的安全性、可靠性和经
3、济性。因此建立适合我国高速、重载铁路的新型牵引供电系统具有重要的意义。同相牵引供电系统的提出为从根本上解决上述问题的提供了有效途径，是未来高速、重载铁路的一个重要研究方向。本文针对同相牵引供电系统的牵引变压器和综合补偿装置，通过数学模型分析其工作特性；结合我国电气化铁路实际需要，建立直接供电和AT供电方式的同相牵引供电系统，并分析其运行特点；通过对综合补偿装置控制模式和牵引变电所运行方式的分析，评估同相牵引供电系统的经济性。1 同相牵引供电系统优化设计同相牵引供电系统的技术关键是在牵引变电所实现三相/单相对称变换，从而达到电能质量综合控制的目的。1.1 牵引变压器综合优选同相牵引供电系统设计的
4、关键是合理选择牵引变压器的界限形式。理论上，采用常规接线变压器的牵引变电所都可以构造相应的同相牵引供电系统，但是为了寻求牵引变压器接线形式与已有牵引供电系统的匹配，并满足外部电力系统的特殊要求，需要综合比选，以确定牵引变压器的最优越接线方式。1.1.1 新型YNvd平衡变压器接线形式 YNvd变压器是一种新型三相三绕组平衡变压器，其接线形式如图I所示。图中，变压器一次侧端子A，B，C接三相电网，变压器二次侧和相作为牵引端口，变压器一次绕组为星形连接，可以根据运行需要实现中性特点或不接地运行。图一中各电气参数的定义见表一。与国内平普遍使用的Scott平衡变压器、抗阻匹配平衡变压器等相比，YNvd
5、平衡变压器具有明显的技术优势，主要技术指示对比见表二。中国电气化铁路采用单相工频交流牵引供电系统。实现高速重载电力牵引时，由于其结构和牵引 负荷的特殊性，在负序、谐波、无功等方面对电力系 统造成了严重的影响。电分相环节的存在，使得列 车速度和牵引力损失较大，司机劳动强度较重，并且 随之产生的过电压现象严重影响了机车的正常运 行，极大地制约了高速重载运输的实现。文献1-3提出了基于无源对称补偿的同相供电方案，文献4-10提出了有源滤波器分别与YN,D11变压器、V、v变压器、阻抗匹配平衡变压器以及斯科特变压器相结合的同相供电方案，实现了三相单相平衡变 换，但这些组合对于实现同相贯通供电均具有一定
6、 的制约性。本文将YN,vd平衡变压器与综合潮流 控制器（IPFC）相结合，基本消除了负序，并能动态 补偿谐波和无功，是较理想的新型牵引供电方案。1.1.2 YN，vd平衡变压器YX，vd三相/两相平衡变压器具有结构简单、性能优良、便于设计和制造等特点，如图所示。其两侧的电流变换关系为式中：K为高压侧与低压侧相电压之比由对称分量法可得： 表明，YN，vd平衡变压器使得电力系统侧无零序分量，但其实现对称变换是有条件的：且当，即负荷电流对称时，平衡变压器才能完全消除负序对电力系统侧的影响，从而使原边三相电流对称。1 IPFC结构及控制策略1.1 IPEC结构IPEC由背靠背四相限电压变流组成，如图
7、所示，两端口变流器通过直流电容耦合载一起。 IPFC将现有的两相牵引变压器的其中一相并 联接入另一相，对牵引变压器仅仅传递有功功率，从 而大大降低其容量，且实现原边三相电流完全对称。 其基本控制原理是利用中间直流耦合电容作为能量 交换环节，在2个端口之间实现有功功率的交换，同 时，馈线侧变流器补偿无功、滤除主要谐波。 平衡变压器副边电压为27.5KV，为了与电力 电子开关器件的性能相匹配，采用变比为10：1的 降压变压器T1和T2，并将直流侧参考电压预设为负载消耗的能量，即 由此可见，的端口需要输出一半的负载 有功电流，并需补偿负载的无功电流和谐波电流；口 端口则需要输入与负载一半有功功率相对
8、应的电流。 2.2控制策略 控制系统框图如图所示，包括有功量的计算、 指令电流生成模块、变流器脉宽调制（PWM）信号生 成模块、直流电压控制模块、锁相环（PLL）等。3结语1） 基于严格的数学模型分析新型平衡变压器的工作原理和运行特性，计算节点导线矩阵和设计容量，为工程应用奠定了基础。2） 对比现有同相牵引供电系统综合补偿装置实现方式，确定了基于功率半导体器件的综合潮流控制器最优拓扑结构，分析其工作特性，定量计算了补偿装置容量的大小。3） 结合我国电气化铁路的实际需要，建立直接供电和供电方式的同相牵引供电系统，对它 的运行特点进行分析。 4） 通过与常规牵引供电系统对比，说明同相 牵引供电系统不仅可以改善电能质量和减少电分相环节，还可以提高系统的运行效率和可靠性。5) 虽然同相牵引供电系统一次性投资较大，但相对于常规牵引供电系统，其投资的回报率十分 突出，同相牵引供电系统的应用可以使铁路和电力部门实现双赢的经济效益。