鐵路單相電力供電方案研究

中鐵第四勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司 汪 淳

電氣化鐵路沿線存在大量不同類型的電力負(fù)荷，這些電力負(fù)荷的用電需要貫穿在電氣化鐵路的建設(shè)與運(yùn)行期間。中國鐵路經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，為保證鐵路沿線電力負(fù)荷的用電需要，形成了一套較為可靠的電力供電方案：信號(hào)采用自動(dòng)閉塞制式的高等級(jí)鐵路，全線設(shè)一條10kV綜合負(fù)荷貫通線和一條10kV一級(jí)負(fù)荷貫通線，即采用雙回電力貫通線供電的方案；信號(hào)采用半自動(dòng)閉塞制式的普速鐵路，全線設(shè)一條10kV綜合負(fù)荷貫通線，即采用“單貫通”方案；車站密度較大的城市及城際鐵路采用環(huán)網(wǎng)供電方案，即全線設(shè)兩條10kV綜合負(fù)荷饋線；對(duì)于一些地區(qū)電源匱乏的鐵路，沿線只具備一路貫通電源的條件，第二路電源由接觸網(wǎng)越級(jí)取電，作為沿線區(qū)間和車站負(fù)荷的備用電源。

面對(duì)中國鐵路“走出去”的需求，需要在已有技術(shù)優(yōu)勢(shì)基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化。本文重點(diǎn)對(duì)采用牽引供電系統(tǒng)中牽引變電所牽引側(cè)母線作為電力供電電源、采用單相電力貫通線的電力供電方案進(jìn)行研究。

1 單相電力供電方案工作原理

1.1 系統(tǒng)方案

單相電力供電方案如圖1所示，采用由各牽引變電所主變二次側(cè)母線接引27.5kV電源，設(shè)交流單相27.5kV電力貫通線供電，在三相電力負(fù)荷點(diǎn)處設(shè)交直交電源設(shè)備（單相27.5kV/三相0.4kV）供電，單相電力負(fù)荷點(diǎn)處設(shè)單相27.5/0.22kV變壓器供電。

圖1 單相電力供電方案示意圖

1.2 交直交電源設(shè)備工作原理

交直交電源設(shè)備以電力貫通線的單相27.5kV交流電作為交流輸入電源，經(jīng)單相變壓器降壓后，再經(jīng)過設(shè)備內(nèi)部的整流回路變成直流，通過逆變回路變換成三相交流電，實(shí)現(xiàn)交直交電源變換。

整流回路。采用單相兩電平電壓型脈沖整流器，電源取自交流單相27.5kV電力貫通線，通過降壓變壓器，將27.5kV交流電源變換成230V低壓，經(jīng)過整流器變換為電壓幅值約為500V直流電壓。

逆變回路。采用由三個(gè)單相逆變器組成的組合式三相逆變器（圖2）。其中L為濾波電感，C為濾波電容，r為對(duì)應(yīng)于死區(qū)效應(yīng)、開關(guān)管壓降、線路阻抗的等效電阻，T為輸出隔離變壓器。由A、B、C三個(gè)單相逆變器組合而得，分別通過LC濾波器得到三相電壓，經(jīng)三相隔離變壓器輸出三相交流電壓。三個(gè)單相逆變器的開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)互差120°，三相輸出電壓Ua、Ub、Uc大小相等，相差120°，構(gòu)成一個(gè)平衡對(duì)稱的三相交流電源。組合式三相逆變器具有良好的帶不平衡負(fù)載能力和優(yōu)良的電氣性能。相同功率條件下，與三橋臂的三相逆變器相比六橋臂十二個(gè)開關(guān)管的三相逆變器每個(gè)IGBT承擔(dān)的電流低一半，被廣泛應(yīng)用于大功率場(chǎng)合。

圖2 組合式三相逆變器主電路結(jié)構(gòu)

2 仿真模型

仿真示意圖如圖3，由牽引變電所主變二次側(cè)母線引出單相27.5kV電力貫通線，各負(fù)荷點(diǎn)（單相負(fù)荷P1-8、三相負(fù)荷C1-8）從單相電力貫通線上接取27.5kV電源。在Matlab/Simulink下構(gòu)建的仿真模型主要有5個(gè)模塊組成：鐵路牽引供電系統(tǒng)、鐵路動(dòng)車組模塊組(Tn)、電源設(shè)備模塊(Di)、電力貫通線模塊、用電負(fù)荷模塊（Pj，Ck）。

圖3 單相電力供電方案仿真示意圖

鐵路牽引供電系統(tǒng)。引供電系統(tǒng)采用單相工頻交流制。牽引變電所由230kV電力系統(tǒng)供電。牽引變壓器類型為單相牽引變壓器。我國高速鐵路普遍采用AT供電方式，因此本文仿真中牽引供電系統(tǒng)為AT供電方式。上下行鋼軌和綜合接地線每隔1.5km進(jìn)行一次完全橫向連接；鐵路動(dòng)車組模塊?；陬~定牽引功率為6×3650kVA的鐵路動(dòng)車組，建立Matlab仿真模型，其中一臺(tái)牽引變流器結(jié)構(gòu)如圖4。整流回路采用SPWM調(diào)制、瞬態(tài)直接電流控制策略、載波移相技術(shù)[1]。圖5說明穩(wěn)態(tài)情況下輸出電壓、電流正弦相位相同。圖6表明用電負(fù)荷偶次諧波含量較小，3～15奇次諧波含量相對(duì)明顯。

圖4 動(dòng)車組牽引變流器仿真模型

圖5 網(wǎng)側(cè)電壓電流波形圖

圖6 網(wǎng)側(cè)電壓、電流諧波頻譜圖

電源設(shè)備模塊。仿真模型主電路如圖7，整流回路采用采用SPWM調(diào)制和瞬態(tài)直接電流控制策略[1]，逆變回路采用PID瞬時(shí)值反饋控制技術(shù)和重復(fù)控制技術(shù)[2-3]。交直交電源設(shè)備輸出電壓仿真結(jié)果如圖8所示；電力貫通線模塊。27.5kV單相電力貫通線路采用YJLY23-26/45，1×120型單芯鋁芯電纜。在Matlab/Simulink中采用Distributed Parameter Line模塊[4]；用電負(fù)荷模塊。單相負(fù)荷（2×30kVA、0.22kV）仿真模型采用了不控整流Universal Bridge模塊和阻感負(fù)載Series RLC Load模塊，三相負(fù)荷（1×125kVA、0.4kV）仿真模型采用了阻感負(fù)載Three-Phase Series RLC Load模塊。

圖7 交直交電源設(shè)備主電路仿真模型

圖8 交直交電源設(shè)備輸出電壓波形

3 仿真結(jié)果及方案分析

3.1 電力負(fù)荷點(diǎn)的電能質(zhì)量

對(duì)各個(gè)電力負(fù)荷點(diǎn)（P1-8、C1-8）的電壓、諧波、頻率參數(shù)進(jìn)行分析，研究是否滿足電力供電的要求。

3.1.1 電壓偏差

對(duì)電壓數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，標(biāo)稱電壓為220V。其中部分電力負(fù)荷點(diǎn)的最大值（V）、最小值（V）、偏差范圍（%）分別如下：P1為218.88/213.04/-0.51～-3.16；P4為219.2/213.28/-0.36～-3.05；P8為220/214.24/0～-2.62。在國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12325-2008中規(guī)定：220V單相用戶的供電電壓允許偏差為標(biāo)稱電壓的+7%、-10%?；谝陨辖Y(jié)果，表明用電荷電電壓均符合國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。三相電力負(fù)荷點(diǎn)（C1～C8）處的交直交電源設(shè)備均能正常工作，經(jīng)過交直交電源設(shè)備變換后的三相電源電壓穩(wěn)定在額定電壓400V左右。

3.1.2 諧波

鐵路中牽引供電系統(tǒng)中的諧波源主要是各類電力機(jī)車。根據(jù)諧波仿真結(jié)果（圖6）可分析得出，牽引負(fù)荷偶次諧波含量較小，3-15奇次諧波含量較高。因此用電負(fù)荷的諧波情況只考慮3-15次奇次諧波。

部分電力負(fù)荷點(diǎn)電壓總諧波畸變率（%）如下：P1為9.28、C1（三相）為2.14/2.31/2.26、C5（三相）為2.14/2.3/2.26、P4為8.99、C8（三 相）為2.14/2.3/2.25、P8為8.85，與表1中數(shù)據(jù)對(duì)比GB/T 14549-1993中標(biāo)稱電壓0.38kV的限值，有動(dòng)車組運(yùn)行的區(qū)間，該供電臂上單相電力負(fù)荷點(diǎn)的電壓總諧波畸變率超出5%限值，而諧波電流未超出允許值；三相電力負(fù)荷點(diǎn)的電壓總諧波畸變率、諧波電流均符合國家標(biāo)準(zhǔn)。為使單相負(fù)荷點(diǎn)諧波滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求，可在單相變壓器低壓側(cè)設(shè)置單相濾波器，或采用具有隔離作用的交直交設(shè)備為單相負(fù)荷供電。

表1 電力負(fù)荷點(diǎn)諧波電流值/A(單相220V、三相400V)

3.1.3 頻率

GB/T 15945-2008中規(guī)定：用戶沖擊負(fù)荷引起的系統(tǒng)頻率變動(dòng)一般不得超過±0.2Hz。在仿真模型中，電源短路容量配置為3000MVA，保證系統(tǒng)有功功率。因此各用電負(fù)荷的頻率穩(wěn)定，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

3.2 對(duì)牽引供電系統(tǒng)的影響

電壓偏差：4節(jié)動(dòng)車組在未接入沿線負(fù)荷時(shí)電壓分別為25.47/25.61/25.63/26.69kV，接入后分別為24.65/25/25.02/26.12kV。表明動(dòng)車組在接入沿線用電負(fù)荷后電壓小幅下降，仍滿足動(dòng)車組正常運(yùn)行電壓（20～29kV）。

三相電壓不平衡度：相間單相負(fù)荷引起的負(fù)序電壓不平衡度可近似為εU2≈SL/Sk×100%，式中SL為單相負(fù)荷容量，單位VA；Sk為公共連接點(diǎn)的三相短路容量，大小為3000MVA。此方案中電力貫通線從牽引變電所二次側(cè)母線取27.5kV單相電，所有電力負(fù)荷均視為相間單相負(fù)荷。仿真的是單臂情況，此時(shí)三相電壓不平衡度最大。只考慮動(dòng)車組與電力負(fù)荷，根據(jù)上式可估算出每個(gè)電力負(fù)荷引起的電壓不平衡度均不超過1.3%；未接入沿線負(fù)荷時(shí)牽引供電系統(tǒng)的三相電壓不平衡度為2.92%，接入沿線負(fù)荷時(shí)為2.969%，三相電壓不平衡度增大，但變化不大。

諧波：在牽引變壓器低壓側(cè)接接觸網(wǎng)C和鋼軌T處、牽引變壓器低壓側(cè)接鋼軌T和饋線F處可得到饋線電壓數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)表明接入沿線負(fù)荷后牽引網(wǎng)饋線的電壓總諧波畸變率減小。諧波源為動(dòng)車組和電力負(fù)荷，但接入的電力貫通線從牽引變電所母線（連接接觸網(wǎng)C和鋼軌T）取電，為牽引網(wǎng)上的諧波電流提供通路，改變了牽引網(wǎng)上的諧波電流分配，從而使得牽引網(wǎng)饋線電壓總諧波畸變率減小。

頻率：在仿真模型中電源短路容量配置為3000MVA，確保有功功率充足。因此系統(tǒng)的頻率穩(wěn)定，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

功率因數(shù)：仿真中動(dòng)車組功率因數(shù)為0.98，電力負(fù)荷功率因數(shù)為0.85，交直交電源設(shè)備高壓側(cè)功率因數(shù)接近1。暫不考慮其余影響因素，接入鐵路沿線用電負(fù)荷后，牽引變電所處電源功率因數(shù)由0.98變化為0.9795。由于牽引負(fù)荷遠(yuǎn)大于電力負(fù)荷，可認(rèn)為功率因數(shù)基本不變。

3.3 方案分析

電力負(fù)荷點(diǎn)供電質(zhì)量：電力負(fù)荷點(diǎn)電壓偏差滿足電力供電要求；三相電力負(fù)荷點(diǎn)的總電壓諧波畸變率、諧波電流均滿足動(dòng)車組運(yùn)行電壓、電流要求。可在單相變壓器低壓側(cè)設(shè)置單相濾波器，或采用具有隔離作用的交直交設(shè)備為單相負(fù)荷供電，從而使單相電力負(fù)荷點(diǎn)諧波符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求；用電負(fù)荷的頻率相對(duì)穩(wěn)定，符合國家相關(guān)要求。

對(duì)牽引供電系統(tǒng)的影響：牽引供電系統(tǒng)的三相電壓不平衡度小幅變化，不影響系統(tǒng)正常運(yùn)行；牽引網(wǎng)饋線電壓總諧波畸變率減??；可靠性與運(yùn)行維護(hù)工作：此方案運(yùn)行可靠性主要取決于交直交電源可靠性和牽引變電站停電兩方面。交直交電源采用模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了N+1備用，可靠性高；牽引變電站停電的概率低，供電可靠性完全滿足要求。接觸網(wǎng)的4小時(shí)維修天窗點(diǎn)不會(huì)對(duì)電力供電造成影響；靈活性：鐵路沿線各交直交電源設(shè)備均為獨(dú)立安裝，靈活性高、建設(shè)周期短，并可進(jìn)行全線調(diào)配和局部調(diào)整。

4 結(jié)語

相比于傳統(tǒng)電力供電方案，單相電力供電方案中只存在單相負(fù)荷諧波電壓偏高的情況，但可在單相變壓器低壓側(cè)設(shè)置單相濾波器，或采用具有隔離作用的交直交設(shè)備為單相負(fù)荷供電，從而使單相電力負(fù)荷點(diǎn)諧波符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求；相比于傳統(tǒng)電力供電方案，單相電力供電方案使得牽引網(wǎng)饋線電壓總諧波畸變率減小；單相電力供電方案具有可靠性高、靈活性高和維護(hù)方便的特點(diǎn)；單相電力供電方案可達(dá)到鐵路電力供電的要求。電力供電系統(tǒng)外部電源不足時(shí)，可考慮采用單相電力供電方案。