贯通同相供电系统同相补偿装置容量计算方法

摘 要：本文对目前我国铁路采用的工频单相交流制的供电方式进行了分析，指出这种电流制存在的一些问题，包括对电力系统电能质量的影响及电分相对列车行驶速度的影响，贯通同相供电方式能有效改善以上问题，提出了一种同相补偿的控制策略和补偿装置容量的计算方法。

关键词：贯通同相供电；电能质量；控制策略；容量计算

近几年，我国的高速铁路飞速发展，取得了巨大的成就。但工频单相交流制的供电方式也存在一些问题，如负序、谐波、无功等电能质量问题，通过换相供电的方式减少了一定的负序；另外，牵引变电所和分区所均设有电分相，电分相的存在降低了列车的平均速度，制约列车高速运行[1]；我国首套电气化铁路同相供电装置于2010年10月28日在成（都）昆（明）铁路眉山牵引变电所成功投入试运行，奠定了我国同相供电发展的基础。

目前国内开展的同相供电功率潮流控制技术主要集中于单个变电所内同相供电装置的功率潮流控制技术，例如文献[2-3]提出了基于新型AT供电方式的同相供电系统的总体拓扑结构，实现无源对称补偿和有源补偿相结合的混合式补偿策略，文献[4]分析了基于两单相变流器构成的同相供电装置结构及其技术原理，并且提出了将能量储存系统与同相供电装置相结合实现再生制动能量储存，文献[5]将MMC技术应用于单三相组合式同相供电系统中。但是补偿装置容量计算仍然缺少一种适当的方法。

1.贯通同相供电的原理

贯通同相供电是在既有供电方案基础上，在变电所辅以一定容量的同相补偿装置，取消牵引变电所、分区所处的电分相，实现全线贯通同相供电，即全线为同一相位的单相牵引供电系统。同相供电是指在牵引变电所处取消电分相，并且辅助治理电能质量问题的同相补偿装置，实现电力机车或者动车组在各牵引变电所供电区间内获得电压相位相同的电能[6]。

贯通同相供电系统中牵引变电所具有分布式电源特征，能有效提高牵引变压器负荷率和容量利用率，同时系统供电可靠性、经济性大大提高，并且无分相之虞，能最大限度地释放线路通过能力。

2.结构

在组合式贯通同相供电系统中牵引变电所除了牵引变压器外还有在结构上相互独立、功能上相互补充的负序补偿装置，这使得牵引变电所结构更加复杂。考虑到牵引变电所中各种牵引变压器最简捷、最经济的接线方式是单相牵引变压器，因此组合式同相供电采用单相牵引变压器配以适当容量的补偿装置实现牵引变电所的同相供电。

目前主要有两种组合式同相供电方案，即单三相组合式同相供电方案和单相组合式同相供电方案[7]。组合式同相供电牵引变电所由单相牵引变压器TT、同相补偿装置CPD组成，其中同相补偿装置CPD包括高压匹配变压器HMT、交流电抗器L、同相补偿变流器ADA和牵引匹配变压器TMT。

3.同相补偿装置控制策略

3.1同相补偿装置负序补偿

组合式贯通同相供电方案是采用一定容量的同相补偿装置（CPD）形成与单相牵引变压器在结构上相互独立、功能上相互补充的供电方式，其实现方法是运用以负序补偿为核心的对称补偿技术，补偿装置与单相牵引变压器构成平衡接线形式。单相牵引变压器和补偿装置高压匹配变压器构成不等边Scott连接组，即构成一种特殊的三相-两相平衡变压器。

补偿度与电压不平衡度的对应关系为

（3-1）

3.2不同补偿策略下CPD容量配置

目前在高速铁路中大量采用交直交型列车，功率因数接近于1，因此同相供电系统中对称补偿的关键是抑制负序。补偿装置CPD补偿容量的优化配置是同相供电技术的又一关键技术，设置适当容量的CPD对降低工程费用、提高CPD容量利用率都具有重要意义。

（3-2）

由上式可以求解任意补偿度kN下补偿装置补偿容量。

同相装置补偿效果与补偿装置容量密切相关，当补偿度kN=1时，不平衡度εU=0，即实现全补偿，原边三相电压完全对称，补偿容量SC=0.5S，由此可见完全补偿时变压器和补偿装置各承担一半的牵引负荷，又由于补偿装置无过负荷能力，最终补偿容量取决于牵引负荷的极端負荷。

补偿前后不平衡度与补偿度之间的关系为

（3-3）

电力系统负序电压不平衡度95%概率大值不得超过εU（95%），在负荷功率已知前提下，补偿度kN取值为：当εU≤εU（95%）时，则kN=0，表示负序未超标，无需补偿；当εU>εU（95%）时，则kN=1-εU（95%）/εU，表示需要将电压不平衡度补偿到限值要求，最后根据所得补偿度kN进一步确定补偿容量。

4.总结

贯通同相供电系统在结构上有别于既有牵引供电系统，全线牵引变电所电气联通，潮流分布更加复杂，迫切需要在参考既有案例和依据科学计算的基础上建立算法合理的、描述准确的贯通同相供电系统仿真模型，用于研究牵引网潮流分布、供电设施容量优化配置以及补偿装置控制策略等，本文可以为贯通同相供电补偿装置的研究提供理论参考。

参考文献：

[1]李群湛.我国高速铁路牵引供电发展的若干关键技术问题[J].铁道学报，2010，（4）.

[2]李群湛.论新一代牵引供电系统及其关键技术[J].西南交通大学学报，2014，（4）.

[3]崔杰圣.贯通同相供电系统运行方式研究[D].西南交通大学，2017.

[4]顾立新.贯通同相供电技术方案优化方案[D].西南交通大学，2017

[5]蒋汉兵.基于MMC的同相补偿装置主电路巧扑及其控制策略研究[D].西南交通大学，2015.

[6]许臣友.贯通同相供电系统潮流控制策略及其优化[D].西南交通大学，2015.

[7]李群湛，贺建闽.一种单相三相组合式同相供变电装置[P].中国：CN103078315A，2013-05-01

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