郝佐霖，许根才，吴丽然，胡 亮

（1.神华新朔铁路有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 010300；2.株洲中车时代电气股份有限公司， 湖南 株洲 412001）

0 引言

近些年，我国电气化铁路得到快速发展，尤其是高速铁路、重载铁路发展迅速，促进了国民经济发展[1]。电气化铁路中的牵引负荷作为大功率单相负荷，具有不对称供电、波动性大等特点，所引起的谐波、无功、负序给电气化铁路及电力网带来不利的影响[2-3]。这些问题的产生都与牵引网的供电能力或供电容量有关，即与供电制式有关。我国电气化铁路接触网采用单相单边供电方式，通过牵引变压器使电网三相电降压，变为适合电力机车或动车组负荷的单相电，且通常在变电所馈线出口处及两牵引变电所之间的分区所（供电臂末端）设置电分相装置[4-5]。

随着铁路运载量逐年增加，牵引网供电能力与性能越来越受到大家的关注[6]。日本学者于1993 年提出铁路功率调节器（railway power conditioner, RPC），其通过在牵引变压器两绕组间增设交直交变流器来抑制负序电流，从而提高了电能质量[7-8]；但RPC 未解决大负荷下的供电能力问题，即对供电能力提升效果不佳。文献[9-12]对RPC 的基本功能原理、拓扑结构、控制方法等作了相关阐述，但多以治理负序为主要目标，未考虑到RPC 对供电能力的影响。

针对上述问题，本文首先介绍了以RPC 为主的牵引变电所平衡供电原理，然后针对变电所两臂负荷不均衡及变压器容量不能被高效利用的问题，提出一种采用平衡供电技术调节输出能力的方法。其实时检测两个供电臂的负荷水平，当某一供电臂负载较大时，通过RPC从轻载供电臂吸收能量，向重载供电臂释放能量，从而实现相邻供电臂负荷的动态削峰填谷。该方法可被等效视为是从牵引变压器两输出绕组共同向某一供电臂输出电能，从而达到提升供电能力的目的，其可为我国电气化铁路牵引供电的高效、安全运行提供参考。

1 变电所平衡供电

1.1 供电系统结构

电气化铁路从公用电网接受电能，通过牵引变电所的变压器将电能从三相110 kV（或220 kV，330 kV）变换成单相27.5 kV 或2×27.5 kV（AT 供电），并向铁路上、下行两个方向的牵引网供电[13-14]。基于变电所平衡供电技术，通过在变电所增设平衡供电装置（即RPC）来实现牵引能量的灵活调度，电气化铁路牵引供电系统结构如图1 所示。其中，ITa,ITb为牵引变压器向两供电臂的输出电流；ILa,ILb分别为两供电臂的负载电流；Ica,Icb为平衡供电装置的两端输入电流；RPC 主要由单相变压器(Ta, Tb)和交直交变流器构成。

图1 变电所平衡供电系统Fig. 1 Balanced power supply system in substation

平衡供电装置中的交直交变流器可采用多种拓扑形式，图2 为典型的两电平变流器结构，此外还可以采用三电平变流器、模块化多电平变流器等。平衡供电装置实时采集两臂负荷，实现两供电臂能量的双向流动，既可以抑制系统负序和无功，也可以均衡两臂负荷，实现牵引变压器容量利用率的提升，即等效提升供电能力。

图2 两电平平衡供电装置示意Fig. 2 Diagram of two-level balanced power supply device

1.2 工作原理

变电所平衡供电装置两台变压器分别连接至两个供电臂，通过采集供电臂电压和负荷电流，计算得到交直交变流器的补偿电流，再经过电压、电流双闭环控制，实现对两臂有功功率、无功功率的灵活控制（图3）。其中，电压和电流控制器一般选用传统的PI 控制器、PR 控制器等。

图3 控制系统框图Fig. 3 Block diagram of the control system

平衡供电用于抑制负序电流，其工作原理与牵引变压器的连接形式有关。以V/v 接线变压器为例，若仅供电臂a 带负载电流ILa，则此时高压侧B 相空载（即IB=0），负序较严重，如图4（a）所示。采用平衡供电装置后，将从空载或轻载供电臂向重载供电臂转移有功电流ΔI，输出一定无功电流Iq，即可实现牵引变压器输出电流大小相等（ITa=ITb）以及电网侧三相负荷对称，如图4（b）所示。

图4 平衡供电系统采用V/v 牵引变压器时的工作原理矢量图Fig. 4 Working principle vector diagram of the balanced power supply system with V/v traction transformer

2 输出功率调控策略

相邻供电臂独立供电，且受车辆数量、载重量及线路坡道等因素影响，每个供电臂的负荷分布不相同，分别为该供电臂所有负载之和，如式（1）和图5 所示。如图6 所示，在实际运行中经常在同一时间出现为一个供电臂空载、另一个供电臂带载（工况1），或一个供电臂轻载、另一供电臂重载（工况2）。通常，牵引变压器被按照最大负荷设计容量，且两绕组之间不能相互支援，造成牵引变压器单个绕组容量配置偏大而整体容量经常不能被充分利用。

图5 相邻供电臂负荷分布Fig. 5 Load distribution of adjacent power supply arms

图6 相邻供电臂典型负荷Fig. 6 Typical load of adjacent power supply arms

若采用变电所平衡供电装置实现牵引变压器输出功率的灵活调控，则需根据两臂负荷计算得到两臂功率，由此决定平衡供电装置两侧输出电流。定义影响因子λ，具体如式（2）所示。

式中：Pa，Pb——供电臂a 和供电臂b 的功率；Plim——功率限制。

功率限制Plim的选取较灵活，一般根据两供电臂负荷大小确定，原则是大于两臂轻载负荷且小于重载负荷，如选择为重载功率的20%～40%。

当影响因子λ为1，即某一供电臂功率大于限值时，平衡供电装置按照一定能力转移负荷，即由轻载臂吸收能量，向重载臂馈出能量，实现有功功率转移；否则，平衡供电装置空载运行，输入和输出功率均为0。

如图7 所示，根据牵引变电所两个供电臂的母线电压（UTa,UTb）、负荷电流（ITa,ITb）和功率因数（cosφa, cosφb），可计算出两供电臂的实时功率，如式（3）所示。

图7 平衡供电装置输出参考电流Fig. 7 Output reference current of the balanced power supply device

由式（2）计算影响因子，当λ=0 时，认为两臂负荷都很小，平衡供电装置空载运行；当λ=1 时，平衡供电装置调节输出功率，实现由轻载臂向重载臂供电的功能，此时功率参考值如式（4）所示。

3 算例分析

为了验证本文方案，以某高速铁路为例进行分析，其两供电臂牵引电流如图8 所示。可以看出，在同一时刻两臂电流差异性很大，经常表现为一臂空载、一臂带载，或一臂轻载、一臂重载。

图8 两供电臂负荷电流Fig. 8 Load currents of adjacent power supply arms

设定功率限制Plim为12.4 MW，等效电流限值为450 A，采用变电所平衡供电装置实现两臂功率平衡后，两臂负荷情况如图9 所示。可以看出，采用变电所平衡供电装置后，两供电臂冲击负荷峰值降低20%～40%，尤其是在原负荷电流较大工况下，效果更明显，且两臂负荷基本相同。

图9 采用平衡供电装置前后供电臂电流Fig. 9 Currents of power supply arms with and without the balanced power supply device

4 结语

针对电气化铁路牵引供电容量利用率低的问题，本文分析了变电所平衡供电技术的实现方式、功能原理，提出一种采用平衡供电技术调节牵引变电所输出功率的方法。通过采用此平衡供电技术，可以均衡两臂负荷，实现输出功率灵活调控，在负载不变的条件下可以降低变压器最大容量需求，对提高牵引供电能力具有重要意义。后续将研究平衡供电装置供电能力提升和供电品质提升的协调控制，实现多目标的最优控制，充分发挥该装置灵活调控功率的能力。