铁路单相电力供电方案研究

中铁第四勘察设计院集团有限公司 汪 淳

电气化铁路沿线存在大量不同类型的电力负荷，这些电力负荷的用电需要贯穿在电气化铁路的建设与运行期间。中国铁路经过数十年的发展，为保证铁路沿线电力负荷的用电需要，形成了一套较为可靠的电力供电方案：信号采用自动闭塞制式的高等级铁路，全线设一条10kV综合负荷贯通线和一条10kV一级负荷贯通线，即采用双回电力贯通线供电的方案；信号采用半自动闭塞制式的普速铁路，全线设一条10kV综合负荷贯通线，即采用“单贯通”方案；车站密度较大的城市及城际铁路采用环网供电方案，即全线设两条10kV综合负荷馈线；对于一些地区电源匮乏的铁路，沿线只具备一路贯通电源的条件，第二路电源由接触网越级取电，作为沿线区间和车站负荷的备用电源。

面对中国铁路“走出去”的需求，需要在已有技术优势基础上进一步优化。本文重点对采用牵引供电系统中牵引变电所牵引侧母线作为电力供电电源、采用单相电力贯通线的电力供电方案进行研究。

1 单相电力供电方案工作原理

1.1 系统方案

单相电力供电方案如图1所示，采用由各牵引变电所主变二次侧母线接引27.5kV电源，设交流单相27.5kV电力贯通线供电，在三相电力负荷点处设交直交电源设备（单相27.5kV/三相0.4kV）供电，单相电力负荷点处设单相27.5/0.22kV变压器供电。

图1 单相电力供电方案示意图

1.2 交直交电源设备工作原理

交直交电源设备以电力贯通线的单相27.5kV交流电作为交流输入电源，经单相变压器降压后，再经过设备内部的整流回路变成直流，通过逆变回路变换成三相交流电，实现交直交电源变换。

整流回路。采用单相两电平电压型脉冲整流器，电源取自交流单相27.5kV电力贯通线，通过降压变压器，将27.5kV交流电源变换成230V低压，经过整流器变换为电压幅值约为500V直流电压。

逆变回路。采用由三个单相逆变器组成的组合式三相逆变器（图2）。其中L为滤波电感，C为滤波电容，r为对应于死区效应、开关管压降、线路阻抗的等效电阻，T为输出隔离变压器。由A、B、C三个单相逆变器组合而得，分别通过LC滤波器得到三相电压，经三相隔离变压器输出三相交流电压。三个单相逆变器的开关管驱动信号互差120°，三相输出电压Ua、Ub、Uc大小相等，相差120°，构成一个平衡对称的三相交流电源。组合式三相逆变器具有良好的带不平衡负载能力和优良的电气性能。相同功率条件下，与三桥臂的三相逆变器相比六桥臂十二个开关管的三相逆变器每个IGBT承担的电流低一半，被广泛应用于大功率场合。

图2 组合式三相逆变器主电路结构

2 仿真模型

仿真示意图如图3，由牵引变电所主变二次侧母线引出单相27.5kV电力贯通线，各负荷点（单相负荷P1-8、三相负荷C1-8）从单相电力贯通线上接取27.5kV电源。在Matlab/Simulink下构建的仿真模型主要有5个模块组成：铁路牵引供电系统、铁路动车组模块组(Tn)、电源设备模块(Di)、电力贯通线模块、用电负荷模块（Pj，Ck）。

图3 单相电力供电方案仿真示意图

铁路牵引供电系统。引供电系统采用单相工频交流制。牵引变电所由230kV电力系统供电。牵引变压器类型为单相牵引变压器。我国高速铁路普遍采用AT供电方式，因此本文仿真中牵引供电系统为AT供电方式。上下行钢轨和综合接地线每隔1.5km进行一次完全横向连接；铁路动车组模块。基于额定牵引功率为6×3650kVA的铁路动车组，建立Matlab仿真模型，其中一台牵引变流器结构如图4。整流回路采用SPWM调制、瞬态直接电流控制策略、载波移相技术[1]。图5说明稳态情况下输出电压、电流正弦相位相同。图6表明用电负荷偶次谐波含量较小，3～15奇次谐波含量相对明显。

图4 动车组牵引变流器仿真模型

图5 网侧电压电流波形图

图6 网侧电压、电流谐波频谱图

电源设备模块。仿真模型主电路如图7，整流回路采用采用SPWM调制和瞬态直接电流控制策略[1]，逆变回路采用PID瞬时值反馈控制技术和重复控制技术[2-3]。交直交电源设备输出电压仿真结果如图8所示；电力贯通线模块。27.5kV单相电力贯通线路采用YJLY23-26/45，1×120型单芯铝芯电缆。在Matlab/Simulink中采用Distributed Parameter Line模块[4]；用电负荷模块。单相负荷（2×30kVA、0.22kV）仿真模型采用了不控整流Universal Bridge模块和阻感负载Series RLC Load模块，三相负荷（1×125kVA、0.4kV）仿真模型采用了阻感负载Three-Phase Series RLC Load模块。

图7 交直交电源设备主电路仿真模型

图8 交直交电源设备输出电压波形

3 仿真结果及方案分析

3.1 电力负荷点的电能质量

对各个电力负荷点（P1-8、C1-8）的电压、谐波、频率参数进行分析，研究是否满足电力供电的要求。

3.1.1 电压偏差

对电压数据进行计算，标称电压为220V。其中部分电力负荷点的最大值（V）、最小值（V）、偏差范围（%）分别如下：P1为218.88/213.04/-0.51～-3.16；P4为219.2/213.28/-0.36～-3.05；P8为220/214.24/0～-2.62。在国家标准GB/T 12325-2008中规定：220V单相用户的供电电压允许偏差为标称电压的+7%、-10%。基于以上结果，表明用电荷电电压均符合国家相关标准。三相电力负荷点（C1～C8）处的交直交电源设备均能正常工作，经过交直交电源设备变换后的三相电源电压稳定在额定电压400V左右。

3.1.2 谐波

铁路中牵引供电系统中的谐波源主要是各类电力机车。根据谐波仿真结果（图6）可分析得出，牵引负荷偶次谐波含量较小，3-15奇次谐波含量较高。因此用电负荷的谐波情况只考虑3-15次奇次谐波。

部分电力负荷点电压总谐波畸变率（%）如下：P1为9.28、C1（三相）为2.14/2.31/2.26、C5（三相）为2.14/2.3/2.26、P4为8.99、C8（三 相）为2.14/2.3/2.25、P8为8.85，与表1中数据对比GB/T 14549-1993中标称电压0.38kV的限值，有动车组运行的区间，该供电臂上单相电力负荷点的电压总谐波畸变率超出5%限值，而谐波电流未超出允许值；三相电力负荷点的电压总谐波畸变率、谐波电流均符合国家标准。为使单相负荷点谐波满足国家标准要求，可在单相变压器低压侧设置单相滤波器，或采用具有隔离作用的交直交设备为单相负荷供电。

表1 电力负荷点谐波电流值/A(单相220V、三相400V)

3.1.3 频率

GB/T 15945-2008中规定：用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过±0.2Hz。在仿真模型中，电源短路容量配置为3000MVA，保证系统有功功率。因此各用电负荷的频率稳定，满足国家标准规定。

3.2 对牵引供电系统的影响

电压偏差：4节动车组在未接入沿线负荷时电压分别为25.47/25.61/25.63/26.69kV，接入后分别为24.65/25/25.02/26.12kV。表明动车组在接入沿线用电负荷后电压小幅下降，仍满足动车组正常运行电压（20～29kV）。

三相电压不平衡度：相间单相负荷引起的负序电压不平衡度可近似为εU2≈SL/Sk×100%，式中SL为单相负荷容量，单位VA；Sk为公共连接点的三相短路容量，大小为3000MVA。此方案中电力贯通线从牵引变电所二次侧母线取27.5kV单相电，所有电力负荷均视为相间单相负荷。仿真的是单臂情况，此时三相电压不平衡度最大。只考虑动车组与电力负荷，根据上式可估算出每个电力负荷引起的电压不平衡度均不超过1.3%；未接入沿线负荷时牵引供电系统的三相电压不平衡度为2.92%，接入沿线负荷时为2.969%，三相电压不平衡度增大，但变化不大。

谐波：在牵引变压器低压侧接接触网C和钢轨T处、牵引变压器低压侧接钢轨T和馈线F处可得到馈线电压数据，该数据表明接入沿线负荷后牵引网馈线的电压总谐波畸变率减小。谐波源为动车组和电力负荷，但接入的电力贯通线从牵引变电所母线（连接接触网C和钢轨T）取电，为牵引网上的谐波电流提供通路，改变了牵引网上的谐波电流分配，从而使得牵引网馈线电压总谐波畸变率减小。

频率：在仿真模型中电源短路容量配置为3000MVA，确保有功功率充足。因此系统的频率稳定，满足国家标准规定。

功率因数：仿真中动车组功率因数为0.98，电力负荷功率因数为0.85，交直交电源设备高压侧功率因数接近1。暂不考虑其余影响因素，接入铁路沿线用电负荷后，牵引变电所处电源功率因数由0.98变化为0.9795。由于牵引负荷远大于电力负荷，可认为功率因数基本不变。

3.3 方案分析

电力负荷点供电质量：电力负荷点电压偏差满足电力供电要求；三相电力负荷点的总电压谐波畸变率、谐波电流均满足动车组运行电压、电流要求。可在单相变压器低压侧设置单相滤波器，或采用具有隔离作用的交直交设备为单相负荷供电，从而使单相电力负荷点谐波符合国家标准要求；用电负荷的频率相对稳定，符合国家相关要求。

对牵引供电系统的影响：牵引供电系统的三相电压不平衡度小幅变化，不影响系统正常运行；牵引网馈线电压总谐波畸变率减小；可靠性与运行维护工作：此方案运行可靠性主要取决于交直交电源可靠性和牵引变电站停电两方面。交直交电源采用模块化设计，实现了N+1备用，可靠性高；牵引变电站停电的概率低，供电可靠性完全满足要求。接触网的4小时维修天窗点不会对电力供电造成影响；灵活性：铁路沿线各交直交电源设备均为独立安装，灵活性高、建设周期短，并可进行全线调配和局部调整。

4 结语

相比于传统电力供电方案，单相电力供电方案中只存在单相负荷谐波电压偏高的情况，但可在单相变压器低压侧设置单相滤波器，或采用具有隔离作用的交直交设备为单相负荷供电，从而使单相电力负荷点谐波符合国家标准要求；相比于传统电力供电方案，单相电力供电方案使得牵引网馈线电压总谐波畸变率减小；单相电力供电方案具有可靠性高、灵活性高和维护方便的特点；单相电力供电方案可达到铁路电力供电的要求。电力供电系统外部电源不足时，可考虑采用单相电力供电方案。