- 頭條電氣化鐵路同相供電的綜合補償方案，可有效治理電能質量問題2021-10-28 作者：王輝 李群湛 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語西南交通大學電氣工程學院、中鐵第一勘察設計院集團有限公司的研究人員王輝、李群湛、李晉、解紹鋒、黃文勛，在2020年第17期《電工技術學報》上撰文，針對以負序為主的電氣化鐵路電能質量問題，提出一種基于YNd變壓器與靜止無功發生器（SVG）的電氣化鐵路同相供電綜合補償方案及控制策略。 研究結果表明，綜合補償方案能夠實現公共連接點處因牽引負荷引起的負序問題的治理，并且不會帶來新的電能質量問題，同時可兼顧治理公共連接點處牽引負荷帶來的諧波問題。
伴隨著我國電氣化鐵路飛速發展，其電能質量問題由早期的無功影響、負序、諧波等問題轉換為負序為主的電能質量問題。為降低牽引負荷對電力系統公共連接點（Point of Common Coupling, PCC）處不平衡的影響，通常在分相分區處設置電分相，采用輪換相序、分相分區供電的方案。
電分相的存在會帶來機車掉速、過電壓、施工選址受限等問題，對于機車的正常運行存在一定的安全隱患。此外，以青藏線和川藏線為代表的電氣化鐵路建設存在外部電源薄弱，長大坡道多，不宜過多設定電分相等問題，對既有牽引供電方式提出了新的挑戰。
針對負序和電分相等問題，國內外學者和工程人員進行了大量研究及工程實踐。俄羅斯等國采用雙邊供電省去變電所之間分區所處的電分相，但會產生均衡電流，同時負序問題亦存在。德國通過自建電廠或利用公用電網向機車供電，能夠有效解決負序及電分相等問題，由于成本較高，只在少數國家采用。日本學者提出的功率融通裝置能夠較好地實現負序等電能質量問題的治理，但電分相問題仍存在。
為解決電分相問題，德國、法國、日本等國研究了過分相技術，仍有一定不足，裝置壽命受影響，投資較大，對施工選址亦有要求。西南交通大學科研團隊在同相供電領域進行了大量研究，在解決負序等電能質量問題的同時，可取消牽引變電所出口處的電分相。
為了進一步解決長大坡道的電氣化鐵路供電問題，有必要研究長距離無分相貫通供電技術，最大限度減少電分相的數量，同時不會帶來新的電能質量問題。
有學者提出了一種牽引電纜貫通供電系統；有學者提出了一種牽引變電所群貫通供電系統，針對其負序問題，可采用集中補償進行負序治理。集中補償時需異地實時采集待補償的牽引負荷數據，若以有功型方式進行負序集中補償，需調度有功潮流進行負序補償，增加了難度，負荷較大時可能出現功率反送的現象。因此，需研究新的補償方式，而采用無功型補償方式可作為負序集中補償的有效手段之一。
鑒于靜止無功發生器（Static Var Generator, SVG）的優點，可利用SVG進行負序集中補償。針對較為復雜的負序集中補償，西南交通大學等單位的研究人員提出一種基于YNd變壓器與SVG的電氣化鐵路同相供電綜合補償方案及策略。
圖1 牽引變電所群貫通供電方案示意圖
他們以YNd11變壓器為例，將基于YNd變壓器與靜止無功發生器的同相供電綜合補償方案分為二端口補償模式和三端口補償模式。研究負序補償的基本原理，構建二端口補償模式和三端口補償模式的同相供電綜合補償數學模型，并給出確定補償方案的方法。根據不同的補償模式數學模型，提出相應的補償控制策略，通過仿真驗證同相供電綜合補償方案及控制策略的正確性和有效性。
圖2 牽引電纜貫通供電方案示意圖
研究人員最后認為：
1）基于YNd變壓器與SVG的電氣化鐵路同相供電綜合補償方案分為二端口補償模式和三端口補償模式，對于任意功率因數牽引負荷三端口補償模式是完備的；而二端口補償模式在功率因數不為1的情形是不完備的，在一定范圍內可實現負序的治理，同時提高了設置補償裝置處牽引所的功率因數，但是當出現過補償的時候，會導致功率因數降低。
2）所提綜合補償方案及控制策略具有普適性，既適用于單所同相供電，同時也適用于長距離無分相貫通同相供電。相較全補償，采用部分補償模式后，在一定程度上能夠降低各端口SVG的容量，考慮到經濟性及設備的容量，在國標允許的范圍內采用部分補償即可。
3）所提方案在實現PCC點處負序治理的同時，可兼顧PCC處因牽引負荷引起的諧波的治理。
以上研究成果發表在2020年第17期《電工技術學報》，論文標題為“基于YNd變壓器與靜止無功發生器的電氣化鐵路同相供電綜合補償方案”，作者為王輝、李群湛、李晉、解紹鋒、黃文勛。
