电气化铁路同相供电的综合补偿方案，可有效治理电能质量问题

西南交通大学电气工程学院、中铁第一勘察设计院集团有限公司的研究人员王辉、李群湛、李晋、解绍锋、黄文勋，在2020年第17期《电工技术学报》上撰文，针对以负序为主的电气化铁路电能质量问题，提出一种基于YNd变压器与静止无功发生器（SVG）的电气化铁路同相供电综合补偿方案及控制策略。

研究结果表明，综合补偿方案能够实现公共连接点处因牵引负荷引起的负序问题的治理，并且不会带来新的电能质量问题，同时可兼顾治理公共连接点处牵引负荷带来的谐波问题。

伴随着我国电气化铁路飞速发展，其电能质量问题由早期的无功影响、负序、谐波等问题转换为负序为主的电能质量问题。为降低牵引负荷对电力系统公共连接点（Point of Common Coupling, PCC）处不平衡的影响，通常在分相分区处设置电分相，采用轮换相序、分相分区供电的方案。

电分相的存在会带来机车掉速、过电压、施工选址受限等问题，对于机车的正常运行存在一定的安全隐患。此外，以青藏线和川藏线为代表的电气化铁路建设存在外部电源薄弱，长大坡道多，不宜过多设定电分相等问题，对既有牵引供电方式提出了新的挑战。

针对负序和电分相等问题，国内外学者和工程人员进行了大量研究及工程实践。俄罗斯等国采用双边供电省去变电所之间分区所处的电分相，但会产生均衡电流，同时负序问题亦存在。德国通过自建电厂或利用公用电网向机车供电，能够有效解决负序及电分相等问题，由于成本较高，只在少数国家采用。日本学者提出的功率融通装置能够较好地实现负序等电能质量问题的治理，但电分相问题仍存在。

为解决电分相问题，德国、法国、日本等国研究了过分相技术，仍有一定不足，装置寿命受影响，投资较大，对施工选址亦有要求。西南交通大学科研团队在同相供电领域进行了大量研究，在解决负序等电能质量问题的同时，可取消牵引变电所出口处的电分相。

为了进一步解决长大坡道的电气化铁路供电问题，有必要研究长距离无分相贯通供电技术，最大限度减少电分相的数量，同时不会带来新的电能质量问题。

有学者提出了一种牵引电缆贯通供电系统；有学者提出了一种牵引变电所群贯通供电系统，针对其负序问题，可采用集中补偿进行负序治理。集中补偿时需异地实时采集待补偿的牵引负荷数据，若以有功型方式进行负序集中补偿，需调度有功潮流进行负序补偿，增加了难度，负荷较大时可能出现功率反送的现象。因此，需研究新的补偿方式，而采用无功型补偿方式可作为负序集中补偿的有效手段之一。

鉴于静止无功发生器（Static Var Generator, SVG）的优点，可利用SVG进行负序集中补偿。针对较为复杂的负序集中补偿，西南交通大学等单位的研究人员提出一种基于YNd变压器与SVG的电气化铁路同相供电综合补偿方案及策略。

图1  牵引变电所群贯通供电方案示意图

他们以YNd11变压器为例，将基于YNd变压器与静止无功发生器的同相供电综合补偿方案分为二端口补偿模式和三端口补偿模式。研究负序补偿的基本原理，构建二端口补偿模式和三端口补偿模式的同相供电综合补偿数学模型，并给出确定补偿方案的方法。根据不同的补偿模式数学模型，提出相应的补偿控制策略，通过仿真验证同相供电综合补偿方案及控制策略的正确性和有效性。

图2  牵引电缆贯通供电方案示意图

研究人员最后认为：

1）基于YNd变压器与SVG的电气化铁路同相供电综合补偿方案分为二端口补偿模式和三端口补偿模式，对于任意功率因数牵引负荷三端口补偿模式是完备的；而二端口补偿模式在功率因数不为1的情形是不完备的，在一定范围内可实现负序的治理，同时提高了设置补偿装置处牵引所的功率因数，但是当出现过补偿的时候，会导致功率因数降低。

2）所提综合补偿方案及控制策略具有普适性，既适用于单所同相供电，同时也适用于长距离无分相贯通同相供电。相较全补偿，采用部分补偿模式后，在一定程度上能够降低各端口SVG的容量，考虑到经济性及设备的容量，在国标允许的范围内采用部分补偿即可。

3）所提方案在实现PCC点处负序治理的同时，可兼顾PCC处因牵引负荷引起的谐波的治理。

以上研究成果发表在2020年第17期《电工技术学报》，论文标题为“基于YNd变压器与静止无功发生器的电气化铁路同相供电综合补偿方案”，作者为王辉、李群湛、李晋、解绍锋、黄文勋。

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