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评“有源滤波器同相供电技术”成都供电段 龚学长 本文论述了现有“有源滤波器的同相供电技术”的原理和存在问题，提出了在牵引供电系统中，采用16.6667HZ和高压直流供电方式的原理及其优缺点。一、有源滤波器的同相供电技术原理：有源滤波器的同相供电技术原理如图1。图1中SS为各牵引变电所的牵引变压器；T 、R 、F 分别表示牵引网的接触线、钢轨和正馈线；PP为平衡变换装置。平衡变换装置的原理如图2。牵引变压器SS的ac相输出的55kV交流电压，经T1变压器降压后，输给由S5-S8组成的PWM 变流器，该变流器采用相位与ac相相同的正弦波电流对电容器C进行充电。S1-S4为逆变器，它将电容器C上的直流电压逆变为与bd相频率和相位相同，经T2升压后电压幅值也相同的交流电压，并接于bd相上，从而实现三相变单相功能。图1中，各牵引变电所高压侧引入电力系统的电压相位相同，因此次边bd相输出的电压相位也相同，从而实现同相供电方式。有关有源滤波器的同相供电技术祥细原理见“基于斯科特变压器的新型同相AT 牵引供电系统”一文。由于有源滤波器的同相供电技术采用了数字式变流器技术，变流器还可以提供负载所需的谐波电流和无功电流分量，使牵引变电所不向电力系统反送谐波电流和无功电流。二、现有同相供电技术的缺点： 从理论上讲，有源滤波器的同相供电技术是可行的，但是有源滤波器的同相供电技术的作者忽略了供电系统的环流问题。牵引供系统如图3所示。图中上部份为电力系统，A1A3为发电厂，经220kV或110kV输电线路联网；f1f8为电力系统中的用户。下半部份为同相牵引供电系统，q1q5为牵引变电所，各牵引变电所输出的bd相分别联接在接触网、正馈线和钢轨上，ac相经有源整流和逆变后并接于bd相上。牵引变电所q1、q5位于发电厂附近，q3位于电力系统输电线的末端。根据供电标准“35kV及以上高压供电线路，电压正负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%”。因此发电厂首端电压可以在额定电压至1.1倍额定电压下长期运行，线路末端电压可以在额定电压至0.9倍额定电压下长期运行，两端电压差U1、U2最大可达线路额定电压的20%（见图4）。由图4可知，当电力系统输电线路产生电压降U1和U2后，使q1、q5至q3牵引变压器二次侧的输出电压也同样产生电压差u1和u2。当电力系统输电线路的U为额定电压的20%时，q1、q5与q3牵引变压器的bd相输出电压差u也是牵引变压器次边额定电压的20%。使q1（q5）降压后输出电压经接触网和正馈及q3牵引变压器次边形成环流i1和i2。i1和i2经q3所升压后向系统输出电流，这时牵引网供电系统等效为电力系统的一条电压等级低一级的并联输电线路。图 3图 4从能量上来讲，q1和q5的输入能量和q3的输出是相等的，只是增加了牵引供电系统的损耗。但是在牵引变电所计量中，电力系统是严禁牵引供电系统反向供电的，目前的计量系统都只计牵引变电所的输入电能。也就是当形成环流时，在q1、q5中有输入电能计量，q3所没有输出电能计量，这样就使牵引供电的计量大大增加。当牵引网中有牵引负荷电流，使牵引网两地之间的电压差大于或等于电力系统输线路的电压差时，这种环流就不成在了。因为牵引负荷的不均匀性，空载运行的机率很大，特别是高速客专线夜间不开列车运行，而夜间往往又是电力系统重负荷较多时段，必将在牵引网中形成环流。下面以AT供电为例来说明环流电能的损耗。设q1、q5至q3的距离为200km，接触网和正馈线之间的额定电压为55kV，接触网和正馈线之间的线路阻抗为0.8/km，电力系统负荷的功率因数为0.9，牵引变压器的容量为60000 kVA，变压器的短路电压百分数ud=10.5%，牵引变压器折算至55kV的阻抗Xb为：Xb=10.5/1005500022/60000000=10.59()q1、q5至q3的接触网和正馈的阻抗为160，当q1、q5至q3的系统压降为20%，在接触网和正馈之间形成电压差为11 kV，忽略系统阻抗，q1、q5的环流i1、 i2输出为：i1= i2=11000/（Xbq1+2 Xbq3+160） =11000/（10.59+21.18+160） =57.36(A)式中：Xbq1q1牵引所牵引变阻抗，Xbq3q3牵引所牵引变阻抗，q1、q5在电力系统输入的有功功率P为：P=5557.360.9=2839（kW）q3所向电力系统输出的有功功率为5678 kW。如果每天按8小时环流计算，则一年的环流损耗电能Q为：Q=56788365=16579760（kWh）相当于每公里电气化铁路每年多用约40000度电，每公里电气化铁路每年增加运行成本约40000元，这是一个不小的数据。也许读者会说，在q3所减小牵引变压器变比，使母线电压调高，来实现控制环流问题。因为电力系统的负荷是变化的，系统两端的电压差也在变化，要彻底解决环流流问题是不可能的，要减少环流的投资和技术难度也是很大的。三、16.66667HZ供电方式和高压直流供电方式的探讨：1、16.66667HZ供电方式：由于有源滤波器同相供电技术变流器的降压变T1和升压变T2容量之和与牵引变压的容量相等，变流器的有源整流和有源逆变的容量之和也与牵引变压的容量相等。因此将图2中的变流器改进为如图5所示的变流器。图5中，T1为普通的/Yn形牵引变压器，它直接将电力系统的220kV或110kV电压降压为变流器所需要的低压（1500V），经S1S6组成的PWM 变流器对电容器C进行充电。S7S10组成的PWM逆变器将C上的直流电压逆变为16.66667Hz单相电压，经T2升压为227.5Kv(AT供电)或27.5Kv(BT供电)电压。分别接于接触网、钢轨、正馈线（AT供电）或接触网、钢轨（BT供电）上。由于各牵引所的PWM逆变器可以跟踪牵引网上的电压、相位及频率，因此使各牵引所输出电压、相位及频率相同，各牵引变电所输出可以互相并联，从而实现同相供电功能。该同相供电方式类似于德国的16又3分之二赫芝单相供电方式。与有源滤波器的同相供电技术相比，16.66667HZ供电方式的优缺点：（1）电源频率低，牵线网阻抗低，供电距离远。由于16.66667HZ供电方式的输出频率是有源滤波器的同相供电技术的三分之一，所以牵引网的阻抗是有源滤波器的同相供电技术的三分之一，因此具有线路压降小，供电距离远的优点。BT供电时牵引网阻抗（95mm2铜载流承力索、110mm2铜导线）约0.13/km；供电距离可达4060km，牵引变电所间距约80120km，相当于有源滤波器的同相供电技术距离的两倍以上，与现有AT供电距离相同。当采用AT供电，折算至27.5Kv（接触网和钢轨）的牵引网阻抗约0.066667，是有源滤波器的同相供电技术AT供电方式的三分之一，供电距离可达80100km，牵引变电所间距约160200km，是有源滤波器的同相供电技术AT供电方式距离的两倍以上。（2）采用了PWM变流技术，可以补偿牵引系统的无功电流和谐波电流，功率因数近似于1，不向电力系统反送负序和谐波电流。（3） 如采用AT供电，AT变的安装距离比有源滤波器的同相供电技术远，可由现在的10km左右一台AT增加至2030km。（4）与现有的有源滤波器的同相供电技术相比，少了一台降压变，但是增压变的容量是原方案的（图2）T1和T2之和。因此二次变压器的容量没有改变。（5）由于每个牵引所有两台牵引变，一主一备用的运行方式，因此变流器也是两套，当一套有故障时，另一套可以互为替换。每一套变流器由多个容量和各参数相同的独立变流器屏并联运行，当某一个独立变流器屏发生故障时，只撤除该屏变流器运行，不影响整组变流器运行。同时各牵引变电所输出电压可以并联运行，即使一个牵引所的两套变流器全部撤除运行，也可以由两端牵引所同时并联向该段供电，因此牵引供电的可靠性高。（6）16.66667HZ供电方式的每组变流器容量比图2中大一倍，整流变流器和逆变变流器都是图2中的两倍。因此一次投资成本较大。（7）牵引电力机车的牵引降压变压器、电流电压互感器、整流滤波器的参数要进行改进，使之适合于16.66667HZ电源。图 52、高压直流供电方式：如图6所示，将牵引变电所27.5kV、50HZ的三相交流电压，整流后变为37.5kV 的直流电压，由接触网输送给运行中的电力机车，电力机车再将37.5kV 的直流电压进行三相变频逆变和降压至1500V的交流电压后，输给牵引电动机，实现电力机车的变频调速（祥细论文见中国铁道论坛“论高速电气化铁路高压直流供电方式/viewthread.php?tid=379580&extra=page%3D8”） 。图 6高压直流供电的优缺点：（1）接触网的绝缘等级与现有的交流供电方式相等，不必进行绝缘改造。（2）线路阻抗小、输送距离远。如果接触网导线采用150mm2的铜导线,承力索采用70mm2的铝包钢铰线，回流线(DN)或正馈线(AT)采用185mm2钢芯铝铰线。接触网的线路阻抗DN供电方式约0.5/km，AT供电方式约0.2/km，每一个供电臂约3050km。采用高压直流输电后,接触网导线仍然采用150mm2的铜导线，承力索采用2240mm2的铜铰线。由于少了正馈线和回流线，接触网的结构简单，直流输电牵引网的阻抗仅为0.0322/km，供电距可达150200km，牵引变电所的距离可达300400 km。（3）可以实现高速电气化铁路全线无电气分相，各牵引变电所并联向电力机车供电，电力机车可以不断开主断路器过电气分相。（4）对通信线路的干扰小。由于高压直流输电中的电流为直流电流， 接触网周围产生的是恒定不变的直流磁场和电场，正常情况下对附近平行的通信线没有电磁感应。 其静电感应电势与交流供电方式相同。当接触网和通信线的对地高度均为6m，两线路的间距为100m时，静电感应电势约98V。常规的DN供电方式，仍以通信线路对接触网间距100m的平均接近距离， 平行线路18km，当接触网中有电流800A时，电磁感应电势大于1000V。（5）主变利用率高，运行成本低。 在交流牵引供电方式下，往往要考虑到本供电臂最大负荷电流，以及主变容量的利用率，星三角接线主变容量利用率为75%，阻抗平衡变压器在两相负荷电流相等时容量利用率才能达到100%，因此主变的容量都选得很大，变压器的利用率都20%。（6）高速电气化铁路高压直流供电方式的缺点。 高压直流供电的缺点主要是牵引变电所要有较复杂的换流设备用来将三相交流电压变换为直流高压。电力机车又要将37.5kV 的直流高压变频逆变为1500V的三相交流电压。同时在短路时，直流电流又不像交流电流有过零点自动熄弧的功能，断路器的结构要比交流断路器复杂。（7）高压直流供方式电在电力系统已经有成熟的超高压输电技术，而对于37.5kV 的直流电压输电设备的断路器、电流电压互感器、牵引变电所的变流器和机车的高压逆变变流器等设备都要进行研究和开发生产，特别是用于机车的高压直流变频逆变器的小型化问题都要进行研究。由于高压直流供方式具有供电距离远、 主变利用率高、牵引网的结构简单、运行成本低、对通信干扰小， 并实现全线无电气分相和电力机车不断主断路器过分相等显著优势，随着电力电子技术和高压直流输电技术的高速发展，在不远的将来，将高压直流输电技术应用到电气化铁路的牵引供中是可行和很有前途的。四、三种供电方式的技术比较：1、牵引网的供电距离：高压直流供电方式最远，其次是16.66667HZ供电方式，有源滤波器的同相供电技术最近。2、技术难度：从牵引变电所的技术难度上来看，16.66667HZ和有源滤波器的同相供电技术的技术难度最大，因为现有的变流技术的电压都比较低，要降压后进行变流，然后再升压至高压，同时一个牵引变电所的变流容量又相当的大；高压直流输电有现有的电力系统高压直流输电的高压直流变流技术，牵引变电所的变流技术的可靠性比前两者都高，难度是机车高压直流变为低压变频交流变流器的小型化，要适应安装于机车上的问题。3、工业产业化方向：有源滤波器的同相供电技术的技术对现有的牵引网、机车设备不进行改造；16.66667HZ供电技术要对现有机车的牵引变压器，机车整流器的滤波参数进行改造设计；高压直流供电方式的牵引变电所设备、机车的牵引变流设备都要进行工业产业化的变革。4、对通信的干扰：高压直流供电方式最好，对通信的干扰小；在BT供方式下，16.66667HZ方式比有源滤波器的同相供电技术对对通信的干扰小；AT供方式下，16.66667HZ比有源滤波器的同相供电技术对对通信的干扰大，因为前者的AT变安装距离比后都大，半段效应对通信的干扰就大。5、牵引供电损耗：高压直流供电方式的损耗最小，16.66667HZ次之，由于有源滤波器的同相供电技术有系统环流损耗，因此最大。6、牵引网的电气分段距离：高压直流供电方式和16.66667HZ供电方式可以做到全线仍至全国电气铁路都无电气分段，只设机械分段。而有源滤波器的