交流牵引网中性区柔性供电系统研究

张 敏，仇乐兵

摘 要：为彻底消除传统牵引网电分相对牵引供电及列车运行的不利影响，提出一种应用于中性区的串并联混合型柔性供电系统。该系统采用多重交直交变流器与单相分裂变压器构建混合型并网拓扑，可显著降低系统容量并提升供电可靠性；基于系统应用场景及主要部件参数约束，推导柔性供电系统的关键参数设计方法；系统联调仿真及模拟试验研究表明该柔性供电系统可有效保障列车不断电无冲击通过电分相。

关键词：电分相；柔性供电；调幅移相

0 引言

我国电气化铁路采用单相25 kV工频交流牵引供电制式，为避免单相牵引负荷在三相公用电网中引起较大负序电流，保障电网的平衡，牵引供电系统通常采用循环换相、分段供电的方式，并采用分相绝缘装置将不同的供电区段隔开。电分相导致牵引供电系统存在无电区，在保障供电安全的前提下使列车安全可靠高速通过电分相是牵引供电领域长期关注的问题。为解决列车过分相带来的供电及行车安全问题，相继提出多种车载或地面自动过分相技术方案。这些技术方案虽然在一定程度上减轻了司机的操作强度，提升了供电与行车安全水平，但在过分相期间列车仍然存在从断电到复电的过程，导致列车牵引力及速度的损失，并通常伴随过电压、过电流、弓网强烈燃弧等电磁暂态现象[1，2]，严重时可能导致牵引网相间短路或列车坡停等重大安全问题。因此，电分相问题已成为我国铁路进一步向安全、高效发展的主要技术瓶颈。

近年来，国内外学者针对新型过分相供电方案进行了系列研究。文献[3]提出了一种不断电过分相方案，该方案经一组背靠背变流器向中性段供电，通过移频移相实现中性段电压相位在两供电臂电压相位间连续切换，可实现列车不断电过分相，但该方案需提供列车过分相时的全部功率需求，导致供电装置成本显著上升，且降低安全供电水平。文献[4]提出采用2组变流器分别从两侧供电臂上取电再并联向中性段供电的方案，并指出应用于列车惰行过分相时能有效减小装置设计容量，但该方案仍存在系统供电容量配置较大等问题，并且由于采用了双回供电，其系统总体成本及复杂度进一步上升，由此降低了系统可靠性及经济性，并加大了工程实施的难度。文献[5]提出通过2台特殊变比的变压器分别从两侧供电臂取电并串联，再与变流器输出电压叠加，联合向中性区供电，该方案能够显著降低变流器的设计容量，但其系统过于复杂，降低了工程实施的可行性。文献[6，7]提出的方案无需采用变压器，直接利用多电平变流器为中性区供电，但由此会带来非常棘手的电气隔离问题，存在无法有效应对牵引网短路等故障的重大安全隐患。

通过分析现有过分相供电技术方案的优缺点，本文提出一种串并联混合型中性区柔性供电系统，对其关键参数进行分析，通过仿真及试验研究验证该柔性供电系统的有效性，为牵引网分相区连续供电提供优选方案。

1 系统结构及基本原理

中性区柔性供电系统结构如图1所示。系统通过单相分裂变压器T1从供电臂A取电，经交直交变流器后，再通过单相分裂变压器T2连接至中性区牵引网。由图1可知，中性区电压由供电臂A的电压与变流器经变压器T2输出的电压组合而成。该供电系统的单相分裂变压器T2串联接入中性区，在分区所两端供电臂电压差较小的情况下，系统只需为列车提供小部分功率，列车所需的大部分功率仍由供电臂提供，因此可显著降低变流器及变压器的容量需求，进而降低系统整体成本、占地等。同时，通过采用单相分裂变压器并结合多重交直流变流器，供电系统中各变流支路可实现完全独立运行，显著提升供电系统的可靠性。

11月27日，云南省政府新闻办举行“壮阔东方潮 奋进新时代”云南省庆祝改革开放40周年系列新闻发布会经济发展主题新闻发布会，介绍了改革开放40年以来，特别是党的十八大以来，云南经济体制改革和经济发展方面的成就，一系列重大改革举措推动云南经济持续快速发展。

图1 中性区柔性供电系统结构示意图

需特别说明的是，图1中的变压器T1、T2均为单相多分裂变压器，为简单起见，低压侧只画出了一个绕组。以列车从供电臂B向供电臂A运行为例，中性区柔性供电系统的基本工作原理为：

（1）控制柔性供电系统输出电压与供电臂B的电压一致，列车平滑驶入中性区。

（2）列车驶入右侧过渡区后，通过柔性供电变流器控制供电系统输出功率，使其逐渐增加，使供电臂B的输出功率逐渐减小。当受电弓与供电臂B分离时，供电臂B末端无电流流过，可基本实现受电弓与接触网的无电流分离。

（3）列车进入中性区后，控制供电系统进行调幅移相，使系统的输出电压幅值和相位与供电臂A电压的幅值和相位一致，从而保证列车平滑驶入左侧过渡区。

（4）受电弓进入左侧过渡区后，控制供电系统的输出功率，使其逐渐减小，从而使供电臂A的输出功率逐渐增加，最终保证受电弓与中性区实现基本无电流分离。

（3）标准先进性欠缺。受生产条件的约束，使得一些材料采用较低的技术标准，无法彻底满足发动机设计、制造和使用的要求。

（5）列车通过电分相后，柔性供电系统输出电压控制目标参考值切换为供电臂B的电压，从而使中性区电压继续与供电臂B的电压一致，等待下一列车通过电分相。

2 关键参数设计

中性区柔性供电系统主要通过单相高阻抗弱耦合分裂变压器与多重交-直-交变流器的组合协同控制，实现中性区电压的精确控制。供电系统技术设计中需首先依据应用工况及标准要求，计算出系统容量需求及输出电压等级，再据此研究系统中关键部件的参数选择。

2.1 系统容量及额定电压

由图1可知，中性区电压Un等于供电臂B的电压Ub与变压器T2高压侧电压Ux之和。电压矢量如图2所示。

图2 中性区电压矢量

依据国标GB/T 1402-2010要求，牵引网标称电压25 kV，长期电压为27.5 kV，短时（不大于5 min）最高电压29 kV；由相关项目现场实测数据可知，在绝大部分正常工况下，目前牵引供电系统网压波动范围均处于25～29 kV之间；同时结合列车电压功率曲线及车网联合仿真，最终得出分相区供电臂电压相位差q与电压幅值差md。

在“学案导学教学模式”提出之前，国内有许多提倡学生自主学习的实验，如中国科学院心理学研究所卢仲衡老师主持的“中学教学自学辅导实验”，常州市邱学华老师的“尝试教学实验”，魏书生老师的“中学语文教改实验”，他们采取“堂堂清(当堂巩固，并进行达标测试，教师当堂批改)、日日清(当堂不达标的学生课外时间补课辅导)、周周清(每周五检查、辅导)、月月清(每个月进行月考)”的制度，使得“上课就像考试一样紧张”，提高了课堂效率。

以列车由供电臂A向供电臂B过分相为例进行装置输出容量估算。参照图2，设供电臂A电压有效值为，供电臂B电压有效值为，供电臂电压间相位差为q，列车最大牵引功率为SL，柔性供电系统输出功率为SP，输出电流（变压器T2高压侧电流）有效值为，输出电压有效值为。当列车受电弓位于右边过渡区（靠近供电臂B的过渡区），且列车功率完全由柔性供电系统提供时，柔性供电系统输出功率SP等于列车功率SL，即SP = SL =×，由此可得输出电流= SL /，柔性供电系统变压器T2高压侧输出电压为

（1）

由式（1）及输出电流可得柔性供电系统中变压器T2的视在功率ST2与变流器的视在功率Scon，即

直线形助力特性曲线是3种特性曲线中形式最简单的一种特性曲线[7],图3明确了转向盘输入转矩Td和电动机助力转矩Ta之间的关系.图中v1,v2,v3分别代表高中低3种速度,0～Td0为无助力区间,Td0～Tdmax为助力上升区间,Tdmax为恒定助力区间初始值.

ST2 = Scon =× （2）

变压器T1的容量可设置与变压器T2的容量一致，即由式（1）和式（2）可计算出系统及各部件的基本容量需求，并确定变压器T2高压侧额定电压；变压器T1的额定电压由牵引网标称电压决定；为提升供电系统可靠性，还需考虑系统冗余设计要求，再确定变压器及变流器容量。

2.2 变流器主要参数

确定变流器容量需求后，可据此考虑变流器基本拓扑及开关器件选型。因供电系统的负荷功率为列车功率，功率等级为MV·A级，如果考虑列车重联，现有列车最大牵引功率大于20 MV·A。尽管采用串并联混合的供电方式可显著降低变流器容量，但变流器拓扑仍需综合考虑大容量、低成本、高可靠等需求。本文采用单相全桥交-直-交变流单元作为供电变流器的基本拓扑。

设变流器直流侧电压为Udc，取过电压保护动作值为直流电压的1.3倍，考虑到IGBT关断时的电压尖峰脉冲约为150 V，则IGBT关断时所承受的峰值电压为

Ucesp = (1.3Udc + 150)bv （3）

式中，bv为安全系数，通常取1.1。

严格实行水利工程质量监督月报制度，项目法人每月20日前向质监站报送在建水利工程质量监督月报，以此真实反映各项目投资完成、招投标、项目建设质量责任主体、参见单位人员到位、质量评定以及原材料现场检测等情况。建立在建项目参建单位资质、从业人员信息、持证上岗等信息台帐，全面掌握水利工程建设市场主体情况。

著名设计师克林特：“运用适当的技艺去处理适当的材料，才能真正解决人类的需求，并获得率直和美的效果。”CMF中运用正确的表面处理工艺可以完美的表达以及升华材料的特性[2]。对于一个三维的实际产品或物体而言，材料实际上始终是一个载体，表面处理与色彩都是以材料为媒介通过一定的工艺手段来具体呈现[3]。我们最经常需要的到的是，赋予新的肌理质，弥补材料本省的不足，创造材料靠自身无法达到的感官体验[4]。

当直流侧额定电压选为1 800 V时，Ucesp = 2 739 V，IGBT额定电压可选为3 300 V。当直流侧电压确定后，即可确定交流侧额定电压，本文研究的变流器交流侧额定电压选为Unm = 1 000 V。柔性供电系统变流器容量为Scon，设变流器重数为N，则单重交直交变流单元容量为Sm = Scon / N，由此可得单重交直交变流单元交流侧额定电流Inm = Sm / 1 000；考虑到IGBT过载能力有限，需要预留1.5～2倍的余量，则IGBT电流选择范围为(1.5～2)×Inm，该范围可为开关器件的电流参数选择提供基本依据。

（3）采用健康调查简表（SF-36量表）中文版[6]对两组长期生存状况进行评价，主要包括：生理功能、精神健康、总体健康、活力等方面，得分越高说明急性心肌梗死PCI手术后合并焦虑情绪患者治疗后的生存状况越好。

变流器中间直流侧支撑电容的主要技术参数包含额定电压Ucdc、额定电流Icdc、电容值Cdc等。支撑电容的额定电压一般选择直流回路的最高工作电压。支撑电容器电容值的精确计算较为困难，需考虑无功波动、瞬态电流及电压脉动等问题，其初步设计电容值可由下式得出[8]：

Cdc≥ （4）

式中，w为系统频率，K为四象限变流器输入电压相数。

由式（4）计算出电容值后，再通过仿真建模，并考虑各种极端负荷工况及预期关键指标，验证并调整电容值。

电容器的额定电流Icdc是指电容器连续运行时的最大均方根电流，正常使用中需确保流过电容器的实际工作电流小于电容器的额定电流。电容器工作电流的准确计算非常复杂，且不同工况时的电流值存在较大差别，一般可先通过简化公式计算出支撑电容电流近似值，再结合仿真计算得出工作电流范围，为电容器额定电流的选择提供依据[9]。

2.3 变压器主要参数

柔性供电系统包含2台变压器：并联变压器及串联变压器。并联变压器高压侧额定电压为25 kV，并需依据牵引网压波动范围考虑变压器磁密的选择；变压器低压侧额定电压与变流器交流侧额定电压一致，变压器短路阻抗需结合电流脉动指标及变流器四象限运行要求进行计算[10]。短路阻抗压降通常需小于30%，在单位功率因数下，根据功率守恒可得变压器短路阻抗对应的等值电感为

Lr≤ （5）

变压器短路阻抗大小会影响变流器交流侧电流纹波，通常电流纹波应小于20%，由此可得

Lr≥ （6）

式中，P0为变流器交流侧额定输入功率，fs为半导体器件开关频率。

由式（5）、式（6）可计算出等值电感Lr的取值范围，当式（5）与式（6）存在矛盾时，表示约束条件较为苛刻，可依据实际情况进行调整后再重新计算电感取值，从而确定变压器短路阻抗。

RV10旋转蒸发仪(德国IKA),TE1502S电子天平(北京赛多利斯科学仪器有限公司),CU-600电热恒温水槽(上海一恒科技有限公司),RV10DS25旋转蒸发仪(德国IKA公司),UV-1800紫外可见分光光度计(上海美谱达仪器有限公司),3K15台式高速冷冻离心机(Sigma公司)。

对于串联侧变压器的短路阻抗，主要考虑电流脉动及电压降，可参照式（5）与式（6）计算得出。

3 联调仿真及试验研究

3.1 联调仿真

采用Simulink仿真工具对本文所述的柔性供电系统进行联调仿真分析。供电臂A电压为27.5 kV；供电臂B电压为22.5 kV，其相位超前供电臂A电压相位10°；列车负载为HXD1C机车。列车首先运行于供电臂A，t = 0.2 s启动柔性供电系统，t = 2.0 s启动中性区电压调幅移相控制，仿真结果如图3—图6所示。

图3 供电臂A电压及中性区电压

图4 供电臂B电压及中性区电压

图5 柔性供电变流器中间直流侧电压

图6 HXD1C机车网侧电流

由图3可知，柔性供电系统启动运行后可迅速控制中性区电压，使中性区电压与供电臂A电压一致，即Ua = Un，等待列车过分相。当列车进入中性区后，柔性供电系统开始进行中性区电压调幅移相控制，使中性区电压与供电臂B电压一致（图4）。图5为柔性供电系统中供电变流器中间直流侧电压波形，由图可知，柔性供电系统在正常运行工况下，其供电变流器直流侧电压均能保持稳定。图6为列车网侧电流波形，由图可知，在列车过分相过程中，其网侧变流器能保持稳定工作，显示出柔性供电系统与列车负荷的良好匹配性。

3.2 试验研究

搭建低压小功率试验系统，系统拓扑如图7所示。变压器A模拟供电臂A，提供1.5 kV等级交流电压（实测电压有效值约1 700 V），变压器B模拟供电臂B，提供1.14 kV等级交流电压（实测电压有效值约1 250 V），2供电臂电压存在约30°相位差。列车负载采用电阻模拟。

这种启发式的教学遵循了小学体育教育的初衷“充分调动学生思维的积极性使其在听课时大脑动起来”，让学生身心都得到了全面发展，达到了体育教学的预期效果。

图7 柔性供电试验系统

试验系统模拟正向行车工况，如下所述：

（1）启动柔性供电变流器装置，闭合QF2，即列车由供电臂A供电。

因车厢内部在车体长度方向上是对称的，故取车体的一半作为本文的研究对象。由于计算车型的排风和回风是分开的，因此，车厢内设置了送风口、回风口和排风口，即物理模型的入口和出口。在车顶特定位置布置有3个幅流风机安装处，为减小列车震动对风机的影响，结构之间安装有避震保护装置。本文旨在研究满载时风速和温度对地铁车厢内乘客舒适度的影响，因此车厢内共有232人，其中36人有座，196人站立。

（2）闭合QF1，即列车进入第一过渡区S1。

（3）断开QF2，即列车进入中性区但尚未进行电压调节。

（4）QF2断开约200 ms之后，控制系统自动切换为中性区电压调节模式。中性区电压Un由与供电臂A电压Ua一致逐渐趋向与供电臂B电压Ub一致。

（5）闭合QF3，即列车进入第二过渡区S2。

（6）断开QF1，即列车完全进入供电臂B。

试验结果如图8、图9所示。

图8 列车进分相时供电臂及中性区电压、负荷电流

图9 列车出分相时供电臂及中性区电压、负荷电流

由图8可知，在列车由供电臂A驶向供电臂B的过程中，当列车即将进入分相区时，柔性供电系统可准确控制中性区电压，使中性区电压与供电臂A电压一致，即Un = Ua，从而确保列车带电平滑进分相。由图9可知，当列车出分相时，柔性供电系统可完成调幅移相控制，使中性区电压与供电臂B电压一致，即Un = Ub，并且列车负荷电流基本稳定。

经过松原地区一年的双优山葡萄试验可以证实本然土壤调理剂在山葡萄上的作用，在产量和品质上均有提高[3]。

4 结论

本文对分相区柔性供电系统的基本结构、工作原理、关键参数设计方法及控制策略进行了理论分析与试验研究，结论如下：

3.7 3 0 到50岁女性对女性相关肿瘤却不够重视,宫颈癌、乳腺癌等相关检查都没有进入该人群特征标签,建议应该更加关注如宫颈TCT、乳腺肿瘤指标CA153、乳腺彩超、HPV检测等。

（1）采用基于串并联混合拓扑及多重化冗余结构的柔性供电系统，可显著降低系统供电容量需求，提升供电安全性，节省设备占地及投资成本，降低工程实施难度。

（2）针对柔性供电系统结构，结合实际应用场景，采用本文所述的关键参数设计方法，可完成供电系统主要参数的计算，为系统各关键部件的选型提供基本依据。柔性供电系统可对中性区电压进行连续快速精确控制，实现中性区电压在两供电臂电压间的柔性切换过渡，消除电分相处的供电死区，确保列车不断电满功率高速平滑通过电分相，从而降低车载设备的故障率，提升车网匹配性能。