（中铁一局集团电务工程有限公司陕西西安710000）
摘要：现阶段，国内外采用的供电模式通常为三相一两相分相。而电气铁道接触网一般采用单相交流制，若只是进行单相取电，则将使电力系统不对称，进而三相电压也会不平衡，所以，将电分相设置在牵引供电系统了。电分相装置限制了机车的承载能力和运行速度，使高速重载铁路无法健康发展。为了使电力系统三相负荷具有对称性，提高机车的承载能力和运行速度，国内外都在研究牵引供电模式。为此，本文主要探究了新型同相牵引供电系统的方案。
关键词：新型；同相牵引；供电系统
随着中国高速、重载铁路的不断发展，传统牵引供电系统的供电的质量和效率均较低，对铁路运行的经济性、可靠性和安全性造成了严重影响。所以，必须建立适合中国高速、重载铁路发展的新型牵引供电系统。而随之出现的同相牵引供电系统将是未来高速、重载铁路的发展方向。基于此，下文提出了一种较好的新型同相牵引供电系统方案。
1简述同相供电系统结构
对于同相供电系统，线路上变电所供电的接触网具有相同的电压相位，线路上没有电分相环节。而新型同相供电系统基于传统的牵引供电系统，引进了YN，vd平衡变压器以及IPFC，采用单相供电方式代替了传统的两相牵引供电方式。通过YN，vd平衡变压器，将系统中的三相对称电压平衡改为了两相对称电压。通过IPFC，将变电所2个供电臂合并为一条馈线，从而各个变电所输出电压的相位一样，并取消了电分相。为了避免电力系统形成变电所环路，采用分段绝缘器取代了分区所的分相绝缘器。电分段距离不长、两侧电压相位相同，所以，避免了机车通过时的牵引损失和对电网的负面影响，全线贯通供电实现了，也满足了高速、重载的牵引供电要求。
2YN，vd平衡变压器
2.1新型YN，vd平衡变压器中的接线形式
对于YN，vd变压器，它属于新型的平衡变压器，具有三相三绕组的特征。在变压器一次侧，采用端子A，B，C来链接三相电网，牵引端口为变压器二次侧的α与β相，星形连接为变压器一次侧绕组，能够结合运行需要，选用不接地或中性点接地运行。
相较于我国使用较多的Scott以及阻抗匹配等平衡变压器，这种YN，vd平衡变压器的技术优势非常明显。
2.2分析YN，vd平衡变压器的运行特性
三相/两相YN，vd平衡变压器的特点较多，主要包括性能好、结构简单、方便设计及制造等，通过YN，vd平衡变压器，电力系统实现了侧无零序分量，但是，只有在负荷电流对称时，其对称变换才能实现，通过平衡变压器，才能将负序对电力系统侧造成的负面影响完全消除，使原边三相电流可以对称。
3IPFC结构和控制
3.1IPFC结构
四象限电压型变流器背靠背地组成了IPFC。通过直流电容，两端口变流器进行了耦合。
通过IPFC，以并联方式将两相牵引变压器中的一相接入到了另一相，牵引变压器只传递有功功率，大幅降低了其容量，而且原边三相电流实现了完全对称。其控制的基本原理为：能量交换环节采用中间直流耦合电容，有功功率交换可以在2个端口间实施，与此同时，还可以补偿无功馈线侧变流器、将主要谐波滤除。
27.5千伏是平衡变压器副边电压，为了可以匹配电力电子开关器件，采用降压变压器T1和T2，它们具有10∶1的变比，而且预设直流侧参考电压为5千伏。单相系统中的直流侧电压具有幅度高的100赫兹波动分量，所以，将串联谐振环节引入到直流侧，可以将二倍频谐波滤去，使直流电压平稳，将系统动态性能提高。
3.2控制
控制系统由计算有功量、直流电压控制模块、变流器脉宽调制信号生成模块、指令电流生成模块以及锁相环等组成。其中通过锁相控制，指令电流生成模块使IPFC输出的电流和供电臂电压具有相同的相位。滞环电流控制以其动态响应快及鲁棒性好等优点尤其适合IPFC的需要。基于现有的双极性滞环电流控制，再引进单极性控制，能够发挥降低谐波和倍频的作用。
4仿真验证
针对以上同相供电系统，基于MATLAB/Simulink，建立了仿真模型。合理设置了IPFC参数，直流电压为5千伏，牵引网电压为27.5千伏，功率因数为0.8，视在功率为4800千伏安。如图1和图2所示为仿真结果。分析仿真结果易知，无论对于纯阻性负载，还是对于同时含有谐波及无功的负载，在IPFC的调节作用下，变压器输出的副边幅值均相同，电压和电流的相位相差均为90°，与此同时，由于端口电压均一样，而且电流同相位，因而功率因数都达到了1，确保平衡变压器只能输出有功功率。由于在电力系统侧所采用的平衡变压器是YN，vd平衡变压器，因此，输入对称的三相电压以及电流，其牵引供电系统，相对于电力系统来说，等于是一个纯阻性网络，且该网络三相对称，从而将负序影响基本消除了。与此同时，其原边电流波形畸变率小于或等于1%，与国标标准一致。
图1纯阻性的负载运行图2含有无功、谐波的负载运行
5总结新型同相牵引供电系统的优点
5.1节约容量电价
在新型同相牵引供电系统中，在理论上，可以100%地利用YNvd平衡变压器的实际容量，与常规两相供电系统相比，能够减少变压器安装容量。现阶段，我国的电气化铁路多采用“两部制电价”的模式，假如可以减少5兆伏•安的变压器容量，而且固定电费为0.6元/千伏安•天，那么每个牵引变电所每年都能够节约一百多万元的运行成本。所以，针对电气化铁路牵引变压器，中国具有巨大的总安装容量背景下，应用同相牵引供电系统具有十分明显的经济优势。
5.2减少经济损失
一般情况下，电气化铁路牵引负荷会“污染”电网，进而给电力系统的运行稳定以及其他电力用户的日常生产带来负面影响，尤其是在那些电力系统相对薄弱的地方，因电气化铁路而导致的电能质量问题便显得更加突出，进而直接或间接地导致其他企业蒙受经济损失。为了提高电能质量，铁路与电力部门已经投入了很多资金。而通过同相牵引供电系统，就能够从根源上将这些问题解决，进而将电力系统的运行安全性提高，使敏感用户的用电质量得到保证。
5.3提高运行效率以及可靠性
在常规牵引供电系统中，电分相是最薄弱的环节之一，其中频发故障。在新型同相牵引供电系统中，电分相被分段用电取代，将其应用在重载线路上，还能够补偿电压损失，大幅提高了系统运行的可靠性和效率，尤其在客货分离以后，其产生的经济效益会更加明显。
6结语
综上所述，本文基于现有的牵引供电系统，引进了YN，vd平衡变压器和IPFC，并形成了一种新型的同相牵引供电系统。该方案中，通过YN，vd平衡变压器，系统中的三相电气量平衡被变换为副边两相对称电气量。同时IPFC也以并联的方式将变压器中副边的一端接入到另一端，用以补偿牵引负荷导致的无功功率和谐波，使牵引变压器只传递有功功率，同时原边三相电流也实现了对称，还将分相绝缘器取消了，既将列车速度提高了，又降低了铁道基建投资，并且可以供以后电气化铁道设计与建造牵引供电系统时进行借鉴和参考。
参考文献：
[1]崔杰圣.贯通同相供电系统运行方式研究[D].西南交通大学，2017.
[2]黄小红.同相供电牵引变电所直挂变流器拓扑结构与控制策略研究[D].西南交通大学，2016.
[3]赵燕，张靖.铁路牵引供电系统优化控制仿真研究[J].计算机仿真，2015，32（06）：154-157+161.
[4]赵燕.基于模块化多电平结构的同相供电装置研究[D].东南大学，2015.
[5]陈民武.牵引供电系统优化设计与决策评估研究[D].西南交通大学，2009.