DOI：10.19587/ki.l007-936x.2018.04.004温州市域铁路S1线同相供电系统方案研究张晓芳，方曼琪摘要：温州市域铁路S1线采用公交化的运营模式，对列车速度的控制要求高，牵弓丨负荷较大，列车自动过 分相时运行安全得不到很好的保证。
采用同相供电技术可以取消变电所出口处的电分相，并可较好地解决负序 问题。
本文以单相组合式同相供电系统为例，介绍了组合式同相供电系统的结构及原理，并基于相关牵引设计 资料搭建单相组合式同相供电系统模型进行仿真分析，仿真结果表明该系统对负序有很好的治理效果。
关键词：单相组合式同相供电；负序；同相补偿装置；平衡变换原理Abstract：Line SI of Wenzhou Commuter Rail adopts the operation mode of bus rapid transit, which requires high control of train running speed, great traction load, and the train operation safety is unable to be guaranteed when the train is passing through automatically the phase break. With adoption of co-phase power supply technology, it is able to cancel the phase break at exit of substation and may solve the problems of negative sequence. The paper, with the single phase combined co-phase power supply system as an example, introduces the structure and principles of combined co-phase power supply system, and through simulation and analysis are made by establishing of a single phase combined co-phase power supply system model based on related traction design data, the simulation results show that the system has a better effect for control of negative sequence.Key words：Single phase combined co-phase power supply; negative sequence; co-phase compensation device;principle of equilibrium transformation中图分类号 :U223.5+2 文献标识码:B 文章编号：1007-936X(2018)04-0014-050引言近些年来，随着现代电力电子技术和控制理论 的不断发展，电力机车对电力系统电能质量的影响 得到了很大改善，但在铁路向高速、重载方向发展 的过程中仍然存在2个严重问题：电分相对电力机 车安全运行的影响以及以负序为主的电能质量问 题[1]。
同相供电技术[2]的提出，取消了变电所出口 处的电分相环节，也可很好地解决负序问题。
温州市域铁路S1线的建设是温州市市域铁路 网建设实施的第一步。
同相供电技术在温州市域铁 路S1线中的应用，可解决电能质量指标中愈发突 出的负序问题以及电分相对列车安全运行的影响，使之成为我国具有创新引领性的轨道交通项目，为 市域铁路的发展打下坚实的基础。
本文主要介绍单相组合式同相供电系统的结 构以及变压器的平衡变换原理，根据温州市域铁路 S1线设计资料，对同相供电系统的牵引变压器以作者简介：张晓芳.温州市铁路与轨道交通投资集团有限公 司运营分公司，工程师，研究方向为轨道交通牵引供电系统；方曼琪.西南交通大学电气工程学院，硕士研究生。
及同相补偿装置的容量进行计算；基于Matlab/ Simulink仿真平台搭建单相组合式同相供电系统 仿真模型，通过仿真分析验证系统对于负序治理的 效果。
1组合式同相供电系统结构组合式同相供电是同相供电的优化，在基于有 源技术的同相供电系统[3]的基础上加以改善，使补 偿装置容量配置更加合理[3]。
目前主要存在单相[4]和单三相[5]2种组合式同相供电系统方案。
高速铁 路变压器一般采用V x接线方式，对既有铁路进行 改造一般选择单三相组合式同相供电，可以很好地 利用原有变压器形成一主一备用的方式[3]。
对于新 建铁路一般采用系统结构简单、设备利用率高的单 相组合式同相供电系统。
本文将针对温州市域铁路 S1线，对单相组合式同相供电系统进行设计分析。
图1为直接供电方式下单相组合式同相供电 系统结构图，主要由单相牵引变压器（Traction Transformer，TT)和同相补偿装置（Co-phase Power Supply Device，CPD)构成。
其中同相补偿装置 C P D由高压匹配变压器（High Voltage Matching Transformer，HMT)、交直交变流器A D A和牵引14匹配变压器（Traction Matching Transformer，TMT) 3部分组成。
其供电原理在于：牵引变压器T T和 高压匹配变压器H M T构成一个不等边的Scott变 压器，相当于一种两端口的，供电容量、电压幅值 不相等，但电压相位相互垂直的特殊接线形式的平 衡变压器。
图1单相组合式同相供电系统结构系统正常运行时，单相牵引变压器T T和同相 补偿装置C P D共同为牵引网的牵引负荷供电，其 中大部分负荷功率由单相牵引变压器提供，同相补 偿装置承担次要的供电任务，并进行三相电压不平 衡度的调整。
在单相组合式同相供电中，2个单相 变压器构成的Scott变压器，其两端口的接线角相 差90°,所以变流器采用背靠背结构形式的单相变 流器'原理如图2所示。
a端口Sl^J S30S5 存S7辟p端口图2背靠背单相变流器原理示意图背靠背单相变流器由2个单相电压型整流器 通过同一个电容器背靠背连接在一起。
高压匹配变 压器的作用在于将电网侧的高电压降低为电力电 子器件所能承受的耐压水平。
交直交变流器端口输 出的较低电压经牵引匹配变压器升压后为牵引母 线供电。
其中交直交变流器的控制目标在于，通过 PW M信号控制IG B T的开关状态以保持中间直流 电压的稳定，使有功功率在变流器两端口之间相互 传递，从而达到负序补偿的目的。
交流电抗器L 配合同相补偿装置A D A—起工作，在变流的过程 中起平滑电流的作用。
2组合式同相供电系统原理2.1变压器的平衡变换在单相组合式同相供电系统中，单相牵引变压 器和单相高压匹配变压器构成一个不等边的Scott 接线变压器，接线如图3所示，次边2个端口分别 为a端口和P端口。
电压向量图见图4。
设牵引变压器的原次边绕组匝数分别为明、叱，高压匹配变压 器的原次边绕组匝数分别为©丨，牵引变压器和高压匹配变压器变比分别为尤2。
C(a)原边电压 （b)次变电压图4不等边Scott接线电压向量图由于低压侧a和p端口大小不一致，设次边两 端口电压关系为C/p= ；7C/a,按照磁势平衡原理[7]可得电力系统侧三相电流和次边两端口电流/a、之间的关系为\L]\ s-phA~S k,-S-p2pJah_根据式（1)可得原次边电流向量之间的关系，如图5所示。
对图5分析可得，当低压侧a和p端口负载功 率相等时，两端口之间的电流相位相差90°,即A时，整个系统中无负序电流存在，此时电力系统侧的三相电流完全对称。
152. 2同相补偿装置的平衡变换原理单相组合式同相供电系统同相补偿装置结构如图6所示。
变压器设交直交变流器两端口电压分别为《a、《p,负载电流为屹。
由于两端口电压相位相差90°,则端口电压的表达式为(ua=4lU sin cotM p=-JlU sin(ftrf+90°)负载电流大小为k{t)= Iism((〇t+ ^i)+h{t)=i'i p(〇+ hq(t)+h(t)(3)式中，A⑴为负载电流的谐波含量，Z lp(〇、ilq(〇分别为电流的有功和无功分量。
将负载电流中的基波电流分量进行分解，负载电流可表示为ih(t)=/pSin ffl?+V2 /q C O S ffl?+ h{t)(4)式中，心和^分别为基波电流的有功和无功分量。
负载瞬时功率为p{t) =uaii{t) =UI P{\ -cos2taf) + Ul^volwt+ uah(t)(5)为使同相补偿装置达到其调节目标，两端口输 出的有功电流的相位应与各自电压相位相同，所以 两端口电流的期望值为i'a r=^2/S r Sin^*pyr(6)/Br=：5L^s i n(^ + 90o)r p式中，4为2个端口输出电流的期望值幅值。
当实现完全补偿时，三相电力系统应承担牵引负荷所需全部有功功率，因此，在任何一个周期内，牵引负荷所消耗的能量大小应与电力系统提供的 能量大小相等。
通过计算可得，当实现完全补偿时，同相补偿装置两端口的补偿电流期望值[8]为*办L r=k(0 -^a r(0 =sin6^ + 4l l q C O S(O t+ k{t) h^T= _2p r(0 = + 90°)2P(7)同相补偿装置两端口的功率为/、• … 1 - COS 2(D t ^^凡(0= M«Aar =尸—-—Q s m l w t + P^<PPf,(0 =M p^p r =--(!+ C O S(8)所以，当系统实现完全补偿时，同相补偿装置 的负载端口（P端口）需承担牵引负荷所需有功功 率的一半，并且实现无功功率和谐波功率的补偿，另一端口（a端口）只需承担其余的有功功率。
3系统设计根据温州市域铁路S1线的设计资料，对牵引 变电所全天的牵引负荷馈线电流进行计算分析，得 到的计算数据如表1所示。
表1牵引变电所全天负荷过程数据统计A 平均值95%概率大值最大值541.081 221.81570.9牵引网牵弓丨母线电压为27.5 kV,系统短路容 量为 1 100 MV-A。
首先选择牵引负荷功率95%概率大值进行计 算，即S95〇A=UI95% =27.5 X1221.8 = 33.6 MV-A系统的短路容量为1 100 MV_A,可以得到系 统的最大负序功率允许值[7]为W»= M s^d/100 = 2 x1 100 /100 = 22 MV-A牵引负荷功率95%概率大值大于最大负序功 率允许值，所以需配置同相补偿装置，计算牵引变 压器以及同相补偿装置容量，即ST11133.627.8一21-1_22 5.6可得牵引变压器容量和为27.8 MV_A,同相补偿 装置容量灸为5.6MV.A。
