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研究背景

当前，电分相与负序电能质量问题已成为制约我国电气化铁路进一步发展的主要桎梏。作为一种较为理想的供电方式，基于电力电子技术的贯通牵引供电系统为同时解决电分相与负序电能质量问题提供了新的机遇。

其中，基于牵引变压器与“两相交流输入至单相交流输出”（两相-单相）变换单元的混合式贯通牵引供电系统（HATPSS）凭借其设备利用率高、改造成本低等优势而受到关注。

然而，“两相-单相”变换单元作为系统中的薄弱环节，其任意端口故障会导致系统出现负序电流与功率缺失等问题，严重者将引发整个贯通系统失稳。如何提升HATPSS供电可靠性，保障混合式贯通牵引站在任意有源端口故障下的供电能力对HATPSS未来发展至关重要。

图1  混合式贯通牵引供电系统

论文所解决的问题及意义

HATPSS建设成本高昂，若借鉴传统冗余备用方案保障系统供电能力势必会导致投资成本上升、占地面积增大等问题，制约贯通牵引供电系统的进一步推广。因此，如何在不增加设备投资成本的情况下，实现贯通牵引站在任意端口故障等应急工况下的稳定运行，保障故障牵引站的供电能力是当前亟待解决的难题。

幸运地是，受益于自身架构与潜在冗余特性的优势，HATPSS具备在部分端口故障下的应急管控潜能。其主要表现在混合式贯通系统的部分有源端口故障后，可充分利用“两相-单相”变换单元健康端口的功率双向调控潜力，并通过牵引变压器、牵引变压器与牵引网间联络开关以及健康牵引站等既有装置间的协同配合，可在保证HATPSS故障牵引站最大供电能力的同时有效解决负序电能质量等问题。

然而，故障工况下HATPSS“两相-单相”变换单元的健康端口与既有装置间的配合涉及网侧负序电流、牵引网环流、切换冲击抑制、有源端口功率约束等多个因素，有必要设计合理的多装置动作时序和协同机制，进而支撑有源端口故障下牵引站应急运行与HATPSS可靠供电。

本文根据“两相-单相”变换单元中故障位置与系统运行特征的不同，划分为两种工况，即应急工况I-输出端口γ故障、应急工况II-输入端口α或β故障。

当故障牵引站处于应急工况I时，可将变压器二次侧的u_α并入牵引网保证牵引负荷供电。但仅以u_α为牵引网供电源时，由于变压器二次侧功率不平衡，电网侧将出现较大负序电流。而健康端口α与β的功率双向调控能力为解决三相电网负序电流问题提供了契机。通过控制端口α与β间的功率流动，可实现变压器二次侧的两相功率均分与电网负序电流抑制，如图2(a)所示。

当故障牵引站处于应急工况II时，可根据输入端口的故障位置将u_α或u_β并入牵引网，并通过调整端口γ的输出功率，实现变压器二次侧的功率均分与负序电流抑制，如图2(b)所示。值得指出的是，在上述两种应急管控下，故障牵引站的总输出功率仍与故障前保持一致，充分发挥了新型混合式架构应急管控潜能，有效保证系统供电能力。

图2  应急管控下故障牵引站功率流动示意图

应急管控策略I（输出端口γ）故障时，HATPSS的应急管控策略主要包含牵引网电压相位调整、联络开关闭合、输入端口控制平滑切换、输出功率调整4个步骤，如图3(a)所示。

应急管控策略II可分为端口α或端口β故障两种情况，但两者应急管控流程基本相同，下面仅以端口α故障为例进行探讨。与应急管控策略I不同的是，当任意输入端口故障时，直流侧电压仍可由健康端口保持稳定，“两相-单相”变换单元无需进行控制切换。系统应急管控策略主要包含输出功率调整、牵引网电压相位调整、联络开关闭合3个步骤，如图3(b)所示。

图3 不同工况下应急管控策略流程

论文方法及创新点

1、本文所提应急管控策略利用站内联络开关、牵引变压器等资源实现，无需增加任何硬件投资成本，具有较强经济性；

2、在输入/输出多类型故障工况下，所提应急管控策略均可实现故障牵引站供电能力100%输出，有效提升混合式贯通牵引供电系统可靠性；

3、应急管控与故障恢复过程中故障牵引站不断网，电网侧仅存在暂态负序电流，有效提升系统电能质量。

结论

针对HATPSS故障运行问题，本文提出一种混合式贯通牵引供电装置应急管控策略。通过混合式贯通牵引站内变压器、联络开关、“两相-单相”变换单元等资源间协同配合，实现系统在多种故障工况下的供电能力提升。

值得指出的是，本文是基于在拓扑、成本等方面具备一定优势的新型混合式架构对贯通牵引供电装置的应急管控进行初步探讨，但所提应急管控思路同样适用于模块化多电平型与高频隔离型等架构，故上述研究依然具备一定推广与借鉴意义。

团队由国家“万人”计划领军人才湖南大学涂春鸣教授领衔，拥有电气-信息学科青年教师10余人，在校博士、硕士研究生80余人。主要致力于分布式能源与微能源网、电力系统电力电子装备、电能质量与高效利用等方面的研究。

承担国家“973”、国家“863”、国家自然科学基金重点项目等基础理论与应用技术研究20余项，省部级及电网公司科技项目50余项。发表高水平学术论文300余篇，其中3篇入选“中国科协优秀科技论文遴选计划”、1篇入选“中国百篇最具影响国内学术论文”，百度学术统计“被引次数”超过4600余次；授权国家发明专利60余项，出版中文著作5部，参与编制能源互联网和分布式发电领域技术标准5项。获国家科技进步一等奖1项、二等奖2项，省部级科技进步一等奖8项、二等奖6项。

王鑫

香港城市大学博士后，主要研究方向为配电网柔性互联装备及其应用、贯通牵引供电系统及其能量管理。

郭祺

通信作者，博士，副研究员，主要研究方向为新型配用电系统电能柔性调控、先进电能质量控制、分布式能源与微电网等。

涂春鸣

博士，教授，博士生导师，主要研究方向为电网新型调控技术与装备、分布式能源与微能源网、电能质量与高效利用。