近年來，電氣化鐵路的高速化、重載化發展對牽引供電系統的可靠性與穩定性提出了更高要求。我國電氣化鐵路采用的是單相工頻交流供電方式，其中的電分相環節會造成供電斷點。目前列車采用的斷電過分相方式一方面會導致運行速度損失，制約列車的高速重載運行，造成系統運能損失；另一方面，列車斷電過電分相過程中會引發暫態過電壓、過電流及弓網燃弧的現象，損壞車載設備和供電設備，威脅列車的安全、可靠運行。

針對過分相問題，現有解決方案主要有不斷電過分相技術、同相供電技術以及中壓直流牽引供電技術。其中，同相供電技術與中壓直流牽引供電技術都需對現有牽引供電系統進行大規模改造，不利于在既有線路上進行推廣應用。

因此，在不改變既有牽引供電系統結構的基礎上研究列車不斷電過分相技術，對于實現列車的高速、重載運行，充分發揮既有線路運能，具有重大的現實意義。理想的過分相技術應具備如下功能：①列車全程不斷電，實現無速度損失；②列車受電弓電壓不突變、弓網無電流分斷，避免暫態過電壓和弓網燃弧問題。

為此，國內外學者提出了多種列車不斷電過分相技術，主要可分為開關式自動過分相和柔性式自動過分相兩類。其中，開關式通過機械開關或電子開關的快速投切，實現中性線上的電壓切換，以此實現列車的不斷電過分相。然而，機械開關難于精確控制分/合閘的相位，導致過電壓、過電流、電弧等暫態問題，并且還存在開關切換時間長、開關壽命短等問題；電子開關可精確控制分/合閘相位，切換時間較短，但依然存在斷電過程，也無法解決弓網帶電流分斷導致的拉弧問題。

柔性式自動過分相利用變流設備將電能從供電臂傳輸到中性區，保障列車過分相全過程不斷電，并能抑制暫態問題。研究者提出了基于傳統背靠背變流器方案和基于兩相式模塊化多電平變換器（Moduar Multilevel Converter, MMC）方案，利用電壓變頻移相實現了列車不間斷供電。

在此基礎上，有學者采用三相式MMC提高裝置可靠性。而有的學者則利用功率控制解決弓網帶電流分斷導致的拉弧問題。但是，為匹配列車運行功率，上述方案所需的變流設備容量極大，為此，變流設備串接變壓器向中性區供電的方案被提出，此類方案可有效減少變流器容量，節省系統投資成本。但此類方案僅關注中性線電壓控制以實現不間斷供電，未考慮不斷電過分相時弓網大電流分斷問題，因此無法完全解決過電壓、電弧等暫態問題。

為此，西南交通大學電氣工程學院等單位的研究人員提出一種基于背靠背變流器（Back- To-Back Converter, BTBC）的柔性不斷電過分相系統（Flexible Uninterrupted Phase-separation-passing System, FUPS）。該系統通過背靠背變流器連接電分相兩側的供電臂，單相逆變器從背靠背變流器的直流側引出并串接移相變壓器后連接至中性線，該結構可有效降低逆變器等變流設備的容量，以實現列車過分相全過程不斷電、無過電壓與不拉弧。

他們首先詳細分析所提系統的工作原理；隨后，提出相應的電壓柔性切換、功率主動調整的控制策略；然后，通過Simulink仿真和RT-Lab硬件在環實驗，驗證了該系統與控制策略的有效性；最后，結合電氣化鐵路的實際情況，分析所提方案在不同應用場景下的變流設備容量需求，并給出了應用建議。

圖1 FUPS總體控制框圖

研究人員的仿真與實驗結果表明，所提方案可實現列車過分相全過程不斷電與弓網無電流分斷，進而可有效避免過電壓、電弧等暫態問題的發生，為充分發揮電氣化鐵路運能、提升系統可靠性提供保障。此外，通過分析所提FUPS在不同應用場景下的變流設備容量需求，探討了其適用性，結果表明，該系統比較適用于兩側供電臂電壓相位差較小的電分相，如V/v（V/x）接線牽引變壓器的牽引變電所和所有的分區所。

本文編自2021年第23期《電工技術學報》，論文標題為“電氣化鐵路列車柔性不斷電過分相系統及其控制策略”，作者為黃毅、胡海濤 等。