电气化铁路牵引网同相供电技术 碳化硅固态变压器用于牵引变电所的展望

龚学长

电气化铁路牵引网同相供电技术

碳化硅固态变压器用于牵引变电所的展望

龚 学 长

碳化硅(SiC)固态变压器本质上是利用碳化硅功率器件的高频开关能力和高频电力电子的多次变换技术，替代传统变压器的工频电磁感应。

碳化硅半导体器件，它具有击穿电压高、低开关损耗和耐高温的特性，能够高效地处理高电压并支持极高的开关频率，这是传统硅（Si）器件难以做到的。

与传统变压器相比，SiC固态变压器除了常规电磁式变压器的变压、隔离和双向功率流动外，它还能主动实现功率因数校正、无功补偿、谐波抑制，这些都是传统变压器不具备的功能。其系统效率也可达到98%以上。

由国家电网主导，属于国家重点研发计划的验证工程35千伏，5兆瓦碳化硅柔性变电站，河北保定于2022年9月投运，已转入常态化商业运行。该碳化硅变压器的能量变换效率达到 99.63%，在5MW满载下，总损耗约为 18.5 kW。密度达到 2.53 W/cm³。

SiC固态变压器典型工作流程分为三个阶段：

1. 输入整流级（AC/DC）：先将输入的工频交流电（如电网的35kV交流电压）整流为约49kⅴ的直流电压。 采用有源PFC或高频PWM的整流方式，可使交流电源输入电流近似于正弦波，功率因数近似于1。

2. 隔离变换级（DC/AC/DC）：这是核心环节，直流电被SiC器件逆变为高频方波交流电（AC的频率可达10kHz至100kHz甚至更高），再通过一个体积很小的高频变压器进行电气隔离和电压变换，随后重新整流为低压侧所需要的直流电压，如40kV直流。

由于高频变压器和其中的电感、电容元件的体积与工作频率成反比。将频率从50Hz提升至数十kHz，理论上可以使磁性元件（铁芯、绕组）的尺寸缩小数百倍。这正是SiC固态变压器能够实现体积和重量大幅缩减（可至传统方案的1/3甚至更小）的根本原因。同时，高频化也带来了更快的动态响应速度（毫秒级）。

3. 输出逆变级（DC/AC）：根据负载需求，将40kV直流电压转换为27.5kⅤ，50HZ或27.5kⅤ，16.667HZ单相交流电源，也可以输出40kV直流电压。

当碳化硅固态变压器检测到低压侧电压过高，需要进行逆向功率传输时，3中的直流变交流变为整流模式，将低压侧输入交流变为直流；中间级的低压侧整流变换为高频逆变，高压侧的高频方波逆变变换为整流模似；1中的整流变为交流逆变。各模块只需调整全桥的导通顺序和导通时间，就能自动实现整流和逆变功能的相互转换。

　 中压(10kV~35kV)碳化硅固态变压器已实际挂网运行的容量为 10MW。此外，更大容量（20MVA）的产品处于样机或规划阶段。

35kV / 7MW：臻驱科技旗下子公司已发布该产品，采用3.3kV全SiC功率模块，目前处于样机或小批量阶段。

· 35kV / 10MW：主要是全碳化硅设计方案，多针对算力园区或光储场景。·35kV / 20MW：国内已有企业掌握该等级的工程化技术，并应用于示范工程。

根据特锐德发布的信息: 额定电压220kV 高压交流直接输入，800V 直流输出，单机容量 2.5MW。效率≥98.5%，体积比传统方案缩减 60%，具备毫秒级响应的碳化硅固态变压器计划于 2027年内 完成挂网示范运行。

虽然目前碳化硅固态变压器挂网运行还只有35kV电压以下，容量也小于20MW。随着碳化硅元件和碳化硅固态变压器的迅速发展，不久的将来，更大容量和更高电压等级的碳化硅固态变压器会不断应用于电网中。甚至在超高压直流输电中，直接代替超高压升压变和超高压可控硅整流，使超高压直流输电更为简单，像交流超高压输电一样，由发电机输出的10kV(35kV)交流直接经碳化硅固态变压器升压为正负1000kV直流电压。

　　当碳化硅固态变压器发展到额定电压110kV(220kV)，容量大于25MW时，电气化铁路牵引变电所就可以直接用碳化硅固态变压器代替现有的牵引变压器，牵引变电所由电源系统的三相交流变为牵引网的单相交流，实现牵引网的同相供电。

如碳化硅固态变压器的额定电压只有35kV，容量满足要求时，也可以在牵引变电所的牵引变压器27.5kV侧，增加一台碳化硅固态变压器，将3相27.5kV交流变为单相27.5kV交流，以实现牵网的同相供电。

由于碳化硅固态变压器与电源系统是隔离的，次边DA/AC输出的单相电压会自动跟踪牵引网的交流电压、相位与频率。使各参数满足要求时，碳化硅固态变压器才投入牵引网并联运行。

碳化硅固态变压器应用于电气化铁路牵引变电所后，有如下优点:

1、实现牵引网同相供电。由于碳化硅固态变压器输出的是单相交流。使牵引网像地铁直流供电技术一样，各牵引变电所直接并联向牵引网供电。使电气化铁路人几十年来由梦想变成现实。

2、如果电力机车也将电磁感应式变压器换为碳化硅固态变压器，牵引变电所的碳化硅固态变压器还可以输出40kV中压直流直接由牵引网供给电力机车。也可以输出单相27.5kV，16.667HZ交流供电力机车。供电距离比50HZ交流远2至4倍。

由于50HZ、16.667HZ单相交流或中压直流都是各牵引变电所并联向牵引网供电。因此电为机车经过牵引网的电气分段时，像地铁一样不必断机车主断路器和禁升双受电弓。

现有的高铁达400km/h，70多公里的供电臂10分钟左右就断一次主断路器，给司机带来高度的紧张感。一次过分相(段)未断机车主断路器，就会造成烧断牵引网的重大事故。

几十年来，从事电气化铁路工作的科技人员，从未停止过牵引网同相供电技术的研究。

碳化硅固态变压器的出现给电气化铁路同相供电带来了希望。

不久的将来，或许20年后，电气化铁路牵引变电所一定会用上碳化硅固态变压器。牵引网的同相供电技术一定会实现！！！

单相同相与中压直流方式的比较

1、单相同相供电的优点是牵引回流同时经钢轨和大地返回牵引变电所，对沿电气化铁路铺设的金属管线影响较小，钢轨对地不需要专门的绝缘处理。AT或有回流线的供电区段对沿途的通讯干扰也在可控范围内。

缺点是一个庞大牵引网系统每天会有许多个区段停电检修，会造成牵引网分裂为许多个单独供电糸统(全国可能分裂成数百个)。停电两三个小时后又要快速并联联网，虽然各系统都是由计算机精确控制网压、频率和相位，两三小时后的累计误差也会造成并网困难，特别是相位差(角差)。因为碳化硅固态变压器并网时不会像现有的两交流系统并网，只要相位、电压和频率误差不大，给系统造成的涌流允许，就可以并网，两系统会自动同步。如频率差，一个系统49.5HZ，另一个50.5HZ，一并网后，频率高的系统负荷增加，发电机转速自动变低，频率低的负荷减少发电机转速自动增加，系统很快调整到发电系统与负荷适应的频率(如50HZ)且相位同步。

而碳化硅固态变压器分裂为多个糸统后，它的频率和相位都是由计算机固定的，特别是每个糸统有多个所并联，上百个分裂糸统要快速联网就很困难(主要是相位差)。

如果某处联网不上，机车过该分相(分段)时还要断主断路器和禁双弓。

为了适应牵引网经常停电和快速并网的要求，最好像北京时间一样，全国统一标准正弦波零度脉冲时间，像GPS受时一样发送至各牵引变电所，各牵引变电所随时根据零度脉冲信号校正正弦波相位，即使在分裂情况下，各个系统都可以保证相位相同(电压和频率各所均可精确控制在0.1%的误差以下，并网时只是负荷在各系统中再分配)。这样就可像中压直流供电一样快速联网。

2、碳化硅固态变压器中压直流供电的优点是供电距离更远，两变电所间距可达300公里以上，可直接快速并网，对沿线通讯干扰小(国外己在研究25kV直流供电牵引设备)。另外碳化硅固态变压器要少最后一节的直流变交流(DC/AC)，变压器更简单，可靠性和效率更高。缺点是杂散地回流对沿路金属管线的电蚀影响，牵引回流只能经钢轨返回牵引变电所，牵引轨对地要绝缘。牵引供电臂太长或牵引电流太大，钢轨对地电位过高时，还要增加回流输电线来降低钢轨对地电位。

总的来说，中压直流优于单相交流同相供电。

2026年10月24日于绵阳