问题描述
中国高铁在近些年来发展十分迅速，到2021年底，我国高铁营业里程达4万公里，稳居世界第一。然而，在高铁迅猛发展的同时，高铁牵引供电系统过分相问题、接入电网带来的谐波和负序电流等电能质量问题也愈发严重。将目前的单相交流供电系统改为直流供电系统是解决这些问题的一个有效手段。大功率可关断器件和超高压直流输电的不断发展也为高铁直流供电系统提供了有力的技术支持。本问题分析了高铁直流供电系统的基本结构，指出了其与传统的单相交流供电模式相比所具有的优势。
问题背景
近些年来，中国高铁发展十分迅速，到2021年底，中国的铁路运行里程达到15万公里，高铁运行里程更是达到4万公里，位居全球第一。在电气化铁路的建设中，牵引供电系统发挥着十分重要的作用。我国目前采用的是单相交流供电系统主要由牵引变电站、架空接触网、回流线等组成。在该种模式中列车在每个供电区间只使用三相大电网中的一相或两相，为了尽可能地维持电力系统中三相功率的平衡，牵引变电站会采用三相进线换相连接的方式，平均每间隔数十千米就要有一所变电站，为列车提供不同相位的单相交流电。
这种供电方式存在很多常见性问题，主要有：1)三相功率不平衡。牵引负荷为变化频繁的单相交流负荷，造成三相功率严重不平衡，并在电力系统中产生负序电流。负序电流分量给区域电网内的电动机增加震动和产热，影响设备安全稳定运行。2)电流谐波因数高。牵引供电网络向电网注入的电流有较大的畸变，谐波分量会增加系统损耗，影响设备寿命与电网供电质量。 3）无功分量高。牵引供电在系统中存在很多感性负荷，会在电网中产生较高的无功功率，使系统功率因数降低，产生不必要的损耗。4)过分相问题。平均每数十千米就会有一个分相区，每段分相区在几百米左右，在分相区列车没有电力供应，全靠惯性划过，这对列车的稳定运行以及进一步提速产生十分不利的影响。这些问题不仅对电网电力系统的稳定运行产生了很大的威胁，也严重阻碍了高速，重载列车进一步发展。为解决单相交流供电模式存在的这些问题，相关研究人员进行了长期的研究。目前已经取得一些实质性进展的解决方案是同相供电，同相供电主要有两种思路，一种是为现有的单相交流供电系统接入补偿装置，将两相换相供电变成单相供电的方式，使得整个线路能保持同一个相位，为了防止多个系统之间的构成环路，保证安全，会使用分段绝缘器进行隔开,没能实现真正的全线贯通。另一种将电网中的三相电整流成直流然后逆变为单相交流进行传输，虽实现了全线贯通，但又存在设备复杂，滤波装置大，直流侧需要大电容，系统容量较小等问题。另一种解决方案是直流供电，直流供电的方案在城市电车和地铁等低压供电系统中应用较广。早在上世纪80年代，就已经有将直流供电应用在高铁系统的设想，但受限于当时的电力电子技术水平的发展，并没能进入到实质性的研究。近年来，大功率可关断器件、超高压直流输电、模块化整流逆变技术等的深入发展，为高铁直流供电系统提供了有力的技术支持，相关的研究也逐渐增多。最新进展（截止问题发布年度）
目前高铁直流供电系统的相关研究基本都是基于理论方面。2014年西班牙科学家Antonio Gómez-Expósito等提出了一种新的铁路电气化方案系统，使电压源变换器(VSC)成为基本构建块，将现有铁路线路转换成更简单的中压直流(MVDC)多端子供电系统。并利用实际线路参数对直流供电系统与传统单相交流系统的性能做了一个对比，说明了直流供电系统的优越性。2017年D. Serra--no-Jiménez 等提出了一种高铁直流直流供电系统和传统单相交流供电系统的建模方法，并依靠提出的建模方法对马德里到巴伦西亚一段铁路进行仿真。同样验证了高铁直流系统的优越性能。
2019年国内朱晓娟、何正友等针对所提出的高铁直流供电系统模型，采用阻抗匹配法对分析了系统的稳定性，并提出了改善稳定性的一些方法。但论文中车载直流降压部分采用了串联的Buck电路，高压低压之间没有进行电气上的隔离，存在一定的缺陷。清华大学李永东教授团队近年来分析了高铁直流供电系统的特点，并做了初步的研究工作。1）针对高铁直流供电系统的各部分结构，进行了仿真建模，并借助小信号模型方法对系统的稳定性做了分析。2）建立了牵引变电站输出阻抗小信号模型，并基于仿真验证了模型的正确性；3）建立车辆负载变换器输入阻抗小信号模型，并基于仿真验证模型的正确性；考虑线路参数，分析牵引供电系统的稳定性；提出一些增高铁直流供电系统稳定性的方法，并基于仿真进行验证。未来面临的关键难点与挑战有：高铁直流供电该系统具有许多优点是毋庸置疑的，相对于传统的交流供电系统，主要的挑战有：1）对直流电力电子变压器，直流保护的要求比较高。但随着大规模直流断路器，多级模块串并联的电力电子变压器的发展，相关问题可以得到很好的解决。2）采用直流进行供电时可能会在牵引变电站之间产生环流，对于实际工程中常用的多电平换流站，抑制环流问题也有许多学者进行了研究。此外对现有线路和机车进行改造可能成本比较高，但可以从新修的线路进行试行，进而避免这个问题。重要意义
综合来看高铁直流供电系统还是具有较好的发展前景。本问题取得突破后，可能产生的重大科技、经济和社会效益如下：
1.精简设备，提高容量，降低投资成本。高铁机车结构更加简单，相较于传统的单相交流供电，直流供电系统将车载部分的整流器放到了牵引变电站处，减少了车载装置。与同相供电相比，直流供电系统减少了牵引变电站的逆变装置与车载整流装置。并且由于采用直流输电，提升了线路容量，对于同样的峰值电压电流来说，采用直流供电可以增加约40%的功率容量。采用直流输电，线路压降更小，还可以使得变电站之间的距离更远，减少了变电站数量。因此从装置的复杂度与投资成本上来看，直流供电系统都是比较有优势的。2.平衡三相功率，提高功率因数，减小电磁干扰。直流供电系统中将三相交流电整流成直流，使三相功率基本平衡，并且由于是直流进行传输，也减少了无功功率的产生。对于变压器等设备产生的无功功率也可以在换流站进行补偿，不需要额外的设备，就可以达到提高功率因数的目的。与交流供电相比，直流供电系统产生的电磁干扰较小，对铁路周围的影响也比较小。3.无过分相区，提高系统稳定性。采用单相交流供电时，相邻的供电单元存在120度的相位差，因此要在变电站之间设置分相区，而直流供电不存在这个问题，可以用一条传输线为整段铁路进行供电。并且对于单相交流供电来说，当其中的一个变电站出现问题时，会使得列车无法运行，而在直流供电模式下，列车的运行并不会受到很大的影响，直流供电提升了系统的稳定性。4.便于接入分布式能源和易于能量回收。采用直流供电便于接入沿线的太阳能、风能等可再生能源，并且直流供电不用考虑相位问题，并网要比交流并网更加容易实现，稳定性提高，也便于模块之间的连接。对于列车在刹车和下坡等阶段，采用直流供电可以进行相应的能量回收，提高能量利用效率。
