電氣化鐵路電能質(zhì)量問題及其綜合治理

清華大學(xué)電機(jī)工程與應(yīng)用電子技術(shù)系柔性輸配電研究所 劉誠(chéng)哲 姜齊榮 魏應(yīng)冬

1 電氣化鐵路在交通運(yùn)輸中居重要地位

我國(guó)高速發(fā)展的國(guó)民經(jīng)濟(jì)對(duì)我國(guó)鐵路運(yùn)輸能力提出了越來越高的要求。電力機(jī)車同蒸汽機(jī)車、內(nèi)燃機(jī)車相比，速度快、載重高、能源利用率高且環(huán)境友好[1]，因此電氣化鐵路在提高鐵路運(yùn)輸能力的同時(shí)有利于減少化石燃料的使用、降低運(yùn)營(yíng)成本，實(shí)現(xiàn)資源的合理分配和有效利用。目前，無論從政策還是已具備的條件來看，大力發(fā)展電氣化鐵路都是保障我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)高速、健康、可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

2005年底，我國(guó)共建成、開通43條電氣化鐵路，總里程達(dá)到20132公里，成為繼俄羅斯、德國(guó)之后，第三個(gè)電氣化鐵路總里程超過兩萬公里的國(guó)家。2006年10月31日，隨著浙贛線電氣化改造工程的開通，中國(guó)電氣化鐵路總里程已突破24000公里，成為繼俄羅斯之后世界第二大電氣化鐵路國(guó)家。2008年，我國(guó)鐵路電氣化率已經(jīng)達(dá)到27%，承擔(dān)著全路43%的貨運(yùn)量。根據(jù)我國(guó)《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，到2020年全國(guó)電氣化鐵路總里程要達(dá)到5萬公里，占全國(guó)鐵路運(yùn)營(yíng)總里程的一半，承擔(dān)的鐵路運(yùn)量比重將超過80%。

可以預(yù)見，我國(guó)的電氣化鐵路必將步入一個(gè)高速發(fā)展的時(shí)期。在不久的將來，電氣化鐵路必將在我國(guó)交通運(yùn)輸中居重要地位。

2 電氣化鐵路的電能質(zhì)量問題及其危害

電氣化鐵路網(wǎng)中運(yùn)行的電力機(jī)車作為一類特殊的電力負(fù)荷，存在多種電能質(zhì)量問題，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和其他電力系統(tǒng)用戶的正常用電造成了不可忽視的危害。

2.1 波動(dòng)性、沖擊性強(qiáng)

國(guó)內(nèi)多種參考資料以及國(guó)外有關(guān)文獻(xiàn)顯示，電氣化鐵路的負(fù)荷與線路情況、機(jī)車類型及操縱、機(jī)車速度、牽引重量、運(yùn)行圖等多種因素有關(guān)，使其牽引負(fù)荷在時(shí)間和空間上的分布極其不均勻，具有很強(qiáng)的波動(dòng)性，給電氣化鐵路電能質(zhì)量綜合治理帶來很大難度。

目前，我國(guó)電氣化鐵路牽引變電站的最大容量達(dá)到80MVA，高速客運(yùn)專線牽引變電站遠(yuǎn)期規(guī)劃容量達(dá)120MVA，且電氣化鐵路建設(shè)時(shí)考慮多達(dá)100%的過載容量，因此峰值負(fù)荷可達(dá)160-240MVA[2]。在電網(wǎng)較薄弱的地區(qū)，如此大的集中負(fù)荷將對(duì)當(dāng)?shù)毓╇娤到y(tǒng)造成巨大沖擊，從而引發(fā)電壓波動(dòng)和閃變等問題

2.2 三相嚴(yán)重不平衡

電力機(jī)車是單相負(fù)荷，接入三相對(duì)稱的電網(wǎng)中時(shí)將在牽引變壓器系統(tǒng)側(cè)產(chǎn)生幅值較大的負(fù)序電流。該負(fù)序電流的大小與牽引變壓器的連接方式及牽引負(fù)荷的大小有關(guān)。牽引變電站采用單相接線變壓器時(shí)，其牽引負(fù)荷在電力系統(tǒng)中引起的負(fù)序電流與正序電流相等，且等于牽引負(fù)荷電流的0.144倍；若牽引變電站采用單相V/V接線變壓器，當(dāng)兩個(gè)方向的牽引負(fù)荷相等時(shí)，其牽引負(fù)荷在電力系統(tǒng)中引起的負(fù)序電流為正序電流的一半，當(dāng)兩側(cè)牽引負(fù)荷不相等時(shí)，負(fù)序電流與兩側(cè)負(fù)荷電流之差的絕對(duì)值成正比；若牽引變電站采用三相Δ/Y接線變壓器，其牽引負(fù)荷在電力系統(tǒng)中引起的負(fù)序電流為正序電流的一半[3]。

如此嚴(yán)重的負(fù)序電流將在旋轉(zhuǎn)電機(jī)中產(chǎn)生負(fù)序磁場(chǎng)，使發(fā)電機(jī)中產(chǎn)生負(fù)序同步轉(zhuǎn)矩，導(dǎo)致附加震動(dòng)；使電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，影響出力。三相不對(duì)稱負(fù)荷將造成電力變壓器容量利用率下降，同時(shí)增加變壓器能量損耗和鐵芯磁路的發(fā)熱。除此之外，負(fù)序電流干擾繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的負(fù)序參量啟動(dòng)原件，使它們頻繁失誤。

2.3 功率因數(shù)低下

電力機(jī)車在不同工況下，牽引負(fù)荷電流相位角（相對(duì)于牽引網(wǎng)電壓）的變化幅度較大導(dǎo)致平均功率因數(shù)偏低。當(dāng)機(jī)車處于再生制動(dòng)工況時(shí)，機(jī)車電流反饋牽引網(wǎng)，電流相位角為滯后120°～130°；機(jī)車過電分相產(chǎn)生激磁涌流，可視為純感性電流，相位角接近滯后90°；機(jī)車處于其他工況時(shí)，相位角為35°～37°(功率因數(shù)為0.82-0.8)；而在牽引網(wǎng)短路故障時(shí)，故障電流相位角為滯后65°～70°。

因此，電力機(jī)車將向電網(wǎng)注入大量的無功電流，降低發(fā)電裝置的效率以及輸電設(shè)備的輸送能力，增加線損，引起牽引供電臂電壓下降，威脅電氣化鐵路的行車安全[4]。

2.4 諧波含量高

我國(guó)電氣化鐵路大量采用交-直-交或交-直型電力機(jī)車，其功率輸入側(cè)采用相控整流技術(shù)將向牽引供電網(wǎng)注入大量的諧波電流，使電氣元件產(chǎn)生附加損耗，影響電氣設(shè)備的正常工作，造成諧波過流，甚至引起繼電保護(hù)裝置的誤動(dòng)，導(dǎo)致設(shè)備損壞、大面積停電等惡性事故。

3 電氣化鐵路電能質(zhì)量的綜合治理

電氣化鐵路存在的種種電能質(zhì)量問題與其牽引供電系統(tǒng)的特性密切相關(guān)，因此針對(duì)牽引供電系統(tǒng)自身的治理方案在理論上具有可行性；同時(shí)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大容量FACTS（Flexible AC Transmission System）裝置以其優(yōu)越的性能備受矚目，因此針對(duì)電氣化鐵路電能質(zhì)量問題的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方案近年來受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

3.1 針對(duì)牽引供電系統(tǒng)的治理方案

電氣化鐵路牽引供電網(wǎng)在電氣上可以分為三個(gè)部分，即：電力供電系統(tǒng)，通常為220kV或110kV三相工頻交流電網(wǎng)；牽引變壓器及接觸網(wǎng)，按我國(guó)電氣化鐵路現(xiàn)有供電制式，牽引變壓器牽引側(cè)二端口分別引出一27.5kV的單相工頻交流供電臂做為接觸網(wǎng)的主干；牽引負(fù)荷，即電力機(jī)車。針對(duì)牽引供電系統(tǒng)的電氣化鐵路電能質(zhì)量治理方案亦可從上述三個(gè)部分加以概括。

提高牽引變電站接入的電力供電系統(tǒng)的短路容量，可以縮短接入點(diǎn)與電源之間的電氣距離，從而增強(qiáng)電力供電系統(tǒng)抵御電氣化鐵路電能質(zhì)量問題的能力，降低牽引負(fù)荷注入電力系統(tǒng)的負(fù)序、無功、諧波電流對(duì)電力系統(tǒng)的影響。但該方案實(shí)現(xiàn)難度高、工程規(guī)模和耗資巨大，且受電力系統(tǒng)接線方式等因素影響，短路容量不可能無限制提高，治理效果有限。考慮該方案本質(zhì)上并未減少牽引負(fù)荷電流有害成分的注入，因此這種治標(biāo)而不治本的方式并不可取。

某些牽引變電站采用阻抗匹配平衡變壓器、斯科特變壓器等特種平衡變壓器。這類變壓器憑借自身特殊的接線方式及變比設(shè)置，在一定負(fù)荷條件下可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)側(cè)三相電流完全對(duì)稱，達(dá)成牽引供電系統(tǒng)負(fù)序電流治理的目的。但由于牽引負(fù)荷巨大的波動(dòng)性以及時(shí)間、空間分布的隨機(jī)性，平衡變壓器的平衡條件極難滿足，絕大多數(shù)情況為一供電臂有負(fù)荷而另一供電臂無負(fù)荷的極端不利狀況。在該情況下，平衡變壓器對(duì)于削弱注入電網(wǎng)的負(fù)序電流沒有任何作用。除此之外，部分線路將一定距離內(nèi)多個(gè)牽引變壓器的系統(tǒng)側(cè)輪換相序接入電力系統(tǒng)以謀求在較長(zhǎng)供電區(qū)段內(nèi)的三相平衡，該方案理論上有助于緩解三相不平衡問題，但實(shí)踐證明效果并不理想。同時(shí)，由于牽引變壓器系統(tǒng)側(cè)繞組換相接入，導(dǎo)致各牽引變電站供電臂電壓相位不一致，在不同區(qū)段之間再次增加了分段絕緣器，使?fàn)恳W(wǎng)的無電區(qū)域幾乎翻倍，降低了列車的通過能力，影響電氣化鐵路行車安全。

改傳統(tǒng)直流傳動(dòng)電力機(jī)車為新型交流傳動(dòng)電力機(jī)車是目前電力牽引技術(shù)研究的重要方向。功率輸入側(cè)采用四象限PWM整流技術(shù)的新型機(jī)車在負(fù)荷電流的諧波特性方面有著優(yōu)異的表現(xiàn)，車載無功補(bǔ)償裝置在一定程度上可以提高機(jī)車功率因數(shù)。但系統(tǒng)電流諧波含量仍受系統(tǒng)的諧波阻抗特性以及并聯(lián)的LC濾波支路影響，車載無功補(bǔ)償裝置在通常狀況下也不能滿足機(jī)車的無功需求，因此電氣化鐵路的無功和諧波問題仍然不可忽視[5][6]。

綜上所述，針對(duì)牽引供電系統(tǒng)自身特性而實(shí)施的電氣化鐵路電能質(zhì)量治理方案并不能得到理想的治理效果。

3.2 動(dòng)態(tài)補(bǔ)償方案

目前，以SVC和STATCOM為代表的兩類動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置已在日本、法國(guó)、英國(guó)、澳大利亞等國(guó)擁有大量工程應(yīng)用實(shí)例。

SVC裝置通過無源器件儲(chǔ)能的方式來實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償，它利用晶閘管實(shí)現(xiàn)了電感的連續(xù)可調(diào)，能快速、連續(xù)地對(duì)波動(dòng)性負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償，并利用無源濾波器濾除系統(tǒng)中的高次諧波。我國(guó)于2002年在神朔電氣化鐵路投運(yùn)了并聯(lián)于牽引變壓器系統(tǒng)側(cè)、采用三相Δ接法的SVC裝置。該裝置基于電納補(bǔ)償原理，可有效改善系統(tǒng)三相不平衡狀況及功率因數(shù)。

STATCOM裝置由大功率自關(guān)斷電力電子器件構(gòu)成，基本原理是將變流器通過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)調(diào)節(jié)其交流側(cè)輸出電壓的相位與幅值，或直接控制其交流側(cè)電流實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償目標(biāo)。與SVC相比，STATCOM具有響應(yīng)速度高、運(yùn)行范圍大、負(fù)荷適應(yīng)性好、工作效率高、諧波含量低、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)。由于STATCOM具有雙向無功補(bǔ)償及相間有功轉(zhuǎn)移能力，其對(duì)負(fù)序電流和無功電流的補(bǔ)償效果更顯著，更適合用于電氣化鐵路電能質(zhì)量綜合治理領(lǐng)域。

將大容量STATCOM用于電氣化鐵路電能質(zhì)量綜合治理的設(shè)想最早由日本學(xué)者于1993年提出，并將該裝置命名為“商用鐵道功率調(diào)節(jié)器”（Railway Static Power Conditioner，RPC）。在文獻(xiàn)[8]、[9]中，日本學(xué)者通過對(duì)RPC裝置的仿真計(jì)算及1/100容量樣機(jī)試驗(yàn)，于2002年研制成功20MVA/60kV的商用RPC，并于日本新干線新沼宮內(nèi)站與新八戶站投入運(yùn)行。澳大利亞學(xué)者在文獻(xiàn)[10]中將RPC推廣到一般的 /Y Δ連接變壓器，分析了裝置運(yùn)行的原理及實(shí)現(xiàn)方式，并給出了基于DQ軸的控制框圖。

中國(guó)學(xué)者在RPC技術(shù)的引進(jìn)以及RPC裝置在國(guó)內(nèi)電氣化鐵路系統(tǒng)的應(yīng)用方面進(jìn)行了大量的研究，文獻(xiàn)[11]-[15] 詳細(xì)分析了牽引變壓器為Scott連接、阻抗匹配連接、Vv連接以及Vx連接等連接方式時(shí)BCD裝置（國(guó)內(nèi)對(duì)于RPC裝置的命名）的補(bǔ)償方式及控制策略。

目前，國(guó)內(nèi)首臺(tái)基于STATCOM的電氣化鐵路綜合補(bǔ)償裝置已于京滬電氣化鐵路南翔牽引變電站投入運(yùn)行。南翔牽引變電站主接線如圖3.1所示。

該站采用阻抗匹配平衡變壓器作為牽引變壓器，共用直流環(huán)節(jié)的兩相STATCOM并聯(lián)于牽引變壓器牽引側(cè)兩端口，補(bǔ)償兩供電臂牽引負(fù)荷產(chǎn)生的無功和諧波電流并平衡兩相有功、抑制負(fù)序電流。根據(jù)南翔牽引變電站的系統(tǒng)參數(shù)，基于PSCAD/EMTDC軟件搭建牽引供電系統(tǒng)及補(bǔ)償裝置的電磁仿真模型，采用文獻(xiàn)[16]提出的無功、負(fù)序最優(yōu)控制策略，在實(shí)測(cè)最極端負(fù)荷工況下進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3.1、圖3.2所示。

表3.1 補(bǔ)償前后各電能質(zhì)量考核標(biāo)準(zhǔn)

上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，補(bǔ)償裝置投入運(yùn)行后，各電能質(zhì)量考核指標(biāo)大幅改善，補(bǔ)償效果良好。由此可見，基于STATCOM的牽引變電站綜合補(bǔ)償技術(shù)是解決電氣化鐵路電能質(zhì)量問題的理想途徑。

4 結(jié)語

現(xiàn)代工業(yè)中大量應(yīng)用的精密儀器和自動(dòng)化設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量提出了越來越高的要求，電氣化鐵路存在的種種電能質(zhì)量問題已經(jīng)受到供電部門和鐵路部門的共同關(guān)注。南翔牽引變電站綜合補(bǔ)償裝置的投運(yùn)，標(biāo)志我國(guó)基于STATCOM的電氣化鐵路動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置已經(jīng)由實(shí)驗(yàn)研究過渡到工程實(shí)用階段。制定一種科學(xué)、有效、經(jīng)濟(jì)、符合我國(guó)電氣化鐵路發(fā)展需要的綜合補(bǔ)償方案必將成為電氣化鐵路配套技術(shù)研究中的熱門課題。

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