交直流機(jī)車混跑牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量治理方案

呂順凱

摘? 要：目前，我國電氣化鐵路正處于交流傳動機(jī)車與直流傳動機(jī)車長期共存的新階段。牽引供電系統(tǒng)現(xiàn)有電能質(zhì)量治理裝置已不能滿足交直流機(jī)車混合運行的需求，寬頻譜諧波、車網(wǎng)諧振、電壓擾動、變壓器過載等一系列新問題嚴(yán)重影響了牽引供電系統(tǒng)的可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性?；诠境袚?dān)的國家重點研發(fā)計劃項目以及在鐵路牽引供電系統(tǒng)和交直流機(jī)車控制領(lǐng)域的技術(shù)優(yōu)勢，通過現(xiàn)場測試、數(shù)據(jù)分析、方案比選、仿真研究，文章提出了一種由鐵路功率調(diào)節(jié)器和高通濾波器構(gòu)成的新型牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量治理方案，并進(jìn)行了工程實施驗證?，F(xiàn)場運行情況證明，新型方案可同時實現(xiàn)負(fù)序治理、網(wǎng)壓穩(wěn)定、功率因數(shù)提升、寬頻諧波抑制等功能，全面解決了牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量問題，有效保證了混跑新局面下牽引供電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行。

關(guān)鍵詞：牽引供電系統(tǒng);電能質(zhì)量;治理方案;交直流機(jī)車;負(fù)序;諧波

中圖分類號：U223.5+2? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）10-0001-06

Abstract： At present， China's electrified railway is in the new stage of long-term coexistence of AC drive locomotives and DC drive locomotives. The existing power quality control devices of traction power supply system cant meet the needs of hybrid operation of AC and DC locomotives. A series of new problems such as wide spectrum harmonics， locomotive-catenary resonance， voltage disturbance and transformer overload seriously affect the reliability， availability， maintainability and security of traction power supply system. Based on the national key R&D project undertaken by our company and the technical advantages in the field of railway traction power supply system and locomotive control， through field test， data analysis， scheme comparison and simulation research， this paper proposes a new power quality control scheme that composed of railway power conditioner and high-pass filter and its effectiveness has been verified by engineering implementation. The field operation results prove that the new scheme can realize the functions of negative sequence control， voltage stability， power factor improvement and harmonic suppression at the same time， which fully solves the power quality problem of the traction power supply system and effectively ensures the safe and stable operation of traction power supply system under the new situation of mixed running.

Keywords： traction power supply system; power quality; control method; AC and DC locomotive; negative sequence; harmonic

引言

隨著我國電氣化鐵路的快速發(fā)展以及機(jī)車電傳動技術(shù)的更新?lián)Q代，出現(xiàn)了直流傳動機(jī)車與交流傳動機(jī)車共存，在同一條運行線路、同一個牽引變電所供電區(qū)段混跑的新局面。由于直流傳動機(jī)車與交流傳動機(jī)車的特性差異，牽引供電系統(tǒng)現(xiàn)有電能質(zhì)量治理裝置已不能滿足混合運行的需求，寬頻譜諧波、車網(wǎng)諧振、電壓擾動、變壓器過載等一系列新問題嚴(yán)重影響了牽引供電系統(tǒng)的可靠性、可用性、可維護(hù)性和安全性，同時又通過牽引供電系統(tǒng)，影響到機(jī)車自身的安全運行。目前，對于各種直流傳動機(jī)車和交流傳動機(jī)車單獨運行的功率需求、功率因數(shù)控制、諧波頻譜分布等電氣負(fù)荷特性以及相應(yīng)的治理措施，已有較為深入的研究和應(yīng)用，但對于同一牽引供電系統(tǒng)，交直流機(jī)車混跑運行方式下，如何綜合治理電能質(zhì)量新問題，保障牽引供電系統(tǒng)安全、可靠，還需各方科研人員共同努力，全面分析和深入研究。

基于公司承擔(dān)的國家重點研發(fā)計劃項目《高性能牽引供電系統(tǒng)技術(shù)》，以及在鐵路牽引供電系統(tǒng)和交直流機(jī)車控制領(lǐng)域的傳統(tǒng)技術(shù)優(yōu)勢，通過直流傳動機(jī)車與交流傳動機(jī)車特性分析和混跑運行對牽引供電系統(tǒng)的影響研究，項目組設(shè)計了一種由鐵路功率調(diào)節(jié)器（railway power conditioner，簡稱RPC）和高通濾波器（high pass filter，簡稱HPF）構(gòu)成的新型牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量治理方案，并進(jìn)行了工程實施驗證?，F(xiàn)場測試情況證明，該方案切實可行，RPC和HPF的有機(jī)結(jié)合取得了1+1>2的良好效果，可同時實現(xiàn)負(fù)序治理、網(wǎng)壓穩(wěn)定、功率因數(shù)提升、寬頻諧波抑制等功能，能夠全面解決電能質(zhì)量問題，有效保證了混跑新局面下牽引供電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行。

1 電力機(jī)車特性分析

交流牽引供電的電力機(jī)車按照主電路型式不同，分為直流傳動電力機(jī)車和交流傳動電力機(jī)車。直流傳動電力機(jī)車主要包含8K、韶山（SS）系列等，目前SS4、SS7、SS8、SS9等依舊在國內(nèi)各線路擔(dān)當(dāng)貨運和客運列車牽引任務(wù)。交流機(jī)車主要包括和諧（HX）系列、中國高速動車組（CRH）系列、中國標(biāo)準(zhǔn)動車組（CR）系列等，根據(jù)不同的型號，和諧系列又可分為貨運和客運機(jī)車;中國高速動車組（CRH）系列、中國標(biāo)準(zhǔn)動車組（CR）系列主要用于客運。

1.1 直流傳動機(jī)車

直流傳動機(jī)車采用交-直型電路結(jié)構(gòu)，傳動系統(tǒng)一般采用晶閘管整流電路為直流電動機(jī)供電，通過晶閘管的導(dǎo)通角控制機(jī)車的出力。相控整流導(dǎo)致機(jī)車的功率因數(shù)較低，通常在0.7～0.85左右，需要從牽引供電系統(tǒng)獲取較大的無功功率[1]。

直流機(jī)車電動機(jī)的控制方式，根據(jù)車型不同，呈多樣化，但特征諧波電流基本一致，奇次諧波含量較高，以3、5、7次諧波為主，且諧波幅值隨著諧波次數(shù)的增加遞減，總諧波含量較高。SS3、SS6B、SS9典型諧波電流含量數(shù)據(jù)整理如表1。

1.2 交流傳動機(jī)車

交流傳動機(jī)車采用交-直-交型主電路結(jié)構(gòu)，主要由車載變壓器、整流器、中間直流環(huán)節(jié)、輔助回路、牽引逆變器、三相異步交流電機(jī)等組成。整流器和逆變器均采用四象限變流及PWM技術(shù)，所以也被稱為四象限變流器或PWM變流器，變流器能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動并保證網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)近似為1。交流機(jī)車整體的功率因數(shù)通常在0.98以上，對外部的無功功率需求較小，但單機(jī)有功功率需求大[2]。

設(shè)四象限變流器的開關(guān)頻率為f，采用單極性調(diào)制策略，則從變流器交流側(cè)輸入電流（牽引網(wǎng)電流）諧波特性分析來看，等效開關(guān)頻率為2倍的f。由于機(jī)車單機(jī)容量較大，無法采用單個四象限變流器實現(xiàn)該容量等級的能量變換，通常采用基于機(jī)車變壓器的多重化策略，一方面實現(xiàn)容量拓展;另一方面還實現(xiàn)諧波優(yōu)化。若機(jī)車采用n重四象限變流器，則等效開關(guān)頻率為2nf，低次諧波基本被抵消，從而實現(xiàn)諧波優(yōu)化。交流傳動電力機(jī)車上線運行后，牽引網(wǎng)電流中的3、5、7次等低次諧波含量較直流傳動機(jī)車顯著減少，主要諧波邊帶集中在2nf±1、2nf±3等區(qū)段，諧波含量較低，但諧波頻譜變寬?，F(xiàn)場測試數(shù)據(jù)分析可見，諧波主要集中在31～43次等高頻帶區(qū)域，通常在1～10kHz范圍都存在可測諧波電流。

2 機(jī)車混跑對牽引供電系統(tǒng)的影響

電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)為27.5kV單相供電方式，牽引變電所將公共電網(wǎng)的三相電源轉(zhuǎn)換成27.5kV的單相交流電供給牽引供電網(wǎng)[3]。隨著我國電氣化鐵路的快速發(fā)展，采用單相供電制的牽引供電系統(tǒng)帶來的電能質(zhì)量問題日益嚴(yán)重。交流機(jī)車和直流機(jī)車混合運行時，由于交流機(jī)車的大功率需求、直流電力機(jī)車的非線性特性、交直流的機(jī)車功率差異，以及機(jī)車在單側(cè)供電區(qū)段運行位置的隨機(jī)性等因素疊加，出現(xiàn)了更加嚴(yán)重的負(fù)序、諧波、電壓波動和閃變、牽引變壓器單邊過載等電能質(zhì)量問題。

3 電能質(zhì)量綜合治理方案

對于非混跑模式下電氣化鐵路的電能質(zhì)量問題， 國內(nèi)外學(xué)者此前已進(jìn)行了大量研究工作[4]，設(shè)計了多種的電能治理方法及裝置被用以消除電氣化鐵路供電系統(tǒng)中的負(fù)序分量及諧波。為抑制負(fù)序，平衡電力系統(tǒng)的A、B、C三相電流，牽引變電所接入電源相序采用輪流轉(zhuǎn)換方式，相序輪換接入可以一定程度的抑制負(fù)序，但依賴于機(jī)車運營狀態(tài)等因素，無法完全消除。靜止無功補(bǔ)償裝置（static var compensator， 簡稱SVC）造價低、可靠性較好，可以補(bǔ)償無功功率，也可以補(bǔ)償負(fù)序，但由于無法實現(xiàn)兩供電臂之間的有功轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，負(fù)序補(bǔ)償效果不理想[5]。靜止無功發(fā)生器（static var generator， 簡稱SVG）能夠動態(tài)調(diào)節(jié)補(bǔ)償功率因數(shù)，一定程度消除諧波，但不能實現(xiàn)有功融通[6]。有源濾波器（active power filter， 簡稱APF）可以抑制電氣化鐵路低次諧波，但不能有效補(bǔ)償負(fù)序。高通濾波器（high pass filter，簡稱HPF）可以濾除高次諧波，并提供一定的無功功率，不具備負(fù)序補(bǔ)償能力[7]。鐵路功率調(diào)節(jié)器（railway static power conditioner，簡稱RPC）能夠通過有功融通補(bǔ)償負(fù)序，并具備低次諧波抑制功能，已經(jīng)在國內(nèi)外有所應(yīng)用[8-9]。

通過對交直流機(jī)車混跑線路現(xiàn)場調(diào)研、測試、分析，項目組設(shè)計了一種由鐵路功率調(diào)節(jié)器和高通濾波器構(gòu)成的新型牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量治理方案，可同時實現(xiàn)負(fù)序治理、網(wǎng)壓穩(wěn)定、功率因數(shù)提升、寬頻諧波抑制等功能，全面解決牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量問題。

3.1 鐵路功率調(diào)節(jié)器

以本項目實施牽引變電所的一次系統(tǒng)配置為基礎(chǔ)，說明鐵路功率調(diào)節(jié)器的工作原理。牽引供電系統(tǒng)采用直供方式，牽引主變?yōu)榻Y(jié)構(gòu)簡單、容量利用率高三相V/v牽引變壓器。為簡化計算過程，以交流電力機(jī)車負(fù)載模型分析如下。

3.2 高通濾波器

本項目采用二階濾波器來濾除交流機(jī)車等造成的高次諧波，左右兩個供電臂各掛一條HPF支路。HPF由電抗器L、電阻器R和濾波電容器C串并聯(lián)構(gòu)成，除濾波作用外，還具有無功補(bǔ)償?shù)淖饔?，工作原理分析如下?/p>

根據(jù)主電路結(jié)構(gòu)方式，二階濾波器的阻抗可表示為：

3.3 RPC與HPF的分工配合

為實現(xiàn)牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量問題的全面治理，需要做好鐵路功率調(diào)節(jié)器與高通濾波器的分工設(shè)計。經(jīng)現(xiàn)場測試、數(shù)據(jù)分析、仿真計算，最優(yōu)應(yīng)用方案配置如下：

（1）鐵路功率調(diào)節(jié)器為核心裝置，采集牽引系統(tǒng)各母線電壓、母線電流、HPF支路的電流進(jìn)行有功和無功計算，動態(tài)控制雙邊有功融通功率和無功功率輸出，完成負(fù)序治理、網(wǎng)壓穩(wěn)定、動態(tài)無功補(bǔ)償、13次以下諧波抑制等功能。

（2）高通濾波器完成固定無功補(bǔ)償、13次及以上高次諧波的濾除等功能。

4 工程應(yīng)用效果

設(shè)備安裝投運之后，對裝置的電能質(zhì)量改善能力進(jìn)行了多輪長期對比測試，測試結(jié)果表明：裝置顯著改善牽引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，投運之前，牽引供電系統(tǒng)平均功率因數(shù)為0.72，各次諧波超標(biāo)嚴(yán)重，三相電壓不平衡度和電壓畸變率均超過3.6%;投運之后，高壓側(cè)計量點處平均功率因數(shù)保持在0.99以上， 50次以內(nèi)諧波限值全部合格，三相電壓不平衡度和電壓畸變率均小于1%，遠(yuǎn)低于國標(biāo)2%的限值。裝置投入后，牽引供電系統(tǒng)高壓側(cè)110kV公共計量點處電壓不平衡率、電流不平衡率、功率因數(shù)等電能質(zhì)量技術(shù)參數(shù)現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)展示如圖11、圖12、圖13。

5 結(jié)束語

目前，我國電氣化鐵路正處于交流傳動機(jī)車與直流傳動機(jī)車長期共存的新階段。通過交流傳動機(jī)車和直流傳動機(jī)車工作原理及電氣負(fù)荷特性分析，基于現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)，本文對不同類型電力機(jī)車在同一個牽引變電所供電區(qū)段混跑導(dǎo)致的電能質(zhì)量問題，進(jìn)行了原因分析及可行性方案比選，設(shè)計了由鐵路功率調(diào)節(jié)器（RPC）和高通濾波器（HPF）構(gòu)成的新型牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量治理方案，并進(jìn)行了工程實施驗證?，F(xiàn)場測試證明，新型方案切實可行，RPC和HPF的合理分工、有機(jī)配合，可同時實現(xiàn)負(fù)序治理、網(wǎng)壓穩(wěn)定、功率因數(shù)提升、寬頻諧波抑制、車網(wǎng)諧振抑制等功能，全面解決了牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量問題，有效保證了混跑新局面下牽引供電系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行。今后，項目組將對本方案的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)進(jìn)一步優(yōu)化，構(gòu)建全功率等級裝置譜系，滿足鐵路干線、支線等多樣性應(yīng)用需求。

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