電氣化鐵路供電系統(tǒng)電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償技術(shù)研究

楊俊

【摘 ?要】電氣化鐵路是經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的大動(dòng)脈，機(jī)車牽引供電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定性關(guān)系著電氣化鐵路的正常運(yùn)營(yíng)。由于電力機(jī)車采取單相和整流方式供電，電力機(jī)車負(fù)荷產(chǎn)生的負(fù)序、諧波和無(wú)功等電能質(zhì)量問題，嚴(yán)重威脅著電氣化鐵路牽引供電網(wǎng)和上級(jí)電力系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。因此，必須采取有效的電氣化鐵路電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償措施，提高牽引供電網(wǎng)供電的安全可靠性。

【關(guān)鍵詞】牽引供電;電能質(zhì)量;補(bǔ)償技術(shù)

電氣化鐵路帶動(dòng)了經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，其運(yùn)行質(zhì)量在很大程度上受到供電系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定性影響。電力機(jī)車的供電方式為單相和整流式，在供電過程中出現(xiàn)的諧波、負(fù)序以及無(wú)功率等問題對(duì)電能的質(zhì)量帶來(lái)很大的影響，進(jìn)而影響到供電系統(tǒng)以及上級(jí)供電網(wǎng)的穩(wěn)定、安全運(yùn)行。因此，做好電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償措施，增強(qiáng)供電網(wǎng)供電可靠性，具有十分重要的意義。

一、慨述

電力牽引機(jī)車主要有直流和交流兩種，直流傳動(dòng)機(jī)車使用晶閘管整流電路實(shí)現(xiàn)控制，功率因數(shù)較低，諧波含量較大，而交流傳動(dòng)機(jī)車使用全控型功開關(guān)器件脈寬調(diào)制技術(shù)進(jìn)行控制，功率因數(shù)得到提高，降低了電力機(jī)車低次特征諧波電流。對(duì)于直流牽引機(jī)車，使用晶閘控制方式，機(jī)車負(fù)載會(huì)導(dǎo)致大量諧波電流，總電流畸變?yōu)V波高達(dá)20%，功率因數(shù)僅為0.8，并且受單向負(fù)荷供電顯示，三相側(cè)會(huì)產(chǎn)生負(fù)序電流，在較高速度運(yùn)行時(shí)功率輸出受到限制，無(wú)法適應(yīng)高速、重載鐵路運(yùn)行要求，交流傳動(dòng)技術(shù)發(fā)展起來(lái)。高速交流鐵路機(jī)車使用自耦變壓器進(jìn)行供電，通常使用交直交四象限脈沖整流供電方式，降低了低次諧波含量，但是高頻諧波頻譜較寬，并且電力機(jī)車負(fù)荷沖擊性較高，會(huì)產(chǎn)生較大電壓波動(dòng)和閃變。高速鐵路電力機(jī)車功率較大，負(fù)序更加嚴(yán)重。

二、牽引供電系統(tǒng)存在的電能質(zhì)量問題

1、無(wú)功問題。傳統(tǒng)的相控型交直機(jī)車的功率因數(shù)較低，在過去相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)期內(nèi)，無(wú)功是電氣化鐵路解決的主要問題。隨著傳動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步，相控型機(jī)車逐漸被交直交型電力機(jī)車或動(dòng)車組所取代，其功率因數(shù)接近1。目前，幾乎所有的大功率機(jī)車和高速動(dòng)車組均采用了交直交的傳動(dòng)方式，可以預(yù)見，在較短的時(shí)期內(nèi)，無(wú)功問題將不再是電氣化鐵路解決的主要問題。

2、諧波問題。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，基于CTO、IGBT、IGCT等全控型器件的交直交變流器技術(shù)在電力機(jī)車和動(dòng)車組中得到廣泛應(yīng)用，使功率因數(shù)接近，低頻段的高次諧波得到顯著改善，但在更高頻率段的高次諧波反而增加。受交直交列車控制方式、開關(guān)器件的不同，其特征頻率亦不同。我國(guó)目前在線運(yùn)行的交直交型機(jī)車或動(dòng)車組種類多，今后亦不排除有其他型號(hào)的動(dòng)車組或機(jī)車上線運(yùn)行。高次諧波帶來(lái)的問題主要包括高次諧波共振引起的諧波電流放大、諧波電壓放大，由此導(dǎo)致電容器損壞、變壓器絕緣損壞、機(jī)車互感器、電容器損壞、諧波超標(biāo)等。不同型號(hào)的動(dòng)車組具有不同的高次諧波頻譜特性，供電系統(tǒng)本身具有一定的自振頻率，受供電臂長(zhǎng)度、越區(qū)供電方式、系統(tǒng)容量、系統(tǒng)運(yùn)行方式等多方面因素影響，牽引供電系統(tǒng)的自振頻率亦可發(fā)生變化。高速列車諧波頻譜的多樣化和牽引供電系統(tǒng)自振頻率變化導(dǎo)致高次諧波共振既具有必然性，又具有隨機(jī)性。由高次諧波引起的事故在鐵路局多次發(fā)生，隨著交直交車的大量普及，其影響范圍將遍及全路，高次諧波問題已成為影響牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行安全的重要因素。

3、負(fù)序問題。電氣化鐵路屬于單相負(fù)荷，反映至三相系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的負(fù)序電流，在三相系統(tǒng)的負(fù)序阻抗作用下，負(fù)序電流引起負(fù)序電壓，造成電壓不平衡，通常用電壓不平衡度來(lái)評(píng)價(jià)負(fù)序。電壓不平衡度的大小受單相負(fù)荷容量和系統(tǒng)短路容量?jī)煞矫嬗绊懀到y(tǒng)短路容量大的電網(wǎng)系統(tǒng)承受單相負(fù)荷的能力越強(qiáng)，引起的電不平衡度越小。而在一定的系統(tǒng)短路容量下，單相負(fù)荷容量越大，則引起的電壓不平衡度問題越突出。就負(fù)序問題而言，采用自建的單相電網(wǎng)，與三相系統(tǒng)相對(duì)獨(dú)立，因此其單相負(fù)荷不反映到三相系統(tǒng)中，避免了電氣化鐵路的負(fù)序問題。牽引供電系統(tǒng)接入高壓電網(wǎng)，系統(tǒng)短路容量大，由于強(qiáng)大的電網(wǎng)做支撐，鐵路的負(fù)序問題并不突出。在鐵路系統(tǒng)中，接入電壓等級(jí)低，如既有線接入的電壓等級(jí)為系統(tǒng)，系統(tǒng)容量較小，負(fù)序問題則較為突出。鐵路的負(fù)序問題在部分電網(wǎng)系統(tǒng)較薄弱的地區(qū)較明顯，隨著大功率機(jī)車、高速列車的普及，未來(lái)中國(guó)鐵路的負(fù)序問題將成為主要的電能質(zhì)量問題。

三、電氣化鐵路供電系統(tǒng)電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償技術(shù)

直流電機(jī)傳動(dòng)在國(guó)內(nèi)鐵路歷程中仍然占較大比重。直流傳動(dòng)電力機(jī)車使用整流方式為直流電機(jī)提供電源。為了進(jìn)一步降低有源裝置容量，可通過鐵路功率調(diào)節(jié)器和晶閘管控制電容器聯(lián)用進(jìn)行綜合補(bǔ)償，使用晶閘管控制器補(bǔ)償大部分無(wú)功功率，減少鐵路公路功率控制器負(fù)載。

1、基本結(jié)構(gòu)。為了降低鐵路功率控制器負(fù)載，降低成本，可使用有源鐵路功率控制器和兩套晶閘管控制器形成功率補(bǔ)償系統(tǒng)，功率控制器有直流電容兩變流器，變流器通過輸出電感單相降壓變壓器接通牽引網(wǎng)兩供電臂，供電臂下設(shè)置晶閘管控制電容器，和功率控制器并聯(lián)，接在降壓變?nèi)萜鞫蝹?cè)下。為了滿足鐵路供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的綜合補(bǔ)償，要求補(bǔ)償裝置要能夠?qū)晒╇姳垭娏C(jī)車產(chǎn)生的諧波進(jìn)行有效控制，同時(shí)還能夠有效補(bǔ)償電力機(jī)車負(fù)荷產(chǎn)生的無(wú)功功率，升高兩供電臂網(wǎng)側(cè)電流功率到1。同時(shí)還要通過有功轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移機(jī)車重載側(cè)供電臂有功功率負(fù)荷到輕載側(cè)，平衡兩供電臂有功功率。使用功率控制器和晶閘管控制電容器組成的補(bǔ)償系統(tǒng)使用晶閘管進(jìn)行大部分有功無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，使用鐵路功率控制器只需進(jìn)行少量無(wú)功連續(xù)調(diào)節(jié)，其大部分容量都用來(lái)補(bǔ)償負(fù)序電流，同時(shí)抑制諧波。這種補(bǔ)償拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)供電兩臂有功功率平衡，對(duì)晶閘管控制器的充分利用降低了鐵路功率控制器的容量，有效節(jié)省了成本。

2、控制措施

（1）協(xié)調(diào)控制。基本控制思想是，實(shí)時(shí)計(jì)算兩相供電臂負(fù)載電流，分離有功和無(wú)功，獲得鐵路功率控制器需要補(bǔ)償?shù)目偀o(wú)功量，之后將無(wú)功量分別分配給鐵路功率控制器和晶閘管控制電容器。鐵路功率控制器補(bǔ)償量是負(fù)序、諧波以及少量無(wú)功補(bǔ)償，確定鐵路功率控制器補(bǔ)償量流后，配合直流側(cè)電壓穩(wěn)定控制，獲得變流器參考電流，通過直接電流控制跟蹤變流器電流。晶閘管控制電容器按照無(wú)功分配確定補(bǔ)償電流，推理獲得投切組數(shù)，發(fā)布驅(qū)動(dòng)信號(hào)完成投切動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)鐵路功率控制器和晶閘管電容控制器的協(xié)調(diào)控制。

（2）負(fù)序、諧波無(wú)功檢測(cè)。電氣化鐵路是單相系統(tǒng)，負(fù)序、諧波以及無(wú)功檢測(cè)都依賴單相瞬時(shí)功率理論。兩相電壓信號(hào)和實(shí)時(shí)電流相乘，并將乘積相加，經(jīng)過低通濾波之后，值為兩相有功電流峰值一半，該值就是補(bǔ)償后的兩相供電臂電流峰值理想值。補(bǔ)償后兩相供電臂均有功，大小是供電臂電流值的1/2。鐵路功率控制器不承擔(dān)全部無(wú)功補(bǔ)償，檢測(cè)分離無(wú)功電流，和有功電流疊加，減去供電臂負(fù)載電流，最終獲得鐵路功率控制器的負(fù)序和諧波參考量。供電臂負(fù)載電流乘以供電臂電壓之后π/2 信號(hào)，化簡(jiǎn)，發(fā)現(xiàn)供電臂負(fù)載電流和電壓π/2 信號(hào)乘積的直流部分是負(fù)載無(wú)功電流峰值的1/2，使用低通濾波器能夠?qū)⒅绷鞣至窟^濾出來(lái)。兩端供電利弊的無(wú)功電流均能夠采用這種方法進(jìn)行檢測(cè)，為負(fù)序和諧波檢測(cè)提供無(wú)功信息的勇士，能夠消除諧波補(bǔ)償量和負(fù)序補(bǔ)償量中的無(wú)功補(bǔ)償量，并為鐵路功率控制器和晶閘管控制電容器無(wú)功補(bǔ)償量分配提供信息支持。負(fù)序與諧波補(bǔ)償量中只有兩個(gè)供電臂的有功信息，無(wú)無(wú)功信息。鐵路功率看那個(gè)之氣通過有功電流差值轉(zhuǎn)移平衡兩個(gè)供電臂上的負(fù)序，諧波補(bǔ)償量是負(fù)載諧波電流負(fù)值，再通過無(wú)功補(bǔ)償能夠完全消除有功、無(wú)功造成的負(fù)序。

3、鐵路有源功率控制器控制策略。鐵路功率控制器正常工作需要穩(wěn)定的直流側(cè)電壓，所以有源功率控制器需要同時(shí)負(fù)責(zé)直流側(cè)電壓控制，兩個(gè)變流器單元同時(shí)進(jìn)行諧波一致和無(wú)功補(bǔ)償以及整流逆變，通過一個(gè)直流側(cè)進(jìn)行連接，可以理解為兩個(gè)獨(dú)立變流器，同時(shí)承擔(dān)功率模塊開關(guān)損耗，保證兩個(gè)變流器的功率相等，實(shí)現(xiàn)三相電流對(duì)稱。因此，有源功率控制器補(bǔ)償參考電流是負(fù)序、諧波和無(wú)功參考電流上疊加直流側(cè)電壓控制需要的有功電流，直流側(cè)電壓通過兩個(gè)變流器共同維持，兩個(gè)變流器側(cè)功率平衡，都能夠保持較高的相應(yīng)速度，因此，有源功率控制可理解為直流側(cè)電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制。

隨著我國(guó)電氣化鐵路的迅猛發(fā)展，出現(xiàn)了更為嚴(yán)重和復(fù)雜的電能質(zhì)量問題，更迫切地需要更好的牽引供電質(zhì)量，同時(shí)對(duì)現(xiàn)代電力機(jī)車的性能要求也相應(yīng)提高了。在實(shí)際的運(yùn)行過程中，因?yàn)闄C(jī)車有著很大的牽引功率，因此對(duì)于補(bǔ)償裝置的容量需要較高，實(shí)際的容量還需從理論計(jì)算以及實(shí)踐運(yùn)行相結(jié)合得出。在對(duì)諧波諧振的抑制和消除方面，爭(zhēng)取將影響降到最低。

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（作者單位：神華包神鐵路公司）