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

吳寶秀

（中鐵十九局電務(wù)工程有限公司，北京 102602）

0 引言

在鐵路行業(yè)發(fā)展中，高速鐵路在國(guó)民經(jīng)濟(jì)提升中占據(jù)著十分重要的地位，通過(guò)電氣化鐵路供電系統(tǒng)的構(gòu)建，可以使鐵路系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)速度快、載重高以及節(jié)能型的優(yōu)勢(shì)。但是，在具體的電氣化鐵路供電系統(tǒng)運(yùn)行中，會(huì)受到非線性、沖擊性和電壓波動(dòng)等電能質(zhì)量問(wèn)題的影響，影響電氣化鐵路供電系統(tǒng)的運(yùn)行效率，限制行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，在電氣化鐵路行業(yè)運(yùn)行中，為了更好地提高鐵路的運(yùn)輸能力、達(dá)到環(huán)境保護(hù)的目的，需要減少化石材料的使用，通過(guò)供電系統(tǒng)電能資源的合理分配、有效處理，充分保障國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速、健康發(fā)展，提升鐵路行業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

1 電氣化鐵路供電系統(tǒng)

1.1 供電系統(tǒng)

電氣化鐵路通常包括供電系統(tǒng)、電力機(jī)車。其中的供電系統(tǒng)又包括供電電源和牽引供電系統(tǒng)。

（1）供電系統(tǒng)。供電系統(tǒng)中的變電站和高壓輸電線作為電氣化鐵路系統(tǒng)的供電核心，變電站中的牽引站電壓為110 kV、220 kV 和330 kV。其中，普通的電氣化鐵路電壓等級(jí)為110 kV，將其運(yùn)用在鐵路設(shè)備系統(tǒng)中，具有設(shè)備功率大、使用時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)；但是，在電氣化供電系統(tǒng)運(yùn)行中，經(jīng)常會(huì)受到三相不平衡因素的影響，在高速鐵路供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，需要提高供電系統(tǒng)的可靠性，以增強(qiáng)電能質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)電氣化鐵路供電系統(tǒng)的運(yùn)行目的。

（2）牽引供電系統(tǒng)。根據(jù)電氣化鐵路供電系統(tǒng)的運(yùn)行狀況，牽引供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。牽引供電系統(tǒng)在運(yùn)行中，本土型號(hào)的電力機(jī)車需要根據(jù)牽引變壓器的運(yùn)行特點(diǎn)，通過(guò)牽引線饋線將電能傳送到接觸網(wǎng)，以保證電力機(jī)車系統(tǒng)的正常運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電氣化鐵路供電系統(tǒng)的運(yùn)行目的[1]。

1.2 電力機(jī)車

結(jié)合電氣化鐵路系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，電力機(jī)車作為電氣化鐵路系統(tǒng)的核心，主要包括“交—直”型和“交—直—交”型：①“交—直”型電力機(jī)車采用多段橋相控整流方式，在無(wú)功能補(bǔ)償?shù)那闆r下，系統(tǒng)的平均功率因數(shù)相對(duì)較低，而且，在系統(tǒng)正常的情況下，會(huì)產(chǎn)生諧波，主要以3、5、7 等級(jí)為核心；②“交—直—交”型機(jī)動(dòng)車中，諧波的含量相對(duì)較低，存在著功率因數(shù)高的優(yōu)勢(shì)。但是，在“交—直—交”型電力機(jī)車單相供電的情況下，當(dāng)功率大幅增加時(shí)，會(huì)為三相電網(wǎng)側(cè)帶來(lái)嚴(yán)重的影響，無(wú)法提升電力機(jī)車運(yùn)行的穩(wěn)定性。

圖1 電氣化鐵路供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 供電系統(tǒng)電能質(zhì)量問(wèn)題

2.1 波動(dòng)性強(qiáng)

在電氣化鐵路行業(yè)發(fā)展中，綜合運(yùn)用自身牽引供電系統(tǒng)和上級(jí)電力系統(tǒng)，會(huì)對(duì)電力用戶造成諧波干擾，而且也會(huì)降低電能質(zhì)量，無(wú)法提升電氣化鐵路供電系統(tǒng)的電能處理效果。根據(jù)電氣化鐵路系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，系統(tǒng)會(huì)受到負(fù)荷及線路情況、機(jī)車類型和運(yùn)行圖等多因素的影響，導(dǎo)致?tīng)恳κ艿截?fù)荷空間及時(shí)間等分布因素的影響，無(wú)法實(shí)現(xiàn)電氣化鐵路電能質(zhì)量綜合治理的目的。

2.2 諧波及無(wú)功功率

結(jié)合電氣化鐵路的運(yùn)行狀況，單相晶閘管相控整體模式作為核心結(jié)構(gòu)，通過(guò)車載變壓器和接觸網(wǎng)降壓系統(tǒng)的運(yùn)用，可以將電能直接供給直流牽引電機(jī)，增強(qiáng)系統(tǒng)的整流供電能力。而且，在交直型電力機(jī)車的電路結(jié)構(gòu)整合中，通過(guò)牽引供電網(wǎng)功率系數(shù)的調(diào)整，會(huì)受到功率因數(shù)低的因素影響，系統(tǒng)的諧波含量會(huì)逐漸增加，無(wú)法提升電氣設(shè)備的運(yùn)行效率[2]。

2.3 三相不平衡

通過(guò)對(duì)電氣化鐵路供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的分析，三相不平衡問(wèn)題包括：①電機(jī)作為單相負(fù)荷形式，接入三相對(duì)稱的電網(wǎng)時(shí)，牽引變壓器的系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生較大的負(fù)序電流，整個(gè)電流會(huì)在牽引變壓器的情況下出現(xiàn)不穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)；②若牽引負(fù)荷選擇了單相V/V 變壓器，兩個(gè)方向的牽引負(fù)荷呈現(xiàn)出對(duì)等的協(xié)調(diào)狀態(tài)，這種情況下，若兩側(cè)牽引負(fù)荷出現(xiàn)不相等的情況，負(fù)序電流會(huì)出現(xiàn)負(fù)荷不相等的問(wèn)題，降低電氣化鐵路系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性；③在負(fù)序電流嚴(yán)重的情況下，旋轉(zhuǎn)電機(jī)中會(huì)出現(xiàn)負(fù)序磁場(chǎng)，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致附加振動(dòng)，降低鐵路供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性；④三相不對(duì)稱負(fù)荷問(wèn)題會(huì)引發(fā)電力壓力器容量降低，增加變壓器能量損耗，電氣化鐵路系統(tǒng)受到負(fù)序電流干擾的影響會(huì)頻繁失誤，降低電力鐵路系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償技術(shù)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電氣化鐵路供電系統(tǒng)中，為了降低鐵路公路控制器的負(fù)載，節(jié)約項(xiàng)目成本，在系統(tǒng)優(yōu)化處理中，通常會(huì)選擇有源鐵路功率控制器及晶閘管控制器，在兩種系統(tǒng)綜合使用的情況下形成補(bǔ)償系統(tǒng)，以提升電氣化鐵路系統(tǒng)的運(yùn)行效率。對(duì)于其中的變流器系統(tǒng)，在電感單相降壓及變壓器接通的情況下，供電臂會(huì)與功率控制系統(tǒng)并聯(lián)。為了更好地提升鐵路供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的補(bǔ)償機(jī)制，通常需要建立RPC（Railway Static Power Conditioner，鐵路功率調(diào)節(jié)器）數(shù)學(xué)建模系統(tǒng)，常規(guī)的RPC 交流側(cè)補(bǔ)償功率的控制系統(tǒng)通常采用兩相dp 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)形式，需要建立RPC 兩相的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)模型，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)建立標(biāo)準(zhǔn)包括：

（1）靜止坐標(biāo)系中的數(shù)學(xué)模型。根據(jù)電氣鐵路系統(tǒng)的運(yùn)行特點(diǎn)，在靜止坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型構(gòu)建中，需要考慮到RPC 系統(tǒng)的對(duì)稱性，其模型如圖2 所示[3]。

圖2 VSC1 單相等效電路

（2）同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。通過(guò)對(duì)RPC 靜止坐標(biāo)系及dp 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)數(shù)學(xué)模型的分析，可以得到以下結(jié)論：①PI（Proportional Integral，比例調(diào)節(jié)和積分調(diào)節(jié)）控制器使用中，通過(guò)交流信號(hào)的使用，可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行跟蹤處理，以實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差的控制目的，針對(duì)一些穩(wěn)態(tài)誤差的問(wèn)題，應(yīng)該合理增加電壓前饋控制環(huán)節(jié)，從而達(dá)到控制相位誤差的目的[4]；②通過(guò)dp 旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)的設(shè)計(jì)，在PI 控制的情況下，應(yīng)該進(jìn)行多次坐標(biāo)的變換處理，避免電流環(huán)dp 軸分量耦合問(wèn)題的出現(xiàn)，這種現(xiàn)象若不能科學(xué)調(diào)整，會(huì)增加設(shè)備處理的復(fù)雜性，因此，通過(guò)增強(qiáng)QPR（Quasi Proportional Resonance，準(zhǔn)比例諧振）控制系統(tǒng)的處理效果，也可以保證系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)化處理，為電氣化鐵路供電系統(tǒng)的高質(zhì)量運(yùn)行提供參考[5]。

3.2 綜合補(bǔ)償策略

（1）協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)。根據(jù)電氣化鐵路供電系統(tǒng)的使用狀況，協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)的核心目的是通過(guò)實(shí)時(shí)計(jì)算，得到供電負(fù)載電流，從而得到分離功及無(wú)功，以保證電氣化鐵路供電控制系統(tǒng)的穩(wěn)步運(yùn)行。而且，在鐵路功率控制器運(yùn)行中，補(bǔ)償量作為負(fù)序、諧波的無(wú)功補(bǔ)償機(jī)制，需要在確定鐵路公路控制器的補(bǔ)償電流后，對(duì)電壓的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行控制，最終獲得變流器中的參考數(shù)值。在晶閘管控制電容器運(yùn)行中，需要按照無(wú)功分配的方法確定補(bǔ)償電流系統(tǒng)，最終獲得信號(hào)的投切數(shù)值，為系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制提供數(shù)據(jù)支持[6]。

（2）負(fù)序及諧波的無(wú)功檢測(cè)。結(jié)合電氣化鐵路系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，在單相系統(tǒng)運(yùn)行中，負(fù)序及諧波通常依賴瞬時(shí)的功率理論，兩種電壓信號(hào)及實(shí)時(shí)電流乘積相加之后，會(huì)在低通濾波的情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)供電系統(tǒng)的數(shù)值補(bǔ)償，滿足補(bǔ)償后兩相供電臂的均勻處理。通常情況下，在負(fù)序及諧波的無(wú)功檢測(cè)中需要做到：①在鐵路公路控制器系統(tǒng)運(yùn)行中，不需要承擔(dān)全部的無(wú)功補(bǔ)償，而是在分離無(wú)功電流檢查中，通過(guò)有功電流的疊加處理，降低供電臂負(fù)載電流，從而得到最終的負(fù)序和諧波參考值；②在供電臂負(fù)載電流分析中，將其乘以供電臂電壓之后的π/2 信號(hào)，會(huì)出現(xiàn)供電臂負(fù)載電流及電壓π/2 信號(hào)乘積的峰值，在低通濾波器直流的情況下，將其進(jìn)行分流的過(guò)濾處理；③對(duì)于供電系統(tǒng)兩端無(wú)功電流的情況下，需要采用負(fù)序以自己諧波的無(wú)功檢測(cè)技術(shù)，通過(guò)直流及分量濾波的處理，可以消除濾波補(bǔ)償量及負(fù)序補(bǔ)償量，同時(shí)為電氣鐵路系統(tǒng)的高質(zhì)量運(yùn)行提供數(shù)據(jù)支持；④結(jié)合電氣鐵路系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，諧波補(bǔ)償量作為負(fù)載諧波電流負(fù)值，之后在無(wú)功補(bǔ)償?shù)那闆r下會(huì)消除系統(tǒng)無(wú)功的現(xiàn)象，提升電氣化鐵路電流負(fù)載的運(yùn)行效果。

（3）鐵路有源功率控制器的優(yōu)化策略。通過(guò)對(duì)電氣鐵路系統(tǒng)運(yùn)行狀況的分析，在鐵路系統(tǒng)的有源功率控制器處理中，為保證系統(tǒng)正常工作，系統(tǒng)設(shè)備維護(hù)人員需要控制直流側(cè)電壓，并在兩個(gè)變流器單元協(xié)調(diào)控制好中，進(jìn)行諧波的一致性及無(wú)功補(bǔ)償，以充分保證變流器的獨(dú)立運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)三相電流對(duì)稱的運(yùn)行目的。同時(shí)，在有源功率控制器補(bǔ)償中，為了增強(qiáng)參考電流負(fù)序、諧波及電流的疊加處理效果，需要在直流側(cè)電壓維持中，保證各個(gè)系統(tǒng)變速器的高效運(yùn)行，達(dá)到鐵路有源功率控制器的使用目的[7]。

4 結(jié)束語(yǔ)

在電氣鐵路系統(tǒng)運(yùn)行中，為了提升電能質(zhì)量管理效果，供電部門及鐵路部門需要結(jié)合電氣鐵路的運(yùn)行特點(diǎn)，構(gòu)建科學(xué)化、有效化及經(jīng)濟(jì)化的電氣鐵路管理機(jī)制，通過(guò)整合配套技術(shù)，增強(qiáng)電氣化鐵路供電系統(tǒng)電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償技術(shù)的使用效果，以充分滿足行業(yè)的穩(wěn)步發(fā)展需求。針對(duì)電力機(jī)車特殊的運(yùn)行情況，供電方式會(huì)使系統(tǒng)出現(xiàn)負(fù)序和諧波電能質(zhì)量問(wèn)題，嚴(yán)重的會(huì)引發(fā)電網(wǎng)安全故障，而通過(guò)電能質(zhì)量及牽引電路的安全控制，可以降低系統(tǒng)補(bǔ)償成本，并保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)電氣化鐵路供電系統(tǒng)電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償技術(shù)的使用目的。