鐵道牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量控制的研究及仿真

摘 要：鐵道牽引供電系統(tǒng)是鐵路部門正常供電的重要保障一直以來都是相關(guān)人員關(guān)注的重點內(nèi)容，具有重要意義。因此，本文以牽引供電系統(tǒng)為對象，從牽引供電系統(tǒng)存在的問題及相應(yīng)措施、基于單相有源濾波器的平衡供電系統(tǒng)的仿真兩方面對鐵道牽引供電系統(tǒng)電能進(jìn)行質(zhì)量控制與仿真研究。

關(guān)鍵詞：鐵道牽引供電；電能質(zhì)量控制；仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.163

隨著社會的發(fā)展與科技水平的提高，我國利用電力牽引進(jìn)行供電的方式不斷改進(jìn)與提升，具有明顯的快速發(fā)展，在計劃鐵路運行中具有重要地位。但是，牽引供電系統(tǒng)是一種利用電力進(jìn)行負(fù)電荷牽引以提供機動車行使動力的方式，在電流的隨意性與不可控性影響下，存在明顯的牽引供電不穩(wěn)定性，需要進(jìn)行進(jìn)一步的研究與改善。

1 牽引供電系統(tǒng)存在的問題及相應(yīng)措施

（1）工頻單相牽引供電系統(tǒng)存在的問題。在我國電氣化鐵路運行過程中，選擇了工頻單向交流制的牽引供電方式，利用其成本、靈活性強、易于控制的優(yōu)勢，不斷為我國電氣化鐵路功效。雖然工頻單相牽引供電系統(tǒng)比交流供電系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢，但也存在著自身問題。首先，工頻單相牽引供電系統(tǒng)存在無功功率和諧波電流的問題。造成這一現(xiàn)象的主要原因是電力火車在運行過程中存在隨機性強的現(xiàn)狀，導(dǎo)致了基波電流在運行過程中產(chǎn)生一定的偏差與變化并出現(xiàn)諧電流參雜其中，從而導(dǎo)致牽引系統(tǒng)工作負(fù)荷量過大，電流運行過程的單相不匹配問題，從而產(chǎn)生無功功率與諧波電流問題。而工頻單相牽引供電系統(tǒng)存在的這一問題容易加大牽引供電系統(tǒng)設(shè)備工作負(fù)擔(dān)加大，從而降低設(shè)備使用壽命，甚至出現(xiàn)誤動或不動的情況，威脅運行安全。工頻單向牽引供電系統(tǒng)存在的另一問題就是負(fù)序電流問題。當(dāng)牽引變電采用單相鏈接的接線方式時，會產(chǎn)生負(fù)序電流，而負(fù)序電流的出現(xiàn)會導(dǎo)致變壓器輸出功率降低，降低電氣機車的工作效率，同時也造成安全隱患，威脅牽引供電系統(tǒng)正常運行的安全性，從而帶來一系列損失。

（2）相應(yīng)解決措施。應(yīng)對工頻單相牽引供電系統(tǒng)存在的無功功率、諧波電流、負(fù)序電流的問題，我國電氣部門進(jìn)行積極改進(jìn)與項目研發(fā)，以減少負(fù)面因素的影響，提高工作效率。首先，針對諧波電流的問題，我國電氣機車運行行業(yè)不斷提高機車的性能，引入各種技術(shù)手段，以提高機車運行的穩(wěn)定性。具體表現(xiàn)在電氣機車中配備功率因數(shù)校正設(shè)備，提高機車自身機能以保持電力運輸?shù)姆€(wěn)定性，減少過程中的運行不穩(wěn)定因素對電流牽引的干擾，從而有效減少諧波電流的產(chǎn)生和對正常運行的干擾。其次，電氣機車可以在機車中配備專業(yè)設(shè)備，利用無極和有極交替補助的方式，借助靜止型動態(tài)無功補償設(shè)備和有源濾波器設(shè)備，在機車運行過程中出現(xiàn)無功功率和諧波電流時可以實現(xiàn)有效的補償，進(jìn)行有效牽引與穩(wěn)定運行。最后，對于負(fù)序電流的改善有多種方式進(jìn)行，包括改變傳統(tǒng)的接點方式以實現(xiàn)供電順序穩(wěn)定，或是采用高電壓、變壓器的方式最大程度保障運行電流的單相穩(wěn)定性，以強電流灌輸和變電調(diào)節(jié)的方式，降低負(fù)序電流造成的不利影響。

2 基于單相有源濾波器的平衡供電系統(tǒng)的仿真

（1）理論知識。有源濾波器是針對牽引供電系統(tǒng)運行時容易出現(xiàn)諧波電流以及無功功率的人問題，而設(shè)計的進(jìn)行有效補償?shù)姆€(wěn)定運行設(shè)備，以實現(xiàn)牽引供電系統(tǒng)的平衡供電。而單相有源濾波器的平衡供電系統(tǒng)的仿真是指利用專業(yè)的仿真軟件進(jìn)行操作的仿真運行技術(shù)，從而實現(xiàn)運行過程的有效模擬與問題斷定，幫助電氣工作者更好進(jìn)行技術(shù)問題分析。而當(dāng)前廣為使用的仿真軟件是EMTDC軟件或PSCAD軟件，與其他仿真軟件相比，這兩種仿真系統(tǒng)較為全面，功能強大且仿真效果優(yōu)越。其中PSCAD不僅可以進(jìn)行有效仿真，還可以進(jìn)行相互聯(lián)系，性能較為靈活，而EMTDC則可以實現(xiàn)由用戶進(jìn)行需求定義的強大功效，有效展現(xiàn)核心運行狀態(tài)，并根據(jù)用戶的實際需求進(jìn)行相關(guān)內(nèi)容的類型輸出，具有明顯的個性化需求。也正是因為這樣的優(yōu)勢，這兩種仿真技術(shù)被廣泛的應(yīng)用在單相有源濾波器的平衡供電系統(tǒng)的仿真工作之中，利用技術(shù)的便捷實現(xiàn)電氣技術(shù)的提升與改善。并且，在實際的模擬仿真過程中，該仿真技術(shù)也確實實現(xiàn)了這樣的功效，促進(jìn)了牽引供電的發(fā)展。

（2）牽引供電系統(tǒng)仿真模型的建立。牽引供電系統(tǒng)仿真模型的建立主要是主電路建立、檢測控制電路建立兩方面內(nèi)容。其中，主電路的建立由電源、接觸網(wǎng)、直流機車負(fù)載、平衡供電裝置幾個核心內(nèi)容構(gòu)成。電源類型為工頻的交流電源供電，直流機車負(fù)載是核心關(guān)鍵，而平衡供電裝置保障運行穩(wěn)定。直流機車負(fù)載主要是針對傳統(tǒng)工頻單相牽引供電系統(tǒng)中容易出現(xiàn)的諧波電流、無功功率問題導(dǎo)致的設(shè)備運轉(zhuǎn)負(fù)荷壓力過大的問題，通過單相半控制橋搭建的方式進(jìn)行整流電流的簡化工作，提高運行效率。而檢測控制電路的設(shè)計則是通過負(fù)載無功電流運算的方式，或是采用APF監(jiān)控技術(shù)的引用，實現(xiàn)電路的監(jiān)控與管理。當(dāng)運行系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，直流機車的半控橋就會立即啟動觸發(fā)角控制接板進(jìn)行及時的故障反應(yīng)，從而實現(xiàn)有效的模仿真模擬。因此，在現(xiàn)代的牽引供電系統(tǒng)中，仿真技術(shù)被不斷運用在技術(shù)性開發(fā)與檢測功能中，以最大程度進(jìn)行設(shè)備運行完善。

3 小結(jié)

在現(xiàn)階段的鐵路運行中，應(yīng)用牽引供電系統(tǒng)運行實現(xiàn)動力保障的運行方式已經(jīng)成為主要的機車運行方式，占據(jù)著絕對的市場份額，促進(jìn)我國電氣機車的不斷發(fā)展。但于此同時，電氣部門仍需要加強牽引供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性與技術(shù)提升，不斷改進(jìn)單相有源濾波器的平衡供電能力，減少現(xiàn)階段的問題對牽引供電系統(tǒng)運行安全的威脅，促進(jìn)道路牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的穩(wěn)定提升。

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作者簡介：張玲（1990-），女，陜西西安人，本科，助教，主要研究方向：牽引供電系統(tǒng)調(diào)度自動化與繼電保護(hù)、電力電子、電能質(zhì)量檢測與控制。