鐵路配電所外部電源電能質(zhì)量控制技術(shù)研究

閆小偉

0 引言

鐵路電力供配電系統(tǒng)需要從地方電網(wǎng)接引外部電源，由于地方變電站通常距離鐵路配電所較遠(yuǎn)，較長(zhǎng)的供電距離造成鐵路配電所受電端電壓質(zhì)量變差，集中表現(xiàn)在電壓偏低及電壓波動(dòng)率大，導(dǎo)致負(fù)荷端的供電電壓偏差超出規(guī)范要求的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)范圍，影響沿線生產(chǎn)和生活設(shè)備設(shè)施的正常運(yùn)行。針對(duì)該類問題，迫切需要研究開發(fā)高性價(jià)比、高可靠性、高質(zhì)量、切實(shí)有效的技術(shù)裝備來提升外部電源電能質(zhì)量。

1 外部電源存在的問題及影響分析

鐵路配電所電能質(zhì)量由地區(qū)變電所饋出電壓、輸電導(dǎo)線參數(shù)、鐵路配電所負(fù)載特性共同決定。假設(shè)地區(qū)變電所饋出的電源為理想電壓源，則只需要考慮鐵路配電所負(fù)載特性和輸電回路電纜特性對(duì)配電所接入點(diǎn)電能質(zhì)量的影響。

鐵路配電所負(fù)載的基波電流、諧波電流、無功電流與地區(qū)變電站到鐵路配電所輸電線路參數(shù)按照歐姆定律變換后，對(duì)配電所入口電壓造成影響。因此，輸電線路參數(shù)是鐵路配電所入口電壓的主要影響因素。輸電線路在空載時(shí)，配電所入口處電壓（負(fù)載側(cè)電壓）應(yīng)等于地區(qū)變電所饋出電壓（電源側(cè)電壓）。然而由于輸電線路對(duì)地的等效電容效應(yīng)存在，容性泄漏電流不可避免。下文對(duì)容性負(fù)載對(duì)負(fù)載側(cè)電壓的影響進(jìn)行分析。

為方便分析，采用集中參數(shù)模型，在負(fù)載端空載時(shí)，從電源側(cè)到負(fù)載側(cè)的電路如圖1 所示。

圖1 供電系統(tǒng)模型

其中：ω為系統(tǒng)頻率；Us為電源側(cè)電壓；Uc為負(fù)載側(cè)電壓；Ul為線路等效電感所產(chǎn)生的壓降；Ur為線路等效電阻所產(chǎn)生的壓降；I為線路電流；r為線路等效電阻；l為線路等效電感。

比較負(fù)載側(cè)電壓和電源側(cè)電壓，有

從上式可以看出，當(dāng)不考慮負(fù)載側(cè)電流時(shí)，負(fù)載側(cè)電壓Uc與系統(tǒng)諧振頻率ω0相關(guān)。當(dāng)ω0遠(yuǎn)大于ω時(shí)，負(fù)載側(cè)電壓Uc接近于電源側(cè)電壓Us；當(dāng)ω0趨近于ω時(shí)，負(fù)載側(cè)電壓Uc逐漸高于電源側(cè)電壓Us；當(dāng)ω0等于ω時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生諧振，電壓Uc為無窮大。在負(fù)載側(cè)帶載時(shí)，從電源側(cè)到負(fù)載側(cè)電纜的電阻將導(dǎo)致電壓下降。表1 所示為在相同供電容量下（額定功率6 000 kW）不同供電距離和不同電纜截面時(shí)電壓損失計(jì)算結(jié)果。

表1 10 kV 電纜電壓損失計(jì)算結(jié)果

按照表1 計(jì)算結(jié)果，在負(fù)載功率確定時(shí)，應(yīng)盡可能選擇大截面電纜以減少電壓損失。

按照TB 10008—2015《鐵路電力設(shè)計(jì)規(guī)范》要求，10（20、6）kV 及以下供配電線路，電壓應(yīng)為額定值的±7%[2]。由于電纜分布參數(shù)的影響，隨著負(fù)載實(shí)際運(yùn)行功率的變化，供電電壓出現(xiàn)電壓偏低及波動(dòng)率較大的情況，將導(dǎo)致鐵路配電所后端的負(fù)荷接入端供電電壓偏差超出規(guī)范要求范圍，影響生產(chǎn)和生活設(shè)施的正常運(yùn)轉(zhuǎn)?；谝陨锨闆r，迫切需要研究開發(fā)高性價(jià)比、高可靠性、高質(zhì)量、切實(shí)有效的技術(shù)裝備來治理目前存在的電壓波動(dòng)大、電壓低等問題。

2 解決配電網(wǎng)低電壓?jiǎn)栴}的常見方法

目前，解決配電網(wǎng)低電壓?jiǎn)栴}常見方法如下：

（1）調(diào)整主變壓器分接頭。由于變電站出線的各配電線路長(zhǎng)度及負(fù)荷水平不同，通過該方式很難照顧周全，另外調(diào)整分接頭的范圍有限，很難解決長(zhǎng)線路末端的低電壓?jiǎn)栴}，并且也無法解決電壓波動(dòng)問題，具有一定的局限性。

（2）在負(fù)載側(cè)接入點(diǎn)加裝并聯(lián)補(bǔ)償電容器。電容器需要遠(yuǎn)方或就地自動(dòng)投切，增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度及安裝工作量，且存在日常維護(hù)難度大、可靠性差等問題。同時(shí)，為達(dá)到其他裝置同樣的調(diào)壓效果，并聯(lián)補(bǔ)償電容器的容量大，造價(jià)高；再者，根據(jù)電容器的特性：電容器的補(bǔ)償效果與電壓平方成正比，在低電壓時(shí)補(bǔ)償效果反而下降；電容器的頻繁投切本身就會(huì)引起電壓波動(dòng)，嚴(yán)重情況下會(huì)造成過電壓和無功倒送等問題，調(diào)壓效果并不理想。

（3）在線路中串聯(lián)有載調(diào)壓變壓器。該方式存在問題：有載調(diào)壓變壓器為有觸頭調(diào)壓，動(dòng)作頻繁，可靠性差，維護(hù)工作量大，安全管理難度高，設(shè)備自身的有功、無功損耗將會(huì)增大線路的網(wǎng)損；其過載能力差，需要加裝額外的開關(guān)及保護(hù)設(shè)備對(duì)其進(jìn)行保護(hù)，需要停電檢修，可靠性差；當(dāng)線路的無功不足時(shí)，調(diào)壓效果反而更差；安裝靈活性差，不宜沿線路分布式安裝。

（4）在線路中串聯(lián)電容器。配電線路短路故障的客觀存在可能會(huì)導(dǎo)致串接電容器出現(xiàn)過電壓并引起電容損壞，因此在實(shí)施電容串聯(lián)補(bǔ)償時(shí)必須充分考慮相關(guān)保護(hù)措施，導(dǎo)致其控制和保護(hù)系統(tǒng)較為復(fù)雜。

（5）新建變電站或更換粗導(dǎo)線、縮短供電半徑。該方案屬于系統(tǒng)性工程改造，投資大，經(jīng)濟(jì)性較差、施工建設(shè)周期長(zhǎng)，施工難度大，且需要停電，同時(shí)需占用現(xiàn)有土地資源。

3 串聯(lián)型電壓優(yōu)化裝置

基于以往傳統(tǒng)電壓優(yōu)化裝置的問題，提出一種利用耦合變壓器串聯(lián)的三電平三相半橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的流控電壓源型電壓優(yōu)化裝置。

3.1 系統(tǒng)拓?fù)浼盎竟ぷ髟?/h3>

該裝置以串聯(lián)的方式接入電網(wǎng)和負(fù)載之間，實(shí)時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)電壓與負(fù)載電壓的大小，通過最優(yōu)補(bǔ)償算法計(jì)算所需要補(bǔ)償?shù)碾妷喝笨冢昧骺仉妷涸葱碗娏﹄娮友a(bǔ)償設(shè)備輸出所需的補(bǔ)償電壓差值，達(dá)到穩(wěn)定負(fù)載電壓的目的，由于其具有自動(dòng)識(shí)別線路阻抗特性的功能，能夠補(bǔ)償由容性阻抗、感性阻抗、純阻性引起的電壓質(zhì)量問題。裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 串聯(lián)型電壓優(yōu)化裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在圖2中：QF1為旁路開關(guān)，QF2為輸入開關(guān)，QF3 為輸出開關(guān)，T1 為串并聯(lián)變壓器，T2 為耦合變壓器，A1 為瞬時(shí)保護(hù)裝置。在一般情況下，QF1開關(guān)分?jǐn)?，QF2、QF3 開關(guān)閉合。

受線路分布參數(shù)影響，配電所入口電壓波動(dòng)如圖3（a）所示，圖2 所示的串聯(lián)型電壓優(yōu)化裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)該輸入電壓Us，并與設(shè)定額定電壓進(jìn)行比較，提取電壓偏差量Uc，控制由AD-DC-AC 電路組成的變流器通過T2 輸出電壓-Uc，使得輸出電壓UL=Us+Uc保持穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的優(yōu)化控制。

圖3 串聯(lián)型電壓優(yōu)化裝置電壓補(bǔ)償波形

3.2 三電平三相半橋背靠背拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變流器

自日本長(zhǎng)岡科技大學(xué)的A.Nabae 等人提出三電平結(jié)構(gòu)逆變器[3]以來，在大功率高電壓應(yīng)用中，多電平逆變器以其相對(duì)于傳統(tǒng)的兩電平逆變器的諸多優(yōu)點(diǎn)，迅速成為研究熱點(diǎn)。多電平逆變器優(yōu)點(diǎn)：輸出電壓波形包含多個(gè)電平臺(tái)階，其包絡(luò)更接近正弦波，電壓諧波含量小，所需的濾波LC 小，有利于降低系統(tǒng)成本和損耗；開關(guān)損耗小，效率高；開關(guān)所承受的電壓應(yīng)力低，可選用成本較低的晶體管。

多電平概念提出至今，涌現(xiàn)了大量拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以歸納為3 類：二極管鉗位型、飛跨電容型和級(jí)聯(lián)型[4]。三相二極管鉗位型三電平電路又稱為NPC三電平電路或Ⅰ型三電平電路，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4左或右半部分所示，輸入側(cè)通過2 個(gè)相同的電容Cdc1、Cdc2 分壓，將輸入電壓分為3 個(gè)電平，即+0.5UPV，0，-0.5UPV；每相通過1 組二極管實(shí)現(xiàn)對(duì)開關(guān)管電壓的鉗位功能，使得開關(guān)管上的壓降為0.5UPV。該電路的研究較為成熟，在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛[5]。圖4 中，UPV 為直流母線電壓。

圖4 三電平三相半橋背靠背拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變流器

串聯(lián)型電壓優(yōu)化裝置采用2 套三電平半橋電路背靠背連接，共用直流母線，組成三電平三相半橋背靠背拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變流器。該結(jié)構(gòu)變流器可以實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，作為串聯(lián)型電壓優(yōu)化裝置的核心電路，通過對(duì)輸出側(cè)的電壓、相位和特定次電壓幅值的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)10 kV 系統(tǒng)電壓的調(diào)節(jié)。

在控制方面，2 個(gè)三電平半橋結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立解耦，通過直流母線形成背靠背的連接方式，構(gòu)成系統(tǒng)的串聯(lián)和并聯(lián)兩部分，每個(gè)部分的控制器獨(dú)立設(shè)計(jì)，指令信號(hào)及通信部分通過高速光纖連接，增加抗干擾能力。2 個(gè)控制器增加系統(tǒng)的控制能力及響應(yīng)速度，從而能夠較好地實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓波動(dòng)、電壓諧波、無功功率的綜合治理。

控制系統(tǒng)中通過調(diào)整虛擬阻抗增加輸出阻抗的校正自由度，對(duì)逆變器輸出阻抗的模值和相位進(jìn)行校正，以匹配電網(wǎng)和負(fù)荷之間的阻抗特性，可以同時(shí)兼顧魯棒性和抗擾性能的要求，使得逆變器在電網(wǎng)存在寬范圍變化的電網(wǎng)阻抗和嚴(yán)重背景諧波時(shí)，仍然能夠穩(wěn)定工作。

3.3 負(fù)載側(cè)短路的影響及保護(hù)裝置

如圖2 所示，由于串聯(lián)型電壓優(yōu)化裝置在10 kV 主回路中串聯(lián)有耦合變壓器，當(dāng)鐵路配電所的饋出線路出現(xiàn)短路情況時(shí)，系統(tǒng)電壓降全部施加在耦合變壓器上，同時(shí)在耦合變壓器低壓側(cè)將出現(xiàn)瞬間大電流，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過圖4 所示變流器承受能力，在瞬間即可造成變流器硬件永久損壞[6]。

為了避免變流器因受短路電流沖擊而損壞，在耦合變壓器低壓側(cè)連接保護(hù)裝置，如圖2 中A1，該保護(hù)裝置由雙向電子開關(guān)和機(jī)械開關(guān)并聯(lián)組成。雙向電子開關(guān)由反向并聯(lián)的晶閘管及其觸發(fā)電路組成。

在配電所饋出線路出現(xiàn)短路情況時(shí)，觸發(fā)電路將檢測(cè)到變流器輸出電流的異常增大，立即（在半個(gè)周波內(nèi)）將晶閘管導(dǎo)通，使短路電流通過晶閘管流動(dòng)，然后將機(jī)械開關(guān)接通，進(jìn)一步增加保護(hù)裝置的載流能力，直至短路電流消失或上級(jí)開關(guān)跳閘。

為了保證在短路故障期間變流器的正常運(yùn)行，變流器具有最大電流限制功能。保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)，變流器的輸出被短路并工作于最大電流輸出狀態(tài)。

4 控制算法

作為常見的延時(shí)控制器，重復(fù)控制器能夠以比較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多次諧波的抑制，易于數(shù)字控制實(shí)現(xiàn)[7]。圖5 所示為串聯(lián)型電壓優(yōu)化裝置所使用的直接并聯(lián)重復(fù)控制器。

采用經(jīng)典的電壓外環(huán)及電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制方法，其中對(duì)于負(fù)載電壓的控制為直接閉環(huán)控制，即基于內(nèi)膜原理的重復(fù)控制。由內(nèi)膜原理可知，對(duì)于一個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)，如果其反饋環(huán)節(jié)中包含有與外部系統(tǒng)相同的數(shù)學(xué)模型，則整個(gè)系統(tǒng)能夠無靜差地跟蹤輸入信號(hào)，即使在誤差信號(hào)減小至零或接近零的情況下。串聯(lián)側(cè)采用該重復(fù)控制策略可控制裝置為負(fù)載提供精準(zhǔn)的正弦電壓[8，9]。

電壓源對(duì)諧波電流的阻抗為零，裝置并聯(lián)側(cè)為負(fù)載電流提供通路，因此串聯(lián)側(cè)采用直接電流控制，從而保證網(wǎng)側(cè)電流的正弦度。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到系統(tǒng)電壓諧波對(duì)負(fù)載電壓的影響，運(yùn)用電壓源和電流源相結(jié)合的方式，利用電流源對(duì)諧波電壓的阻抗作用，即隔離了電網(wǎng)諧波對(duì)負(fù)載電壓的影響。

5 運(yùn)行試驗(yàn)

依據(jù)上述理論和方法制造了串聯(lián)電壓優(yōu)化裝置樣機(jī)在變配電所進(jìn)行運(yùn)行試驗(yàn)，裝置輸入和輸出側(cè)的實(shí)時(shí)電壓如圖6 和圖7 所示。

圖6 輸入側(cè)電壓

圖7 輸出側(cè)電壓

連續(xù)4 天對(duì)輸入和輸出電壓的監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，電壓波動(dòng)范圍[(最大 - 最小)/平均值]從7%降至1%以內(nèi)，裝置對(duì)輸入電壓波動(dòng)抑制效果明顯。

6 結(jié)語

本文針對(duì)較長(zhǎng)的供電距離造成鐵路配電所受電端電能質(zhì)量較差的問題，提出了串聯(lián)型電壓優(yōu)化裝置。通過在接入電壓中注入附加電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓水平的有源控制，有效抑制了輸入電壓波動(dòng)，切實(shí)改善了配電所外部電源電能質(zhì)量，提升了供電可靠性。