电气化铁路供电系统电能质量综合补偿技术研究
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【摘 要】电气化铁路是经济和社会发展的大动脉，机车牵引供电网的安全和稳定性关系着电气化铁路的正常运营。由于电力机车采取单相和整流方式供电，电力机车负荷产生的负序、谐波和无功等电能质量问题，严重威胁着电气化铁路牵引供电网和上级电力系统的安全和稳定运行。因此，必须采取有效的电气化铁路电能质量综合补偿措施，提高牵引供电网供电的安全可靠性。
【关键词】牵引供电;电能质量;补偿技术
电气化铁路带动了经济和社会的发展，其运行质量在很大程度上受到供电系统的安全和稳定性影响。电力机车的供电方式为单相和整流式，在供电过程中出现的谐波、负序以及无功率等问题对电能的质量带来很大的影响，进而影响到供电系统以及上级供电网的稳定、安全运行。因此，做好电能质量综合补偿措施，增强供电网供电可靠性，具有十分重要的意义。
一、慨述
电力牵引机车主要有直流和交流两种，直流传动机车使用晶闸管整流电路实现控制，功率因数较低，谐波含量较大，而交流传动机车使用全控型功开关器件脉宽调制技术进行控制，功率因数得到提高，降低了电力机车低次特征谐波电流。对于直流牵引机车，使用晶闸控制方式，机车负载会导致大量谐波电流，总电流畸变滤波高达20%，功率因数仅为0.8，并且受单向负荷供电显示，三相侧会产生负序电流，在较高速度运行时功率输出受到限制，无法适应高速、重载铁路运行要求，交流传动技术发展起来。高速交流铁路机车使用自耦变压器进行供电，通常使用交直交四象限脉冲整流供电方式，降低了低次谐波含量，但是高频谐波频谱较宽，并且电力机车负荷冲击性较高，会产生较大电压波动和闪变。高速铁路电力机车功率较大，负序更加严重。
二、牵引供电系统存在的电能质量问题
1、无功问题。传统的相控型交直机车的功率因数较低，在过去相当长的一段时期内，无功是电气化铁路解决的主要问题。随着传动技术的进步，相控型机车逐渐被交直交型电力机车或动车组所取代，其功率因数接近1。目前，几乎所有的大功率机车和高速动车组均采用了交直交的传动方式，可以预见，在较短的时期内，无功问题将不再是电气化铁路解决的主要问题。
2、谐波问题。随着电力电子技术的进步，基于CTO、IGBT、IGCT等全控型器件的交直交变流器技术在电力机车和动车组中得到广泛应用，使功率因数接近，低频段的高次谐波得到显著改善，但在更高频率段的高次谐波反而增加。受交直交列车控制方式、开关器件的不同，其特征频率亦不同。我国目前在线运行的交直交型机车或动车组种类多，今后亦不排除有其他型号的动车组或机车上线运行。高次谐波带来的问题主要包括高次谐波共振引起的谐波电流放大、谐波电压放大，由此导致电容器损坏、变压器绝缘损坏、机车互感器、电容器损坏、谐波超标等。不同型号的动车组具有不同的高次谐波频谱特性，供电系统本身具有一定的自振频率，受供电臂长度、越区供电方式、系统容量、系统运行方式等多方面因素影响，牵引供电系统的自振频率亦可发生变化。高速列车谐波频谱的多样化和牵引供电系统自振频率变化导致高次谐波共振既具有必然性，又具有随机性。由高次谐波引起的事故在铁路局多次发生，随着交直交车的大量普及，其影响范围将遍及全路，高次谐波问题已成为影响牵引供电系统运行安全的重要因素。
3、负序问题。电气化铁路属于单相负荷，反映至三相系统会产生相应的负序电流，在三相系统的负序阻抗作用下，负序电流引起负序电压，造成电压不平衡，通常用电压不平衡度来评价负序。电压不平衡度的大小受单相负荷容量和系统短路容量两方面影响，系统短路容量大的电网系统承受单相负荷的能力越强，引起的电不平衡度越小。而在一定的系统短路容量下，单相负荷容量越大，则引起的电压不平衡度问题越突出。就负序问题而言，采用自建的单相电网，与三相系统相对独立，因此其单相负荷不反映到三相系统中，避免了电气化铁路的负序问题。牵引供电系统接入高压电网，系统短路容量大，由于強大的电网做支撑，铁路的负序问题并不突出。在铁路系统中，接入电压等级低，如既有线接入的电压等级为系统，系统容量较小，负序问题则较为突出。铁路的负序问题在部分电网系统较薄弱的地区较明显，随着大功率机车、高速列车的普及，未来中国铁路的负序问题将成为主要的电能质量问题。
三、电气化铁路供电系统电能质量综合补偿技术
直流电机传动在国内铁路历程中仍然占较大比重。直流传动电力机车使用整流方式为直流电机提供电源。为了进一步降低有源装置容量，可通过铁路功率调节器和晶闸管控制电容器联用进行综合补偿，使用晶闸管控制器补偿大部分无功功率，减少铁路公路功率控制器负载。
1、基本结构。为了降低铁路功率控制器负载，降低成本，可使用有源铁路功率控制器和两套晶闸管控制器形成功率补偿系统，功率控制器有直流电容两变流器，变流器通过输出电感单相降压变压器接通牵引网两供电臂，供电臂下设置晶闸管控制电容器，和功率控制器并联，接在降压变容器二次侧下。为了满足铁路供电系统电能质量的综合补偿，要求补偿装置要能够对两供电臂电力机车产生的谐波进行有效控制，同时还能够有效补偿电力机车负荷产生的无功功率，升高两供电臂网侧电流功率到1。同时还要通过有功转移，转移机车重载侧供电臂有功功率负荷到轻载侧，平衡两供电臂有功功率。使用功率控制器和晶闸管控制电容器组成的补偿系统使用晶闸管进行大部分有功无级调节，使用铁路功率控制器只需进行少量无功连续调节，其大部分容量都用來补偿负序电流，同时抑制谐波。这种补偿拓补结构能够实现供电两臂有功功率平衡，对晶闸管控制器的充分利用降低了铁路功率控制器的容量，有效节省了成本。
2、控制措施
（1）协调控制。基本控制思想是，实时计算两相供电臂负载电流，分离有功和无功，获得铁路功率控制器需要补偿的总无功量，之后将无功量分别分配给铁路功率控制器和晶闸管控制电容器。铁路功率控制器补偿量是负序、谐波以及少量无功补偿，确定铁路功率控制器补偿量流后，配合直流侧电压稳定控制，获得变流器参考电流，通过直接电流控制跟踪变流器电流。晶闸管控制电容器按照无功分配确定补偿电流，推理获得投切组数，发布驱动信号完成投切动作，实现铁路功率控制器和晶闸管电容控制器的协调控制。 （2）负序、谐波无功检测。电气化铁路是单相系统，负序、谐波以及无功检测都依赖单相瞬时功率理论。两相电压信号和实时电流相乘，并将乘积相加，经过低通滤波之后，值为两相有功电流峰值一半，该值就是补偿后的两相供电臂电流峰值理想值。补偿后两相供电臂均有功，大小是供电臂电流值的1/2。铁路功率控制器不承担全部无功补偿，检测分离无功电流，和有功电流叠加，减去供电臂负载电流，最终获得铁路功率控制器的负序和谐波参考量。供电臂负载电流乘以供电臂电压之后π/2 信号，化简，发现供电臂负载电流和电压π/2 信号乘积的直流部分是负载无功电流峰值的1/2，使用低通滤波器能够将直流分量过滤出来。两端供电利弊的无功电流均能够采用这种方法进行检测，为负序和谐波检测提供无功信息的勇士，能够消除谐波补偿量和负序补偿量中的无功补偿量，并为铁路功率控制器和晶闸管控制电容器无功补偿量分配提供信息支持。负序与谐波补偿量中只有两个供电臂的有功信息，无无功信息。铁路功率看那个之气通过有功电流差值转移平衡两个供电臂上的负序，谐波补偿量是负载谐波电流负值，再通过无功补偿能够完全消除有功、无功造成的负序。
3、铁路有源功率控制器控制策略。铁路功率控制器正常工作需要稳定的直流侧电压，所以有源功率控制器需要同时负责直流侧电压控制，两个变流器单元同时进行谐波一致和无功补偿以及整流逆变，通过一个直流侧进行连接，可以理解为两个独立变流器，同时承担功率模块开关损耗，保证两个变流器的功率相等，实现三相电流对称。因此，有源功率控制器补偿参考电流是负序、谐波和无功参考电流上叠加直流侧电压控制需要的有功電流，直流侧电压通过两个变流器共同维持，两个变流器侧功率平衡，都能够保持较高的相应速度，因此，有源功率控制可理解为直流侧电压外环和电流内环双环控制。
随着我国电气化铁路的迅猛发展，出现了更为严重和复杂的电能质量问题，更迫切地需要更好的牵引供电质量，同时对现代电力机车的性能要求也相应提高了。在实际的运行过程中，因为机车有着很大的牵引功率，因此对于补偿装置的容量需要较高，实际的容量还需从理论计算以及实践运行相结合得出。在对谐波谐振的抑制和消除方面，争取将影响降到最低。
参考文献：
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（作者单位：神华包神铁路公司）
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