電氣化鐵道牽引供電系統的綜合有源補償技術探討

金智慶

摘要：文章對比分析了電氣化鐵道負序電流的各種抑制方法，探討了目前電氣化鐵道有源補償存在的問題，分析了綜合有源補償工作的原理，以期為電氣化鐵道的有源補償方法提供參考。

關鍵詞：電氣化鐵道；牽引供電系統；綜合有源補償；負序電流抑制法

中圖分類號：TM922 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）04-0036-02

鐵路電氣化建設不斷加快，隨著其用電量的攀升，尤其是其長期存在的功率因數低、諧波含量高及負序等問題，對公共電網的電能質量產生了突出的不良影響。如基波無功率能夠使線路損耗增加，引起電網電壓較大波動；高次諧波影響各種電氣設備的正常工作，對通信系統造成干擾和破壞；負序則可能引起大面積的停電事故；等等。要消除這些不利的影響，就要有針對性的采取各種技術方法。

一、電氣化鐵道負序電流的抑制方法

（一）方法及對比

對于負序電流來說抑制方法和措施多種多樣，筆者將其綜合對比如下表所示：

（二）我國電氣化鐵路有源補償存在的問題

我國高速電氣化鐵路有源補償主要是在牽引變電所進行，目前存在的主要有：一是裝置價格昂貴，應用受限；二是無統一的拓撲分析方法；三是單相電流檢測的準確度和速度性都應進一步提高；四是電流控制的補償效果需要進一步提升穩定性；五是有源補償的主電路需進一步優化，提高效率、安全性和可靠性。

二、電氣化鐵路綜合有源補償工作原理

原有的解決電氣化鐵路電能質量問題，存在補償容量大、難以實現負荷動態補償的問題，如果采用優化方法進一步降低補償容量，則動態特性比有源補償要差。如果選擇混和有源補償拓撲結構，首先要考慮有源補償的成本，還有就是控制電路的復雜度，兩者都要兼顧。本文提出的綜合有源補償方案可解決單相牽引負荷負序問題，還能夠同時抑制諧波和無功，其裝置結構如圖1所示：

在原有基礎上，增加電流平衡補償裝置（由耦合變壓器、輸出濾波器、單相雙向變流器和直流環節等構成）。電流平衡補償裝置實現的功能包括：對兩臂負荷進行諧波抑制；對兩臂負荷進行無功功率補償；實現兩臂負荷的有功功率傳輸，實現電流平衡，消除負序電流。通過電流平衡補償裝置可以保證兩臂負荷達到最小平衡度要求，只要能檢測出α相和β相個電流分量，就可以電流一直、無功功率補償和兩臂負荷平衡，電氣化鐵路綜合有源補償裝置則可以實現負序的完全補償。

諧波抑制：電流平衡補償裝置輸出電流滿足公式，就可實現諧波抑制，此時電網電流為；無功功率補償：電流平衡補償裝置輸出電流滿足公式,可實現無功功率補償，此時電網電流為；兩臂負荷平衡補償：電流平衡補償裝置輸出電流滿足公式，就可實現兩臂負荷平衡補償，此時電網電流為；綜合補償：電流平衡補償裝置輸出的電流滿足公式，此時電網電流為，此時電網電流不含諧波分量，武功分量，并且兩臂電流的有效值相等，如此就實現了電氣化鐵路諧波、無功和負序的綜合補償。

三、施工是需要考慮的其他因素

（一）電子器件的選擇

電子器件的選擇主要應該考慮如下因素：開關速度、電壓等級、電流等級、開關頻率等。電力電子器件主要有GTO、MOSFET、IGBT、IGCT等。一般大容量(1000kVA以上)的有源補償采用GTO，中小容量(1000kVA以下)的有源補償采用IGBT。IGBT的開關頻率高、損耗大，GTO的開關頻率低，對高次諧波補償效果差。

電力電子器件電壓等級是根據直流側電容電壓選取的；電力電子器件電流等級根據最大的補償電流峰值的2倍選取；電力電子器件的工作頻率根據補償的需要而定。

（二）輸出濾波器

電氣化鐵路電流平衡補償裝置在實現有功功率交換、無功和諧波補償的同時也會輸出一定的高頻諧波毛刺，是由變流器的開斷帶來的。為了消除高頻信號注入電網中，需要設置輸出濾波器。結構圖中的Io和Co構成了電氣化鐵路電流平衡裝置的輸出濾波器。

（三）直流電容的選擇

直流電容為電氣化鐵路有源補償提供一個穩定的直流電壓源，是有源補償電路的一個重要環節。直流電容設計分為直流電容上電壓取值和直流電容容量取值。直流電容的選擇可遵循多種方法，可根據具體的施工情況選擇調整。

四、結語

在單相電氣化鐵路供電中，其所引起的無功、諧波和負序等電能質量問題比較突出。在本文研究的基礎上，還可進一步深化電氣化鐵路有源補償拓撲的研究，進一步改進主電路結構，降低有源元件的容量，降低設備結構和控制復雜程度，減少開關損耗并提高設備利用率。通過不斷優化設計和嚴格施工，相信無論是設備運行成本、鐵路運輸的安全可靠性等都會得到進一步的提升。

參考文獻

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