高速鐵路電能質(zhì)量有源無(wú)源混合補(bǔ)償方法

喬光堯，丁寧，于坤山

（中國(guó)電力科學(xué)研究院，北京 100192）

高速鐵路以其運(yùn)行速度快、運(yùn)量大、節(jié)能環(huán)保、安全舒適、綜合效益突出等優(yōu)勢(shì)，受到世界各國(guó)的重視，發(fā)展十分迅速[1]，截止目前，我國(guó)包括新建和既有線提速的高速鐵路營(yíng)業(yè)里程達(dá)9 676 km，居世界第一。

相比普通電氣化鐵路，高鐵所需牽引功率更大、持續(xù)受電時(shí)間更長(zhǎng)，供電能力和供電可靠性要求提高，網(wǎng)側(cè)電流諧波頻譜寬（可達(dá)幾kHz），加上我國(guó)高速鐵路大多數(shù)牽引變壓器采用V/v接線方式，相對(duì)于普通電氣化鐵路，高速鐵路的電能質(zhì)量問(wèn)題主要體現(xiàn)在負(fù)序和高次諧波，將會(huì)給電網(wǎng)、其他用戶及鐵路自身的供電安全和可靠性帶來(lái)很大影響[2-3]。

對(duì)于高速鐵路的負(fù)序治理，目前主要是采用SVC[4-6]或基于電壓源變流器（VSC）[7-9]等裝置。由于高速鐵路對(duì)電力系統(tǒng)的影響主要是高次諧波和負(fù)序問(wèn)題，安裝在牽引變高壓側(cè)的SVC裝置可以解決負(fù)序問(wèn)題。但SVC本身也產(chǎn)生諧波，不但影響了電網(wǎng)和負(fù)載，也影響其補(bǔ)償性能，導(dǎo)致系統(tǒng)濾波要求增大。基于VSC的補(bǔ)償裝置在高壓大容量情況下補(bǔ)償高次諧波時(shí)，需要裝置工作在高開(kāi)關(guān)頻率下，會(huì)帶來(lái)?yè)p耗大，工程實(shí)施難、造價(jià)高等問(wèn)題。

本文提出采用基于VSC和無(wú)源高通濾波器的諧波負(fù)序綜合治理方案，VSC裝置主要用于補(bǔ)償11次以下的低次諧波和負(fù)序，無(wú)源高通濾波器用于補(bǔ)償13次及以上的高次諧波，對(duì)VSC裝置和高通濾波器分別進(jìn)行設(shè)計(jì)，并針對(duì)京滬高鐵某實(shí)際牽引站，對(duì)設(shè)計(jì)的方案進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果驗(yàn)證了所提出的方案的正確性和有效性。

1 治理裝置在牽引站的配置方式

由于高速鐵路功率大，牽引網(wǎng)電流大，一般均采用供電能力強(qiáng)的AT供電方式。系統(tǒng)接線如圖1所示。牽引供電系統(tǒng)主要由V/v牽引變壓器、自耦變壓器AT、接觸網(wǎng)T、正饋線F、鋼軌R以及機(jī)車(chē)組成。電流從牽引站流出，通過(guò)接觸網(wǎng)給高速列車(chē)提供電能，然后通過(guò)正饋線流回牽引站。V/v牽引變壓器二次側(cè)帶中點(diǎn)抽頭接地，省略了站內(nèi)AT，牽引變壓器原邊電壓220 kV，副邊電壓為2×27.5 kV，接觸網(wǎng)與鋼軌間電壓為27.5 kV，正饋線與鋼軌間電壓為-27.5 kV。

安裝在牽引站牽引側(cè)的有源濾波裝置補(bǔ)償方案采用基于VSC的單相背靠背變流器結(jié)構(gòu)，直流側(cè)電容共用，有源補(bǔ)償裝置的2個(gè)交流側(cè)通過(guò)單相變壓器接入牽引母線。

無(wú)源高通濾波器（HPF）安裝在供電臂末端的分區(qū)所，在牽引網(wǎng)與鋼軌、正饋線與鋼軌之間分別安裝，2個(gè)分區(qū)所共設(shè)置4套，主要濾除13次及以上的高次諧波電流，同時(shí)能夠提高牽引網(wǎng)末端電壓，補(bǔ)償機(jī)車(chē)無(wú)功功率。

2 有源裝置結(jié)構(gòu)及補(bǔ)償原理

2.1 有源補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)

有源補(bǔ)償裝置主電路圖如圖2所示。左側(cè)通過(guò)單相多繞組變壓器T1接入牽引母線，變壓器副邊共9個(gè)繞組，每個(gè)繞組完全解耦，阻抗相同。變壓器副邊的每個(gè)繞組通過(guò)連接電抗器接一個(gè)H橋變流器，為直流側(cè)電容供電；右側(cè)變流器采用H橋級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，然后通過(guò)普通單相變壓器T2接入右側(cè)的牽引母線，兩側(cè)的單相變壓器實(shí)現(xiàn)裝置輸出電壓和牽引供電系統(tǒng)電壓之間的匹配，起到升壓和電氣隔離的作用，H橋級(jí)聯(lián)變流器可以提高輸出電壓等級(jí)，減小輸出電壓諧波。

這種結(jié)構(gòu)中每個(gè)背靠背H橋變流器的直流側(cè)獨(dú)立，且分別由變壓器的單個(gè)繞組供電，通過(guò)PWM整流控制能夠?qū)崿F(xiàn)直流電壓的平衡，克服了常規(guī)級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)多級(jí)直流電壓平衡控制的難點(diǎn)[10]。采用變壓器接入，提高系統(tǒng)的可靠性。

2.2 基于V/v牽引變壓器的負(fù)序諧波補(bǔ)償原理

設(shè)電源三相電壓對(duì)稱，且有效值為U，三相電壓分別為：

圖1 基于AT供電和V/v變壓器的牽引變電所補(bǔ)償結(jié)構(gòu)Fig.1 Compensation structure of traction substation based on the AT power supply and V/v transformer

圖2 有源補(bǔ)償裝置主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 The main circuit topology structure of the active compensator

根據(jù)圖1中的牽引變壓器接入系統(tǒng)中的相序，變壓器副邊繞組電壓表達(dá)式為：

式中，Ua、Ub分別為牽引變壓器1B、2B的二次側(cè)電壓，理想情況下兩側(cè)電壓大小相等。

根據(jù)圖1中的接線方式及電壓相序，對(duì)于高速鐵路而言，由于機(jī)車(chē)網(wǎng)側(cè)變流器采用PWM整流，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1。為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，下面分析時(shí)假設(shè)負(fù)載基波電流為純有功電流，令左右兩供電臂負(fù)載基波電流為：

則原邊基波電流為：

V/v接線牽引變壓器原副邊電壓及原邊電流相量關(guān)系如圖3所示。

圖3 原邊三相電壓電流相量關(guān)系Fig.3 The relation of three-phase side voltage and current

從變壓器的高壓側(cè)看，根據(jù)對(duì)稱分量法，可得變壓器原邊三相正序電流、負(fù)序電流、零序電流以及電流不對(duì)稱系數(shù)KI分別為：

式中，α=ej120°為單位相量算子。

要完全補(bǔ)償負(fù)序時(shí)，需使原邊三相電流大小相等，且與電壓同相位。由相量圖3可知，原邊C相是2個(gè)牽引供電臂的公共相，C相電流為A、B相電流的相量和。要使I觶C與U觶C同相位，必須使 AB相電流相等，即必須使兩供電臂的有功電流相等，那么由補(bǔ)償裝置轉(zhuǎn)移的有功電流有效值為：

式中，ILap為a供電臂上的有功電流；ILap為b供電臂上的有功電流。

要使原邊三相電流對(duì)稱，還須在a供電臂補(bǔ)償超前無(wú)功電流ICaq，b供電臂補(bǔ)償滯后無(wú)功電流ICbq，使原邊A、B相電流分別與電壓同相，補(bǔ)償無(wú)功電流有效值分別為：

通過(guò)上述兩臂有功功率的轉(zhuǎn)移和無(wú)功功率的補(bǔ)償，使得原邊三相電流對(duì)稱，且功率因數(shù)為1，補(bǔ)償過(guò)程相量圖如圖3中虛線所示。

由于高速鐵路產(chǎn)生諧波電流，補(bǔ)償裝置需進(jìn)行諧波抑制，理想情況下，產(chǎn)生的諧波電流與牽引負(fù)荷諧波電流大小相等，相位相差180°。相量表達(dá)式為：

一般情況下，牽引負(fù)荷功率因數(shù)都達(dá)不到1，當(dāng)需要進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償時(shí)，調(diào)節(jié)器補(bǔ)償牽引負(fù)荷無(wú)功電流補(bǔ)償無(wú)功電流I觶Laq、I觶Lbq。通過(guò)功率因數(shù)控制，使得牽引變壓器副邊兩供電臂的功率因數(shù)達(dá)到1。

綜上所述，背靠背結(jié)構(gòu)補(bǔ)償裝置的綜合補(bǔ)償電流分別為：

2.3 有源補(bǔ)償裝置控制策略

治理裝置的控制目標(biāo)是通過(guò)轉(zhuǎn)移兩供電臂的不平衡有功電流，同時(shí)補(bǔ)償相應(yīng)的無(wú)功功率，以達(dá)到抑制三相側(cè)系統(tǒng)負(fù)序電流的目的。為了實(shí)現(xiàn)有功功率在兩供電臂之間流動(dòng)，保證直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，就必須選擇一側(cè)的變流器采用定直流電壓控制策略，只要直流電壓保持恒定，就保證了兩側(cè)變流器輸入的有功與輸出的有功相等，從而實(shí)現(xiàn)有功功率從一側(cè)供電臂向另一側(cè)供電臂的轉(zhuǎn)移。本文中選擇多繞組單相變壓器側(cè)的變流器外環(huán)控制器采用定直流電壓控制方式，工作在整流模式；另一側(cè)變流器采用定有功功率輸出控制策略，工作在逆變模式。

2.3.1 定直流電壓控制策略

為了實(shí)現(xiàn)直流側(cè)電壓的穩(wěn)定、單位功率因數(shù)運(yùn)行、諧波含量小以及較快的動(dòng)態(tài)控制響應(yīng)，整流側(cè)變流器采用單相PWM整流控制[11]方式。PWM整流一般采用電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略[12-13]。在這樣的控制系統(tǒng)中，內(nèi)環(huán)電流的控制是關(guān)鍵，電流控制的性能決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能，因?yàn)橥猸h(huán)電壓的控制是通過(guò)內(nèi)環(huán)電流的控制而間接實(shí)現(xiàn)的，因而要求電流控制器有較快的瞬態(tài)響應(yīng)和滿意的穩(wěn)態(tài)特性。本文采用一種瞬時(shí)電流控制方式，即將目標(biāo)電流值與H橋輸出電流值相比較，然后通過(guò)調(diào)節(jié)器PI2，與前饋電壓Uac相加，得到調(diào)制信號(hào)控制H橋的4個(gè)橋臂。為了抑制供電臂電壓波動(dòng)的影響，采用電壓前饋控制策略，當(dāng)供電臂電壓有變化時(shí)，直接反應(yīng)到調(diào)制信號(hào)，加快了控制的響應(yīng)速度。

整流側(cè)雙閉環(huán)控制框圖如圖4所示，圖中的是通過(guò)鎖相環(huán)得到的與電網(wǎng)電壓同相的正弦信號(hào)。

圖4 整流側(cè)控制框圖Fig.4 Control block diagram of the rectifier side

圖4 中，Irq為該側(cè)無(wú)功和諧波參考電流信號(hào)，其表達(dá)式為：

2.3.2 定有功功率控制策略

逆變側(cè)變流器需要輸出兩臂負(fù)荷不平衡的基波有功電流，同時(shí)還能補(bǔ)償基波無(wú)功、諧波電流。在逆變側(cè)變流器控制中，跟蹤指令電流的控制方法是決定裝置補(bǔ)償質(zhì)量的關(guān)鍵。對(duì)逆變側(cè)級(jí)聯(lián)逆變器的交流側(cè)電流的控制也采用了基于瞬時(shí)值電流的PI控制方式，控制框圖如圖5所示。同時(shí)為了減小供電臂b的電壓波動(dòng)對(duì)逆變器輸出的影響，減小PI參數(shù)，同時(shí)采用了供電臂電壓前饋控制。

圖5 逆變側(cè)變流器電流控制框圖Fig.5 Current control block diagram of the inverter side

在底層PWM調(diào)制算法中采用輸出電壓畸變率相對(duì)較低的載波移相SPWM（CPS-SPWM）單極性調(diào)制方法[14]，能在較低的器件開(kāi)關(guān)頻率下獲得較高等效開(kāi)關(guān)頻率，在提高裝置容量的同時(shí)，有效地減小輸出諧波。

3 無(wú)源高通濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)

無(wú)源高通濾波裝置采用二階RLC結(jié)構(gòu)，對(duì)13次及以上的諧波電流進(jìn)行濾波。裝置主要由電容器C、電抗器L、電阻器R組成，高通濾波器的回路如圖6所示。在AT供電方式下，高通濾波器在分區(qū)所的接觸網(wǎng)與鋼軌之間和正饋線與鋼軌之間分別設(shè)置。具有改善牽引網(wǎng)電壓質(zhì)量、吸收動(dòng)車(chē)組高次諧波和抑制高次諧波諧振引起網(wǎng)壓異常波動(dòng)的作用。

圖6 高通濾波器結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure diagram of the high-pass filter

根據(jù)結(jié)構(gòu)圖，可得二階高通濾波器阻抗與頻率之間的關(guān)系為：

高通濾波器按2個(gè)參數(shù)選擇電路元件參數(shù)[15]，一個(gè)是截止頻率fn，表達(dá)式為

另一個(gè)是高通濾波器阻抗頻率特性曲線的斜率b，表達(dá)式為

b表示曲線形狀，一般取b為0.5~2.0，b值的選擇對(duì)高通濾波器的特性有很大的影響。為了濾除13次及以上的諧波，選擇高通濾波器的截止頻率為 fn=612 Hz，選擇b=1.06，可得單套二階高通濾波器各元件參數(shù)為如表1所示。

表1 二階高通濾波器參數(shù)Tab.1 Parameters of the second-order high-pass filter

4 仿真研究

針對(duì)京滬高鐵某實(shí)際高速鐵路牽引站，采用PSCAD/EMTDC對(duì)文中提出的基于有源和無(wú)源相結(jié)合的混合補(bǔ)償方法進(jìn)行仿真。牽引站采用V/v牽引變壓器和AT供電方式，牽引站實(shí)際參數(shù)為：2個(gè)牽引變壓器B1、B2參數(shù)相同，容量為50 MV·A，變比為220 kV/27.5 kV/27.5 kV，二次側(cè)帶中點(diǎn)抽頭接地，短路阻抗為10.5%。

調(diào)節(jié)器H橋級(jí)聯(lián)數(shù)量為9，開(kāi)關(guān)頻率為1kHz，直流側(cè)電壓設(shè)定為1.6 kV，直流側(cè)電容20 mF。單相多繞組變壓器原邊電壓27.5 kV，副邊9個(gè)繞組電壓均為0.85kV，短路阻抗為15%，連接電感為0.5mH；逆變側(cè)變壓器原邊電壓27.5 kV，副邊電壓為8.6 kV，短路阻抗為15%，連接電感為0.1mH。負(fù)載采用CRH3等效模型[16]，16輛編組的機(jī)車(chē)輪軸最大功率為18.4 MW。

圖7（a）為b供電臂有一臺(tái)16輛編組的CRH3機(jī)車(chē)運(yùn)行、a供電臂空載時(shí)變壓器原邊電流仿真波形，機(jī)車(chē)功率為18.4 MV·A，功率因數(shù)為0.98。牽引變壓器原邊正序電流與負(fù)序電流基本相等，負(fù)序電流與正序電流的比約為100%，圖7（b）為補(bǔ)償前牽引變壓器副邊bc相電流頻譜，除了產(chǎn)生與開(kāi)關(guān)頻率相關(guān)的高次諧波外，由于機(jī)車(chē)變流器直流側(cè)電壓的波動(dòng)，在網(wǎng)側(cè)還產(chǎn)生了低次諧波電流。

圖7 補(bǔ)償前牽引變壓器原邊三相電流和負(fù)載電流諧波頻譜Fig.7 Traction transformer primary side current and load current harmonic spectrum before compensation

圖8 為補(bǔ)償后原邊三相電流波形，補(bǔ)償后三相電流接近對(duì)稱，負(fù)序電流與正序電流的比為5.1%，正負(fù)序電流分別為61 A、3.0 A，功率因數(shù)為0.995。補(bǔ)償后牽引變壓器的副邊bc相電流頻譜如圖8（b）所示。

圖8 補(bǔ)償后牽引變壓器三相電流及副邊電流頻譜Fig.8 Traction transformer primary side current and secondary current spectrum after compensation

圖8 中可以看出，經(jīng)過(guò)無(wú)源和有源相結(jié)合的綜合補(bǔ)償，高次諧波通過(guò)高通濾波器得到有效的濾除。低次諧波和負(fù)序電流通過(guò)背靠背有源補(bǔ)償部分得到了補(bǔ)償。

5 結(jié)論

本文提出的基于有源和無(wú)源相結(jié)合的混合補(bǔ)償裝置能夠補(bǔ)償高速鐵路的負(fù)序、諧波等電能質(zhì)量問(wèn)題，所提出的有源補(bǔ)償裝置的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略是可行的。無(wú)源高通濾波器能夠有效地抑制13次及以上的高次諧波。仿真結(jié)果證明這種混合補(bǔ)償方法的有效性。

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