電氣化鐵路供電系統電能質量綜合補償技術探討

張國東

【摘要】主要研究電氣化鐵路供電系統電能質量綜合補償技術，介紹了電氣化鐵路面臨的主要電能質量問題，并對交直型電力機車供電系統綜合補償技術進行了研究，討論了一種有源功率控制器和晶閘管控制電容器聯用的電能質量綜合補償系統，平衡了兩供電臂之間的負載，同時充分利用了晶閘管控制電容器，節省了有源功率控制器的使用，節省了電能質量補償成本。

【關鍵詞】鐵路供電；電能質量補償

鐵路是我國最重要的貨運方式，是國家經濟的大動脈，機車牽引供電網安全和穩定性對電氣化鐵路正常運營至關重要。但是電力機車使用單相以及整流的方式供電，存在著負序、諧波以及無功等電能質量問題，采用一定的技術措施進行電能質量綜合補償，是保證電氣化鐵路供電穩定的重要措施。

一、電氣化鐵路電能質量問題

電力牽引機車主要有直流和交流兩種，直流傳動機車使用晶閘管整流電路實現控制，功率因數較低，諧波含量較大，而交流傳動機車使用全控型功開關器件脈寬調制技術進行控制，功率因數得到提高，降低了電力機車低次特征諧波電流。

對于直流牽引機車，使用晶閘控制方式，機車負載會導致大量諧波電流，總電流畸變濾波高達20%，功率因數僅為0.8，并且受單向負荷供電顯示，三相側會產生負序電流，在較高速度運行時功率輸出受到限制，無法適應高速、重載鐵路運行要求，交流傳動技術發展起來。高速交流鐵路機車使用自耦變壓器進行供電，通常使用交直交四象限脈沖整流供電方式，降低了低次諧波含量，但是高頻諧波頻譜較寬，并且電力機車負荷沖擊性較高，會產生較大電壓波動和閃變。高速鐵路電力機車功率較大，負序更加嚴重。

二、交直型電力機車供電系統綜合補償技術

直流電機傳動在國內鐵路歷程中仍然占較大比重。直流傳動電力機車使用整流方式為直流電機提供電源。為了進一步降低有源裝置容量，可通過鐵路功率調節器和晶閘管控制電容器聯用進行綜合補償，使用晶閘管控制器補償大部分無功功率，減少鐵路公路功率控制器負載。

（一）基本結構

為了降低鐵路功率控制器負載，降低成本，可使用有源鐵路功率控制器和兩套晶閘管控制器形成功率補償系統，功率控制器有直流電容兩變流器，變流器通過輸出電感單相降壓變壓器接通牽引網兩供電臂，供電臂下設置晶閘管控制電容器，和功率控制器并聯，接在降壓變容器二次側下。

為了滿足鐵路供電系統電能質量的綜合補償，要求補償裝置要能夠對兩供電臂電力機車產生的諧波進行有效控制，同時還能夠有效補償電力機車負荷產生的無功功率，升高兩供電臂網側電流功率到1。同時還要通過有功轉移，轉移機車重載側供電臂有功功率負荷到輕載側，平衡兩供電臂有功功率。

使用功率控制器和晶閘管控制電容器組成的補償系統使用晶閘管進行大部分有功無級調節，使用鐵路功率控制器只需進行少量無功連續調節，其大部分容量都用來補償負序電流，同時抑制諧波。這種補償拓補結構能夠實現供電兩臂有功功率平衡，對晶閘管控制器的充分利用降低了鐵路功率控制器的容量，有效節省了成本。

（二）控制策略

鐵路功率控制器-晶閘管控制器聯合補償系統的控制關鍵是功率控制器和晶閘管控制電容器之間的協調配合。

1.協調控制

基本控制思想是，實時計算兩相供電臂負載電流，分離有功和無功，獲得鐵路功率控制器需要補償的總無功量，之后將無功量分別分配給鐵路功率控制器和晶閘管控制電容器。鐵路功率控制器補償量是負序、諧波以及少量無功補償，確定鐵路功率控制器補償量流后，配合直流側電壓穩定控制，獲得變流器參考電流，通過直接電流控制跟蹤變流器電流。晶閘管控制電容器按照無功分配確定補償電流，推理獲得投切組數，發布驅動信號完成投切動作，實現鐵路功率控制器和晶閘管電容控制器的協調控制。

2.負序、諧波無功檢測

電氣化鐵路是單相系統，負序、諧波以及無功檢測都依賴單相瞬時功率理論。兩相電壓信號和實時電流相乘，并將乘積相加，經過低通濾波之后，值為兩相有功電流峰值一半，該值就是補償后的兩相供電臂電流峰值理想值。補償后兩相供電臂均有功，大小是供電臂電流值的1/2。鐵路功率控制器不承擔全部無功補償，檢測分離無功電流，和有功電流疊加，減去供電臂負載電流，最終獲得鐵路功率控制器的負序和諧波參考量。

供電臂負載電流乘以供電臂電壓之后π/2信號，化簡，發現供電臂負載電流和電壓π/2信號乘積的直流部分是負載無功電流峰值的1/2，使用低通濾波器能夠將直流分量過濾出來。兩端供電利弊的無功電流均能夠采用這種方法進行檢測，為負序和諧波檢測提供無功信息的勇士，能夠消除諧波補償量和負序補償量中的無功補償量，并為鐵路功率控制器和晶閘管控制電容器無功補償量分配提供信息支持。負序與諧波補償量中只有兩個供電臂的有功信息，無無功信息。鐵路功率看那個之氣通過有功電流差值轉移平衡兩個供電臂上的負序，諧波補償量是負載諧波電流負值，再通過無功補償能夠完全消除有功、無功造成的負序。

3.鐵路有源功率控制器控制策略

鐵路功率控制器正常工作需要穩定的直流側電壓，所以有源功率控制器需要同時負責直流側電壓控制，兩個變流器單元同時進行諧波一致和無功補償以及整流逆變，通過一個直流側進行連接，可以理解為兩個獨立變流器，同時承擔功率模塊開關損耗，保證兩個變流器的功率相等，實現三相電流對稱。

因此，有源功率控制器補償參考電流是負序、諧波和無功參考電流上疊加直流側電壓控制需要的有功電流，直流側電壓通過兩個變流器共同維持，兩個變流器側功率平衡，都能夠保持較高的相應速度，因此，有源功率控制可理解為直流側電壓外環和電流內環雙環控制。

結束語

電氣化鐵路在全國鐵路歷程中有著很大比重，在國家基礎運輸中有著非常重要的地位。電力機車特殊的運行供電方式導致其存在負序、諧波和無功等電能質量問題，對牽引供電網的安全運行產生了很大安全隱患，而電能質量綜合補償技術則能夠對電能質量問題進行有效控制，研究電能質量綜合補償技術的關鍵在于，在保證電能質量和牽引電路安全穩定的同時，如何降低補償成本，有源功率補償和晶閘管功率補償聯用就能夠獲得滿意的效果。

參考文獻

[1]姚金雄，張濤，林格，羅迪.牽引供電系統負序電流和諧波對電力系統的影響及補償措施[J].電網技術，2012，32（9），61-64.

[2]高然，徐永海，夏瑞華.電氣化鐵路負序電流對發電機負序過流保護的影響[J].電力系統保護與控制，2012， 37（19），41-45.

[3]孫樹光.膠濟線電氣化鐵路牽引供電系統電能質量問題的研究[D].北京：北京交通大學，2011：12-15.