交直流機車混跑牽引供電系統電能質量治理方案

呂順凱

摘? 要：目前，我國電氣化鐵路正處于交流傳動機車與直流傳動機車長期共存的新階段。牽引供電系統現有電能質量治理裝置已不能滿足交直流機車混合運行的需求，寬頻譜諧波、車網諧振、電壓擾動、變壓器過載等一系列新問題嚴重影響了牽引供電系統的可靠性、可用性、可維護性和安全性。基于公司承擔的國家重點研發計劃項目以及在鐵路牽引供電系統和交直流機車控制領域的技術優勢，通過現場測試、數據分析、方案比選、仿真研究，文章提出了一種由鐵路功率調節器和高通濾波器構成的新型牽引供電系統電能質量治理方案，并進行了工程實施驗證。現場運行情況證明，新型方案可同時實現負序治理、網壓穩定、功率因數提升、寬頻諧波抑制等功能，全面解決了牽引供電系統電能質量問題，有效保證了混跑新局面下牽引供電系統安全、穩定運行。

關鍵詞：牽引供電系統;電能質量;治理方案;交直流機車;負序;諧波

中圖分類號：U223.5+2? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）10-0001-06

Abstract： At present， China's electrified railway is in the new stage of long-term coexistence of AC drive locomotives and DC drive locomotives. The existing power quality control devices of traction power supply system cant meet the needs of hybrid operation of AC and DC locomotives. A series of new problems such as wide spectrum harmonics， locomotive-catenary resonance， voltage disturbance and transformer overload seriously affect the reliability， availability， maintainability and security of traction power supply system. Based on the national key R&D project undertaken by our company and the technical advantages in the field of railway traction power supply system and locomotive control， through field test， data analysis， scheme comparison and simulation research， this paper proposes a new power quality control scheme that composed of railway power conditioner and high-pass filter and its effectiveness has been verified by engineering implementation. The field operation results prove that the new scheme can realize the functions of negative sequence control， voltage stability， power factor improvement and harmonic suppression at the same time， which fully solves the power quality problem of the traction power supply system and effectively ensures the safe and stable operation of traction power supply system under the new situation of mixed running.

Keywords： traction power supply system; power quality; control method; AC and DC locomotive; negative sequence; harmonic

引言

隨著我國電氣化鐵路的快速發展以及機車電傳動技術的更新換代，出現了直流傳動機車與交流傳動機車共存，在同一條運行線路、同一個牽引變電所供電區段混跑的新局面。由于直流傳動機車與交流傳動機車的特性差異，牽引供電系統現有電能質量治理裝置已不能滿足混合運行的需求，寬頻譜諧波、車網諧振、電壓擾動、變壓器過載等一系列新問題嚴重影響了牽引供電系統的可靠性、可用性、可維護性和安全性，同時又通過牽引供電系統，影響到機車自身的安全運行。目前，對于各種直流傳動機車和交流傳動機車單獨運行的功率需求、功率因數控制、諧波頻譜分布等電氣負荷特性以及相應的治理措施，已有較為深入的研究和應用，但對于同一牽引供電系統，交直流機車混跑運行方式下，如何綜合治理電能質量新問題，保障牽引供電系統安全、可靠，還需各方科研人員共同努力，全面分析和深入研究。

基于公司承擔的國家重點研發計劃項目《高性能牽引供電系統技術》，以及在鐵路牽引供電系統和交直流機車控制領域的傳統技術優勢，通過直流傳動機車與交流傳動機車特性分析和混跑運行對牽引供電系統的影響研究，項目組設計了一種由鐵路功率調節器（railway power conditioner，簡稱RPC）和高通濾波器（high pass filter，簡稱HPF）構成的新型牽引供電系統電能質量治理方案，并進行了工程實施驗證。現場測試情況證明，該方案切實可行，RPC和HPF的有機結合取得了1+1>2的良好效果，可同時實現負序治理、網壓穩定、功率因數提升、寬頻諧波抑制等功能，能夠全面解決電能質量問題，有效保證了混跑新局面下牽引供電系統安全、穩定運行。

1 電力機車特性分析

交流牽引供電的電力機車按照主電路型式不同，分為直流傳動電力機車和交流傳動電力機車。直流傳動電力機車主要包含8K、韶山（SS）系列等，目前SS4、SS7、SS8、SS9等依舊在國內各線路擔當貨運和客運列車牽引任務。交流機車主要包括和諧（HX）系列、中國高速動車組（CRH）系列、中國標準動車組（CR）系列等，根據不同的型號，和諧系列又可分為貨運和客運機車;中國高速動車組（CRH）系列、中國標準動車組（CR）系列主要用于客運。

1.1 直流傳動機車

直流傳動機車采用交-直型電路結構，傳動系統一般采用晶閘管整流電路為直流電動機供電，通過晶閘管的導通角控制機車的出力。相控整流導致機車的功率因數較低，通常在0.7～0.85左右，需要從牽引供電系統獲取較大的無功功率[1]。

直流機車電動機的控制方式，根據車型不同，呈多樣化，但特征諧波電流基本一致，奇次諧波含量較高，以3、5、7次諧波為主，且諧波幅值隨著諧波次數的增加遞減，總諧波含量較高。SS3、SS6B、SS9典型諧波電流含量數據整理如表1。

1.2 交流傳動機車

交流傳動機車采用交-直-交型主電路結構，主要由車載變壓器、整流器、中間直流環節、輔助回路、牽引逆變器、三相異步交流電機等組成。整流器和逆變器均采用四象限變流及PWM技術，所以也被稱為四象限變流器或PWM變流器，變流器能夠實現能量的雙向流動并保證網側功率因數近似為1。交流機車整體的功率因數通常在0.98以上，對外部的無功功率需求較小，但單機有功功率需求大[2]。

設四象限變流器的開關頻率為f，采用單極性調制策略，則從變流器交流側輸入電流（牽引網電流）諧波特性分析來看，等效開關頻率為2倍的f。由于機車單機容量較大，無法采用單個四象限變流器實現該容量等級的能量變換，通常采用基于機車變壓器的多重化策略，一方面實現容量拓展;另一方面還實現諧波優化。若機車采用n重四象限變流器，則等效開關頻率為2nf，低次諧波基本被抵消，從而實現諧波優化。交流傳動電力機車上線運行后，牽引網電流中的3、5、7次等低次諧波含量較直流傳動機車顯著減少，主要諧波邊帶集中在2nf±1、2nf±3等區段，諧波含量較低，但諧波頻譜變寬。現場測試數據分析可見，諧波主要集中在31～43次等高頻帶區域，通常在1～10kHz范圍都存在可測諧波電流。

2 機車混跑對牽引供電系統的影響

電氣化鐵路牽引供電系統為27.5kV單相供電方式，牽引變電所將公共電網的三相電源轉換成27.5kV的單相交流電供給牽引供電網[3]。隨著我國電氣化鐵路的快速發展，采用單相供電制的牽引供電系統帶來的電能質量問題日益嚴重。交流機車和直流機車混合運行時，由于交流機車的大功率需求、直流電力機車的非線性特性、交直流的機車功率差異，以及機車在單側供電區段運行位置的隨機性等因素疊加，出現了更加嚴重的負序、諧波、電壓波動和閃變、牽引變壓器單邊過載等電能質量問題。

3 電能質量綜合治理方案

對于非混跑模式下電氣化鐵路的電能質量問題， 國內外學者此前已進行了大量研究工作[4]，設計了多種的電能治理方法及裝置被用以消除電氣化鐵路供電系統中的負序分量及諧波。為抑制負序，平衡電力系統的A、B、C三相電流，牽引變電所接入電源相序采用輪流轉換方式，相序輪換接入可以一定程度的抑制負序，但依賴于機車運營狀態等因素，無法完全消除。靜止無功補償裝置（static var compensator， 簡稱SVC）造價低、可靠性較好，可以補償無功功率，也可以補償負序，但由于無法實現兩供電臂之間的有功轉移，導致系統結構復雜，負序補償效果不理想[5]。靜止無功發生器（static var generator， 簡稱SVG）能夠動態調節補償功率因數，一定程度消除諧波，但不能實現有功融通[6]。有源濾波器（active power filter， 簡稱APF）可以抑制電氣化鐵路低次諧波，但不能有效補償負序。高通濾波器（high pass filter，簡稱HPF）可以濾除高次諧波，并提供一定的無功功率，不具備負序補償能力[7]。鐵路功率調節器（railway static power conditioner，簡稱RPC）能夠通過有功融通補償負序，并具備低次諧波抑制功能，已經在國內外有所應用[8-9]。

通過對交直流機車混跑線路現場調研、測試、分析，項目組設計了一種由鐵路功率調節器和高通濾波器構成的新型牽引供電系統電能質量治理方案，可同時實現負序治理、網壓穩定、功率因數提升、寬頻諧波抑制等功能，全面解決牽引供電系統電能質量問題。

3.1 鐵路功率調節器

以本項目實施牽引變電所的一次系統配置為基礎，說明鐵路功率調節器的工作原理。牽引供電系統采用直供方式，牽引主變為結構簡單、容量利用率高三相V/v牽引變壓器。為簡化計算過程，以交流電力機車負載模型分析如下。

3.2 高通濾波器

本項目采用二階濾波器來濾除交流機車等造成的高次諧波，左右兩個供電臂各掛一條HPF支路。HPF由電抗器L、電阻器R和濾波電容器C串并聯構成，除濾波作用外，還具有無功補償的作用，工作原理分析如下。

根據主電路結構方式，二階濾波器的阻抗可表示為：

3.3 RPC與HPF的分工配合

為實現牽引供電系統電能質量問題的全面治理，需要做好鐵路功率調節器與高通濾波器的分工設計。經現場測試、數據分析、仿真計算，最優應用方案配置如下：

（1）鐵路功率調節器為核心裝置，采集牽引系統各母線電壓、母線電流、HPF支路的電流進行有功和無功計算，動態控制雙邊有功融通功率和無功功率輸出，完成負序治理、網壓穩定、動態無功補償、13次以下諧波抑制等功能。

（2）高通濾波器完成固定無功補償、13次及以上高次諧波的濾除等功能。

4 工程應用效果

設備安裝投運之后，對裝置的電能質量改善能力進行了多輪長期對比測試，測試結果表明：裝置顯著改善牽引供電系統的電能質量，投運之前，牽引供電系統平均功率因數為0.72，各次諧波超標嚴重，三相電壓不平衡度和電壓畸變率均超過3.6%;投運之后，高壓側計量點處平均功率因數保持在0.99以上， 50次以內諧波限值全部合格，三相電壓不平衡度和電壓畸變率均小于1%，遠低于國標2%的限值。裝置投入后，牽引供電系統高壓側110kV公共計量點處電壓不平衡率、電流不平衡率、功率因數等電能質量技術參數現場測試數據展示如圖11、圖12、圖13。

5 結束語

目前，我國電氣化鐵路正處于交流傳動機車與直流傳動機車長期共存的新階段。通過交流傳動機車和直流傳動機車工作原理及電氣負荷特性分析，基于現場測試數據，本文對不同類型電力機車在同一個牽引變電所供電區段混跑導致的電能質量問題，進行了原因分析及可行性方案比選，設計了由鐵路功率調節器（RPC）和高通濾波器（HPF）構成的新型牽引供電系統電能質量治理方案，并進行了工程實施驗證。現場測試證明，新型方案切實可行，RPC和HPF的合理分工、有機配合，可同時實現負序治理、網壓穩定、功率因數提升、寬頻諧波抑制、車網諧振抑制等功能，全面解決了牽引供電系統電能質量問題，有效保證了混跑新局面下牽引供電系統安全、穩定運行。今后，項目組將對本方案的經濟性指標進一步優化，構建全功率等級裝置譜系，滿足鐵路干線、支線等多樣性應用需求。

參考文獻：

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