電氣化鐵路牽引系統有源濾波檢測與控制研究

范子文

（國能朔黃鐵路發展有限責任公司 肅寧分公司，河北 滄州 062350）

1 牽引供電網和供電方式

在牽引供電網當中，軌道不僅對列車起到支撐作用，還能形成與接觸網組成220 kV的牽引供電的閉合回路[1-3]。根據我國電氣化系統的特點，牽引網供電有不同的形式，即直接供電、自耦變壓器供電、直供帶回流供電以及BT供電，不同的供電方式具有不同的特點。直接供電的成本低、結構簡單、建設和維護方便，但是直流供電中接觸網周圍形成較大的磁場，對電力和通信、廣播設施具有一定的干擾作用，影響了直流供電的使用，因此直接供電方式在我國的使用較少[4,5]。

2 某電氣化鐵路牽引供配電系統及等效模型

對某電氣化鐵路的供電系統進行研究，該220 kV變電站中含有兩臺220 kV主變，一臺變壓器容量為120 MVA。母線電壓110 kV的兩段采用并聯的方式運行，分別接入兩條電氣化鐵路牽引供電線路（牽一線和牽二線），這兩個供電線路分別給兩個牽引站供電，線路中的最小短路容量為1 166 MVA。對某電氣化鐵路牽引供電系統進行簡化，配電線路簡化模型如圖1所示。

圖1 變電站與牽引站供電系統運行方式及線路長度

在電氣化鐵路牽引系統配電中，兩個110 kV的牽引站甲、乙均有兩臺牽引變壓器，其中一個正常使用，另外一個備用。牽引站甲的兩臺變壓器獨立使用，分別接入電壓大小為220 kV的變電站，牽一線和牽二線的線路長44 km。牽引站乙的兩臺牽引變壓器分別通過兩條約7.2 km的牽線支線T接到牽一線和牽二線，220 kV變電站與T接點之間的距離約為9.5 km。在進行測試時，110 kV牽一線為110 kV牽引站甲供電，110 kV牽二線為110 kV牽引站乙供電，兩者分工明確、互不干擾。電氣化鐵路高次諧波集中在30～45次，50次以上諧波電流數值很小，可以忽略。

3 有源濾波器檢測方法和控制策略

針對配電系統產生諧波的特點，對產生的諧波進行檢測和控制，從而保證電氣化鐵路牽引系統的正常運行。

3.1 同步檢測法

采用同步檢測法對諧波電壓和電流分量進行補償，能夠獲得電壓和電流波形幅值相同的諧波[6,7]。同步檢測法適用于單相供電系統，可以使單相電壓和電流的波形更加趨于一致，保持供電系統較高功率的電力供應。采用現代技術理論對檢測方法進行更新和改進，將同步檢測法應用在非對稱線路的無功補償。對于傳統的諧波檢測方式，同步檢測法具備更強的抗干擾能力，能夠快速對信號做出響應。對于電力系統的無功補償研究，不同的檢測方法對應著不同的補償對象，常用的檢測方法有電流等效法和功率等效法。

不管采用何種檢測方法，首先需要明確電壓、電流等關系。對于配電系統來說，假設電壓ua、ub、uc對應著電壓幅值Ua、Ub、Uc，這些對應關系能夠在檢測過程中幫助更好地確定電壓幅值。同理，電流ia、ib、ic對應的電流幅值Ia、Ib、Ic，這些對應關系能夠在檢測過程中幫助更好地確定電流幅值。總功率P對應的功率幅值Pa、Pb、Pc，對于3種不同的對應規則，則可得到等量關系式：

同步檢測法不同于以往的檢測方法，該方法能夠用較短的時間和較高的正確率定位基波量，以基波量為基準進行諧波的無功補償。對于三相電路對稱的情況，同步檢測法能夠快速獲得電壓補償分量，但是非對稱情況下檢測獲得的諧波較少。

3.2 有源濾波器控制策略研究

無功補償消除諧波的效果會受到有源綜合補償控制策略的影響，合適的有源補償控制策略能夠有效提高消除諧波的效果[8]。對于有源濾波器而言，采用一定的控制方法和手段能夠保證控制系統的正常運行，能夠獲得準確、快速的指令，然后通過邏輯訓練等方法控制電子元器件的通斷，達到較好的濾波效果。控制換流器的操作方法和操作手段可以準確跟隨和指導指令信號，實現諧波的有源補償[9,10]。在控制策略中，有源綜合補償控制對象是雙橋臂單相電壓整流器，由4個IGBT組成。同步檢測法檢測電壓波形如圖2所示。

圖2 同步檢測法檢測電壓波形

3.2.1 交流側電流控制

在供電系統的交流側，信號補償遵循一定的原理，PWM補償指令信號控制系統包括PWM信號發生電路、驅動電路以及主系統。PWM組成驅動電路，通過弱電控制強電的方式對驅動電子進行控制，進而達到控制主電路電流、抑制諧波，實現有源補償[10]。在補償指令信號中，主系統和驅動電動都受到PWM信號的控制和影響，因此對交流側電流的控制是影響諧波的重要因素。

控制電壓型整流電路方式有滯環控制法、方形載波控制法以及自適應控制法，不同的方式各自有不同的特點。滯環控制法分別設置輸出上限和下限，以目標指令值為中心，通過對補償指令信號和補償電流的比較求出兩者的差值，然后用該結果差值與最初某一個選定的值進行對比，通過對比結構來改變電力元件的動作，控制換流器。

3.2.2 直流側電流控制

目前，對直流側電壓的控制不同于交流側電流控制，直流側控制相對簡單，主要采用控制整流橋路的方法和外加直流源的方法。兩種控制方法各有優點和缺點，控制整流橋路能夠滿足整個系統對直流側電壓控制的要求，而外加直流源能夠實現高精度控制。但是，高精度的控制增加了額外的損耗，導致配電系統龐大、結構復雜。

4 某牽引變電所諧波抑制策略

4.1 增加高次諧波過流保護裝置

為了實時監測、預警、保護輸出饋線上的諧波，需要設置高次諧波過流保護裝置。高次諧波過流保護裝置需要具備系統遙視、電能質量控制、保護控制等功能。系統遙視功能能夠遠距離監測高次諧波，發現問題能夠及時采取一定的整改措施。高次諧波過電流保護裝置能夠在諧波過流前進行預警和保護，對于諧波的頻段能夠進行較好的預測。

4.2 增加引入式復合濾波器

如果要實現有源補償，還需要設置濾波器，該濾波器需要符合最小容量。通過對實驗數據的分析，尋找高次諧波發生的特點，對其進行研究，逆向尋找諧波源頭，從而得到諧波能量。設置復合濾波器，考慮到輸出穩定性和線寬特性，能夠達到較好的濾波效果。

5 結 論

本文分析了諧波對電力機車系統的危害，闡述了電力系統模型構成和諧波控制原理。分別對交流側電流和直流側電流進行控制，采取科學的諧波抑制方案來達到較好的控制效果，對電氣化鐵路的安全運行具有重要意義。