電氣化鐵路供電系統電能質量綜合補償技術研究
來源:用戶上傳
作者:
【摘 要】電氣化鐵路是經濟和社會發展的大動脈，機車牽引供電網的安全和穩定性關系著電氣化鐵路的正常運營。由于電力機車采取單相和整流方式供電，電力機車負荷產生的負序、諧波和無功等電能質量問題，嚴重威脅著電氣化鐵路牽引供電網和上級電力系統的安全和穩定運行。因此，必須采取有效的電氣化鐵路電能質量綜合補償措施，提高牽引供電網供電的安全可靠性。
【關鍵詞】牽引供電;電能質量;補償技術
電氣化鐵路帶動了經濟和社會的發展，其運行質量在很大程度上受到供電系統的安全和穩定性影響。電力機車的供電方式為單相和整流式，在供電過程中出現的諧波、負序以及無功率等問題對電能的質量帶來很大的影響，進而影響到供電系統以及上級供電網的穩定、安全運行。因此，做好電能質量綜合補償措施，增強供電網供電可靠性，具有十分重要的意義。
一、慨述
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、牽引供電系統存在的電能質量問題
1、無功問題。傳統的相控型交直機車的功率因數較低，在過去相當長的一段時期內，無功是電氣化鐵路解決的主要問題。隨著傳動技術的進步，相控型機車逐漸被交直交型電力機車或動車組所取代，其功率因數接近1。目前，幾乎所有的大功率機車和高速動車組均采用了交直交的傳動方式，可以預見，在較短的時期內，無功問題將不再是電氣化鐵路解決的主要問題。
2、諧波問題。隨著電力電子技術的進步，基于CTO、IGBT、IGCT等全控型器件的交直交變流器技術在電力機車和動車組中得到廣泛應用，使功率因數接近，低頻段的高次諧波得到顯著改善，但在更高頻率段的高次諧波反而增加。受交直交列車控制方式、開關器件的不同，其特征頻率亦不同。我國目前在線運行的交直交型機車或動車組種類多，今后亦不排除有其他型號的動車組或機車上線運行。高次諧波帶來的問題主要包括高次諧波共振引起的諧波電流放大、諧波電壓放大，由此導致電容器損壞、變壓器絕緣損壞、機車互感器、電容器損壞、諧波超標等。不同型號的動車組具有不同的高次諧波頻譜特性，供電系統本身具有一定的自振頻率，受供電臂長度、越區供電方式、系統容量、系統運行方式等多方面因素影響，牽引供電系統的自振頻率亦可發生變化。高速列車諧波頻譜的多樣化和牽引供電系統自振頻率變化導致高次諧波共振既具有必然性，又具有隨機性。由高次諧波引起的事故在鐵路局多次發生，隨著交直交車的大量普及，其影響范圍將遍及全路，高次諧波問題已成為影響牽引供電系統運行安全的重要因素。
3、負序問題。電氣化鐵路屬于單相負荷，反映至三相系統會產生相應的負序電流，在三相系統的負序阻抗作用下，負序電流引起負序電壓，造成電壓不平衡，通常用電壓不平衡度來評價負序。電壓不平衡度的大小受單相負荷容量和系統短路容量兩方面影響，系統短路容量大的電網系統承受單相負荷的能力越強，引起的電不平衡度越小。而在一定的系統短路容量下，單相負荷容量越大，則引起的電壓不平衡度問題越突出。就負序問題而言，采用自建的單相電網，與三相系統相對獨立，因此其單相負荷不反映到三相系統中，避免了電氣化鐵路的負序問題。牽引供電系統接入高壓電網，系統短路容量大，由于強大的電網做支撐，鐵路的負序問題并不突出。在鐵路系統中，接入電壓等級低，如既有線接入的電壓等級為系統，系統容量較小，負序問題則較為突出。鐵路的負序問題在部分電網系統較薄弱的地區較明顯，隨著大功率機車、高速列車的普及，未來中國鐵路的負序問題將成為主要的電能質量問題。
三、電氣化鐵路供電系統電能質量綜合補償技術
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。
1、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。
2、控制措施
?。?）協調控制?；究刂扑枷胧牵瑢崟r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。 ?。?）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。
隨著我國電氣化鐵路的迅猛發展，出現了更為嚴重和復雜的電能質量問題，更迫切地需要更好的牽引供電質量，同時對現代電力機車的性能要求也相應提高了。在實際的運行過程中，因為機車有著很大的牽引功率，因此對于補償裝置的容量需要較高，實際的容量還需從理論計算以及實踐運行相結合得出。在對諧波諧振的抑制和消除方面，爭取將影響降到最低。
參考文獻：
[1]劉明強.淺談鐵路配電系統電能質量綜合補償技術[J]. 中國鐵路，2016.
[2]張志文，王丹，谷月.淺談電氣化鐵路對電力系統的影響與分析[J]. 科技創新與應用，2015，07.
[3]胡斯佳，羅隆福，陳明飛.一種混合型電氣化鐵道電能質量綜合治理系統及其容量分析[J]. 電力自動化設備，2016.
?。ㄗ髡邌挝唬荷袢A包神鐵路公司）
轉載注明來源:http://www.hailuomaifang.com/1/view-14925253.htm
