李學(xué)斌

（中國鐵建電氣化局集團(tuán)有限公司，北京 100043）

高速鐵路牽引供電電能質(zhì)量補(bǔ)償系統(tǒng)研究

李學(xué)斌

（中國鐵建電氣化局集團(tuán)有限公司，北京 100043）

為了解決高速鐵路牽引供電系統(tǒng)不平衡現(xiàn)象，對電氣化鐵路功率補(bǔ)償裝置進(jìn)行研究并進(jìn)行了補(bǔ)償實(shí)驗(yàn)。采用級聯(lián)型換流電路以及“背靠背”方式作為27.5 kV電壓等級電氣化鐵路的綜合補(bǔ)償及諧波抑制拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，研究了適用于該結(jié)構(gòu)的負(fù)序、諧波及無功快速檢測方法及控制方法，并開發(fā)出一套鐵路綜合補(bǔ)償系統(tǒng)裝置。仿真及試驗(yàn)表明該裝置能夠有效實(shí)現(xiàn)牽引供電臂之間功率流動以及補(bǔ)償?shù)瓤刂颇繕?biāo)。

高速鐵路；牽引供電；功率補(bǔ)償

1 引言

目前電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)通過將外部三相110～220 kV電源轉(zhuǎn)換成兩相27.5 kV對機(jī)車進(jìn)行單相供電，即電壓通過牽引變壓器進(jìn)行ABC-ab（αβ）轉(zhuǎn)換。在每個區(qū)間列車只能從一個供電臂獲得單相電能，因此電氣化鐵路并不是一個平衡負(fù)荷，為了減少這種不平衡負(fù)荷對電網(wǎng)帶來的不利影響，采用固定無功補(bǔ)償、SVC、相序輪換等措施，具有一定效果，但不能完全抵消不平衡負(fù)荷影響［1～5］。新近研制的用于鐵路的綜合電能質(zhì)量控制系統(tǒng)（RUPQC）是一種三相-兩相電網(wǎng)諧波及功率柔性補(bǔ)償裝備，可以實(shí)時調(diào)節(jié)供電系統(tǒng)補(bǔ)償功率，從而完全消除不平衡現(xiàn)象。

2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

RUPQC是2009年國家科技支撐計劃“中國高速列車關(guān)鍵技術(shù)研究及裝備研制”項(xiàng)目研究內(nèi)容之一，所研制的RUPQC系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

牽引變電站進(jìn)線為110 kV，出線為27.5 kV，牽引變壓器采用V/V接線。兩牽引供電臂分別接有1.6 Mvar的固定補(bǔ)償電容。補(bǔ)償裝置接于牽引變壓器低壓側(cè)的2個供電臂上，采用單相背靠背結(jié)構(gòu)，每相容量為4 MV·A（額定電流為72.7 A），由分裂變壓器降至550 V，由24個功率單元（H橋）在交流側(cè)并聯(lián)、直流側(cè)串聯(lián)形成。其中每級功率單元額定電流約為300 A，直流側(cè)電壓為900 V。該拓?fù)淇梢酝ㄟ^轉(zhuǎn)移兩供電臂有功功率，補(bǔ)償無功功率，并發(fā)出相應(yīng)的諧波，從而能夠?qū)Ω咚勹F路中的負(fù)序和諧波電流進(jìn)行綜合治理，并具備電壓波動和閃變抑制能力。

圖1RUPQC系統(tǒng)原理圖Fig.1 RUPQC system schematic diagram

3 補(bǔ)償控制策略

3.1 補(bǔ)償原理

以a（α）相供電臂有機(jī)車負(fù)載，而b（β）相供電臂無機(jī)車負(fù)載為例來分析裝置補(bǔ)償能力。為了便于分析，假設(shè)牽引變壓器變比為1。

如圖2所示，UA，UB，UC為牽引變壓器原邊三相電壓，Ua，Ub為牽引變壓器副邊兩橋臂電壓，其相角相差60°。補(bǔ)償前，只有a橋臂有有功負(fù)載，首先通過RUPQC轉(zhuǎn)移一半的有功電流到b橋臂，此時兩橋臂電流的幅值相等，相角相差60°，不平衡度由原來的100%變?yōu)?0%。在此基礎(chǔ)上，在a橋臂補(bǔ)償一定的容性無功電流使電流超前該橋臂電壓30°，而在b橋臂補(bǔ)償一定的感性無功電流使電流滯后該橋臂電壓30°，這樣補(bǔ)償之后得到的兩橋臂電流分別與重合，相角相差120°，由此可以得到原邊C相電流為IC，此時原邊三相電流完全對稱負(fù)序電流為0并且原邊三相功率因數(shù)都為1，達(dá)到了負(fù)序補(bǔ)償?shù)哪康摹Ｔ俑鶕?jù)檢測到的機(jī)車負(fù)載諧波電流，分別向相應(yīng)的供電臂注入幅值相等相位相反的電流即可補(bǔ)償諧波。

圖2 系統(tǒng)負(fù)序補(bǔ)償矢量原理圖Fig.2 Negative currents compensation

3.2 控制策略

假定補(bǔ)償裝置能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)序和無功的完全補(bǔ)償，則對于V/V接線的牽引變壓器，若a相和b相的負(fù)載有功和無功功率分別為Pα，Pβ和Qα，Qβ，則裝置的補(bǔ)償功率應(yīng)為

補(bǔ)償裝置控制系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 控制策略框圖Fig.3 Block diagram of the control system

4 仿真結(jié)果

根據(jù)系統(tǒng)原理圖進(jìn)行PSCAD仿真，假定110kV側(cè)電力系統(tǒng)的短路容量為800 MV·A，牽引變壓器容量為32 MV·A，漏抗為10%。24個單相變壓器并聯(lián)等效一個24分裂變壓器，其中每個單相變壓器容量為84 kV·A，變比27.5 kV/500 V，漏抗為10%。各H橋采用三電平控制方式，載波頻率為3 000 Hz，各H橋載波之間相移7.5°。負(fù)載用電流源代替，設(shè)定0.1 s時補(bǔ)償裝置投入充電，0.15 s限流電阻旁路，0.2 s開始補(bǔ)償。仿真步長為10 μs，時間為1 s。裝置的系統(tǒng)側(cè)功率、負(fù)序電流和牽引側(cè)有功功率的仿真結(jié)果如下。

4.1 兩相均發(fā)出2 Mvar的無功功率

考慮到兩橋臂電壓均有1.6 Mvar的固定補(bǔ)償，故設(shè)定兩相負(fù)載均為3.6 Mvar的純無功負(fù)載。

圖4中系統(tǒng)側(cè)無功功率及基波負(fù)序電流在補(bǔ)償后降為零，表明系統(tǒng)側(cè)的無功功率均由補(bǔ)償裝置進(jìn)行了補(bǔ)償。

圖4 兩相均發(fā)出2 Mvar的無功功率Fig.4 Simulation results of the 2 Mvar reactive power generated by 2 phases

4.2 兩相間傳遞有功功率

為了實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償，在傳遞有功功率的同時還需傳遞無功功率。兩相間傳遞功率的方式一樣。設(shè)定β相負(fù)載電流幅值為0.12 kA，相位為30.19°，α相負(fù)載電流幅值為0.058 18 kA，相位為90°。在此工況下，補(bǔ)償裝置每相總的輸出功率為2 MV·A。

圖5中系統(tǒng)側(cè)無功及負(fù)序電流得到了補(bǔ)償，并且α-β兩相有功功率經(jīng)過傳遞后輸出相等，實(shí)現(xiàn)了平衡。

圖5α相向β相傳遞有功功率Fig.5 Simulation results of the active power delivered fromαtoβ

理論分析及仿真實(shí)驗(yàn)表明，RUPQC能夠?qū)崿F(xiàn)有功和無功的雙向流動，并保持各直流電容電壓的平衡。在使用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償控制策略后，可有效地對電氣化鐵路產(chǎn)生的無功功率和負(fù)序電流進(jìn)行補(bǔ)償。

5 RUPQC裝置試驗(yàn)

該裝置采用集裝箱標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，占地小，施工及使用方便靈活。接入試驗(yàn)27.5 kV電網(wǎng)系統(tǒng)。功率單元的開關(guān)頻率為3 kHz，因此實(shí)際設(shè)備波形的畸變率較小。

5.1 有功功率傳遞

進(jìn)行了0～100%功率傳遞試驗(yàn)。圖6a為有功傳遞為50%時，發(fā)出有功功率一側(cè)的電網(wǎng)電壓與電流波形，由于網(wǎng)側(cè)電壓過高，因此測試點(diǎn)的網(wǎng)側(cè)電壓為經(jīng)過PT后至模擬板的電壓，其相位與實(shí)際的電網(wǎng)電壓同相。實(shí)際的電流有效值為36.4 A，網(wǎng)側(cè)額定電流為72.7 A，其相位基本一致。圖6b為吸收有功功率側(cè)的電網(wǎng)電壓與電流（電流有效值為36.8 A，其相位相差180°）。

圖6 有功功率傳遞Fig.6 Active power delivery

5.2 無功功率測試

圖7a為系統(tǒng)給定容性無功功率為額定的50%時，網(wǎng)側(cè)電壓與電流，此時電流超前電壓90°，電流有效值為37.1 A。圖7b為系統(tǒng)給定感性無功功率為額定的50%時，網(wǎng)側(cè)電壓與電流，此時電流滯后電壓90°，其電流有效值為36.9 A。

5.3 諧波測試

圖8所示分別為5次，7次諧波給定時網(wǎng)側(cè)電壓與電流，為防止影響電網(wǎng)，因此在實(shí)際測試中所發(fā)出的補(bǔ)償諧波幅值較小，其幅值為額定電流的5%。

圖7 無功功率試驗(yàn)Fig.7 Reactive power generation

圖8 補(bǔ)償諧波測試波形Fig.8 Harmonics compensation test

6 結(jié)論

RUPQC是新一代基于大功率全控型電力電子器件的動態(tài)無功補(bǔ)償裝置，理論研究及試驗(yàn)表明對電鐵電能質(zhì)量進(jìn)行治理具備如下優(yōu)點(diǎn)：1）不需要電抗器等，直接利用VSC變流器進(jìn)行有功交換與無功補(bǔ)償，而且無論有功無功均能進(jìn)行雙向調(diào)節(jié)，充分適應(yīng)電鐵負(fù)荷變化大的特點(diǎn)，不采用電抗器也使裝置的運(yùn)行損耗大大降低，節(jié)省大量電能；2）相對于SVC，響應(yīng)速度更快，響應(yīng)速度可達(dá)5 ms，動態(tài)調(diào)節(jié)能力強(qiáng)、負(fù)荷率適應(yīng)性好、工作效率高、輸出諧波含量小，可以實(shí)現(xiàn)有功、無功功率的4象限控制，可在對變電所兩供電臂無功動態(tài)補(bǔ)償?shù)耐瑫r，調(diào)節(jié)兩供電臂的有功潮流，實(shí)現(xiàn)其負(fù)荷的動態(tài)平衡；3）可通過有功控制，實(shí)現(xiàn)2個變壓器向1個供電臂供電，提高供電變壓器的效率，擴(kuò)展現(xiàn)有變電站運(yùn)能；4）布置緊湊，占地面積小，僅為SVC的1/3～1/2。該裝置目前要獲得普及，主要面臨建設(shè)成本問題，但隨著硬件成本下降，該問題有望得到解決。

［1］ 韓智玲.淺析電力機(jī)車對牽引網(wǎng)電能質(zhì)量的影響［J］.電氣傳動，2010，40（4）：41-43.

［2］ 張力強(qiáng)，羅文杰，呂利軍.電氣化鐵路牽引負(fù)荷的不利影響及治理方案［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2006，30（S1）：196-198.

［3］ 曾燦林，羅安，馬伏軍，等.新型高速鐵路電能質(zhì)量補(bǔ)償系統(tǒng)及參數(shù)設(shè)計［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2011，35（10）：64-69.

［4］ 盤宏斌，羅安，涂春鳴，等.并聯(lián)型高電能質(zhì)量調(diào)節(jié)裝置的研制［J］.電網(wǎng)技術(shù)，2009，33（1）：11-16.

［5］ 劉海波，毛承雄，陸繼明，等.基于多繞組變壓器隔離型變換器的鏈?zhǔn)絊TATCOM研究［J］.電力自動化設(shè)備，2007，27（12）：5-9.

修改稿日期：2013-12-10

Power Quality Compensation for High-speed Railway Traction Power Supply System

LI Xue-bin
（China Railway Construction Electrification bureau Group，Beijing100043，China）

A set of power compensation system was developed to eliminate power unbalances caused by electrified railway traction network.The cascaded and“back to back”prototype structure for railway unified power quality compensator（RUPQC）at 27.5 kV level has been built and its control method to detect and compensate the negative voltage，harmonics and reactive power in real time was also proposed.The simulation and experiments results show that the RUPQC system can effectively control and compensates the power flow between two AT traction power supply arms.

high-speed railway；traction power supply；power compensation

TM917

A

國家科技支撐計劃資助項(xiàng)目（2009BAG12A09）

李學(xué)斌（1975-），男，博士，高級工程師，Email：xblee2013@sohu.com

2013-10-17