張國東

【摘要】主要研究電氣化鐵路供電系統(tǒng)電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償技術(shù)，介紹了電氣化鐵路面臨的主要電能質(zhì)量問題，并對交直型電力機(jī)車供電系統(tǒng)綜合補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)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(lián)用的電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償系統(tǒng)，平衡了兩供電臂之間的負(fù)載，同時充分利用了晶閘管控制電容器，節(jié)省了有源功率控制器的使用，節(jié)省了電能質(zhì)量補(bǔ)償成本。

【關(guān)鍵詞】鐵路供電；電能質(zhì)量補(bǔ)償

鐵路是我國最重要的貨運(yùn)方式，是國家經(jīng)濟(jì)的大動脈，機(jī)車牽引供電網(wǎng)安全和穩(wěn)定性對電氣化鐵路正常運(yùn)營至關(guān)重要。但是電力機(jī)車使用單相以及整流的方式供電，存在著負(fù)序、諧波以及無功等電能質(zhì)量問題，采用一定的技術(shù)措施進(jìn)行電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償，是保證電氣化鐵路供電穩(wěn)定的重要措施。

一、電氣化鐵路電能質(zhì)量問題

電力牽引機(jī)車主要有直流和交流兩種，直流傳動機(jī)車使用晶閘管整流電路實(shí)現(xiàn)控制，功率因數(shù)較低，諧波含量較大，而交流傳動機(jī)車使用全控型功開關(guān)器件脈寬調(diào)制技術(shù)進(jìn)行控制，功率因數(shù)得到提高，降低了電力機(jī)車低次特征諧波電流。

對于直流牽引機(jī)車，使用晶閘控制方式，機(jī)車負(fù)載會導(dǎo)致大量諧波電流，總電流畸變?yōu)V波高達(dá)20%，功率因數(shù)僅為0.8，并且受單向負(fù)荷供電顯示，三相側(cè)會產(chǎn)生負(fù)序電流，在較高速度運(yùn)行時功率輸出受到限制，無法適應(yīng)高速、重載鐵路運(yùn)行要求，交流傳動技術(shù)發(fā)展起來。高速交流鐵路機(jī)車使用自耦變壓器進(jìn)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(jī)車負(fù)荷沖擊性較高，會產(chǎn)生較大電壓波動和閃變。高速鐵路電力機(jī)車功率較大，負(fù)序更加嚴(yán)重。

二、交直型電力機(jī)車供電系統(tǒng)綜合補(bǔ)償技術(shù)

直流電機(jī)傳動在國內(nèi)鐵路歷程中仍然占較大比重。直流傳動電力機(jī)車使用整流方式為直流電機(jī)提供電源。為了進(jìn)一步降低有源裝置容量，可通過鐵路功率調(diào)節(jié)器和晶閘管控制電容器聯(lián)用進(jìn)行綜合補(bǔ)償，使用晶閘管控制器補(bǔ)償大部分無功功率，減少鐵路公路功率控制器負(fù)載。

（一）基本結(jié)構(gòu)

為了降低鐵路功率控制器負(fù)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(bǔ)償系統(tǒng)，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(wǎng)兩供電臂，供電臂下設(shè)置晶閘管控制電容器，和功率控制器并聯(lián)，接在降壓變?nèi)萜鞫蝹?cè)下。

為了滿足鐵路供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的綜合補(bǔ)償，要求補(bǔ)償裝置要能夠?qū)晒╇姳垭娏C(jī)車產(chǎn)生的諧波進(jìn)行有效控制，同時還能夠有效補(bǔ)償電力機(jī)車負(fù)荷產(chǎn)生的無功功率，升高兩供電臂網(wǎng)側(cè)電流功率到1。同時還要通過有功轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移機(jī)車重載側(cè)供電臂有功功率負(fù)荷到輕載側(cè)，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(bǔ)償系統(tǒng)使用晶閘管進(jìn)行大部分有功無級調(diào)節(jié)，使用鐵路功率控制器只需進(jìn)行少量無功連續(xù)調(diào)節(jié)，其大部分容量都用來補(bǔ)償負(fù)序電流，同時抑制諧波。這種補(bǔ)償拓補(bǔ)結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)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(jié)省了成本。

（二）控制策略

鐵路功率控制器-晶閘管控制器聯(lián)合補(bǔ)償系統(tǒng)的控制關(guān)鍵是功率控制器和晶閘管控制電容器之間的協(xié)調(diào)配合。

1.協(xié)調(diào)控制

基本控制思想是，實(shí)時計算兩相供電臂負(fù)載電流，分離有功和無功，獲得鐵路功率控制器需要補(bǔ)償?shù)目偀o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(bǔ)償量是負(fù)序、諧波以及少量無功補(bǔ)償，確定鐵路功率控制器補(bǔ)償量流后，配合直流側(cè)電壓穩(wěn)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(bǔ)償電流，推理獲得投切組數(shù)，發(fā)布驅(qū)動信號完成投切動作，實(shí)現(xiàn)鐵路功率控制器和晶閘管電容控制器的協(xié)調(diào)控制。

2.負(fù)序、諧波無功檢測

電氣化鐵路是單相系統(tǒng)，負(fù)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(shí)時電流相乘，并將乘積相加，經(jīng)過低通濾波之后，值為兩相有功電流峰值一半，該值就是補(bǔ)償后的兩相供電臂電流峰值理想值。補(bǔ)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(dān)全部無功補(bǔ)償，檢測分離無功電流，和有功電流疊加，減去供電臂負(fù)載電流，最終獲得鐵路功率控制器的負(fù)序和諧波參考量。

供電臂負(fù)載電流乘以供電臂電壓之后π/2信號，化簡，發(fā)現(xiàn)供電臂負(fù)載電流和電壓π/2信號乘積的直流部分是負(fù)載無功電流峰值的1/2，使用低通濾波器能夠?qū)⒅绷鞣至窟^濾出來。兩端供電利弊的無功電流均能夠采用這種方法進(jìn)行檢測，為負(fù)序和諧波檢測提供無功信息的勇士，能夠消除諧波補(bǔ)償量和負(fù)序補(bǔ)償量中的無功補(bǔ)償量，并為鐵路功率控制器和晶閘管控制電容器無功補(bǔ)償量分配提供信息支持。負(fù)序與諧波補(bǔ)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(zhuǎn)移平衡兩個供電臂上的負(fù)序，諧波補(bǔ)償量是負(fù)載諧波電流負(fù)值，再通過無功補(bǔ)償能夠完全消除有功、無功造成的負(fù)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(wěn)定的直流側(cè)電壓，所以有源功率控制器需要同時負(fù)責(zé)直流側(cè)電壓控制，兩個變流器單元同時進(jìn)行諧波一致和無功補(bǔ)償以及整流逆變，通過一個直流側(cè)進(jìn)行連接，可以理解為兩個獨(dú)立變流器，同時承擔(dān)功率模塊開關(guān)損耗，保證兩個變流器的功率相等，實(shí)現(xiàn)三相電流對稱。

因此，有源功率控制器補(bǔ)償參考電流是負(fù)序、諧波和無功參考電流上疊加直流側(cè)電壓控制需要的有功電流，直流側(cè)電壓通過兩個變流器共同維持，兩個變流器側(cè)功率平衡，都能夠保持較高的相應(yīng)速度，因此，有源功率控制可理解為直流側(cè)電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)雙環(huán)控制。

結(jié)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(chǔ)運(yùn)輸中有著非常重要的地位。電力機(jī)車特殊的運(yùn)行供電方式導(dǎo)致其存在負(fù)序、諧波和無功等電能質(zhì)量問題，對牽引供電網(wǎng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生了很大安全隱患，而電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償技術(shù)則能夠?qū)﹄娔苜|(zhì)量問題進(jìn)行有效控制，研究電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償技術(shù)的關(guān)鍵在于，在保證電能質(zhì)量和牽引電路安全穩(wěn)定的同時，如何降低補(bǔ)償成本，有源功率補(bǔ)償和晶閘管功率補(bǔ)償聯(lián)用就能夠獲得滿意的效果。

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