田龍

(中鐵七局電務(wù)公司,河南鄭州 450000)

基于RPC的鐵路供電系統(tǒng)供電質(zhì)量研究

田龍

(中鐵七局電務(wù)公司,河南鄭州 450000)

本文分析了高速鐵路電力系統(tǒng)中電能存在負(fù)序、諧波等問題,及其引發(fā)的危害,使用了RPC對供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量的控制,完全消除三相電流的負(fù)序電流,并控制諧波電流。

高速鐵路 負(fù)序 諧波 PRC

眾所周知,鐵路供電系統(tǒng)由牽引供電系統(tǒng)和電力供電系統(tǒng)兩部分組成。牽引供電系統(tǒng)是從電力系統(tǒng)接引電源,經(jīng)過降壓轉(zhuǎn)換后提供給電力機車供電的電力網(wǎng)絡(luò),主要是由牽引變電所與接觸網(wǎng)兩部分組成。而電力系統(tǒng)是三相高壓供電系統(tǒng)。牽引變電所是將電力供電系統(tǒng)的高壓輸電線輸送的電能,按照對電流和電壓不同的電力牽引要求,轉(zhuǎn)換為適合電力牽引的電能,再輸送給沿線上架設(shè)的接觸網(wǎng),提供給沿線行駛的電力機車。

1 鐵路供電系統(tǒng)存在的問題分析

鐵路供電系統(tǒng)的自耦變壓器(AT)以單相供電方式供電,勢必在牽引所的高壓三相側(cè)產(chǎn)生電流不平衡,并輸入負(fù)序電流給上一層電力系統(tǒng)。該負(fù)序電流的大小因此和牽引變壓器相關(guān)。牽引變壓器是一種將三相高壓交流電轉(zhuǎn)化為較低壓的單相交流電的變壓器。鐵路供電系統(tǒng)中的三相高壓電力系統(tǒng)的負(fù)序電流大小由牽引變壓器和電力機車運行情況兩個方面決定。

目前,高速鐵路電力系統(tǒng)的電能存在負(fù)序、諧波等兩個主要問題,從而危害電力設(shè)備的正常運行并增加損耗,以至于造成電力事故,使得牽引供電系統(tǒng)本身和上級電力系統(tǒng)的安全得不到保障。負(fù)序電流使同步電機附加損耗和轉(zhuǎn)子發(fā)熱增大,而且引起附加震動。一旦負(fù)序電流偏大,以負(fù)序分量啟動的電力系統(tǒng)繼電保護裝置將出現(xiàn)誤工作,引起三相電流不平衡,同時出現(xiàn)不平衡的三相電流,并出現(xiàn)一相電流最大額度限制變壓器的額定處理,從而是的變壓器的有效利用率降低,而且,會增加變壓器的漏磁和局部過熱。當(dāng)該電流流過電力網(wǎng)絡(luò),也使得電能損耗,增加線損,造成電網(wǎng)的電能輸送質(zhì)量降低。而諧波將增加電線的損耗,縮短輸電線的正常使用時間;電力電容器出現(xiàn)諧振,損壞電力電容器,從而增加旋轉(zhuǎn)電機與變壓器的損耗。

因此,我們采用實效的電能質(zhì)量控制技術(shù),綜合治理諧波和負(fù)序兩個主要問題,從而提高鐵路電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量具有非常重要的經(jīng)濟意義。

2 RPC原理

鐵路功率調(diào)節(jié)器(Railway Static Power Conditioner,簡稱RPC)采用兩個電壓源變流器背靠背結(jié)構(gòu),交流側(cè)分接于變電所兩供電臂和直流側(cè)共用電容。該調(diào)節(jié)器具有平衡功率,補償無功,穩(wěn)定電壓和有源濾波等功能。RPC在抑制電壓波動,平衡系統(tǒng)電壓,以及過濾諧波都具有良好的效果,并且在無功補償?shù)耐瑫r能實現(xiàn)有功功率的轉(zhuǎn)移,而且有有源濾波的功能。RPC的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 RPC的結(jié)構(gòu)圖

RPC的結(jié)構(gòu)含四個單相逆變H橋,其中的兩個H橋共用一個直流電容,形成了背靠背結(jié)構(gòu),類似若干個H橋結(jié)構(gòu)并聯(lián),通過降壓變壓器和輸出電感接入三相V/v牽引變壓器的兩個二次輸出端。RPC屬于有源裝置,其對兩個H橋進行合適控制,能夠達(dá)到負(fù)序補償,無功補償和抑制諧波抑制。RPC調(diào)節(jié)器轉(zhuǎn)移三相V/v變壓器的二次側(cè)兩供電臂有效功率,使部分負(fù)荷有功功率從功率大的一端轉(zhuǎn)移到功率偏小的一端供電臂,實現(xiàn)了兩供電臂具有相等的有功負(fù)荷,而且為了達(dá)到補償負(fù)序電流的作用,在兩供電臂會出現(xiàn)補償部分無功功率。RPC調(diào)節(jié)器通過產(chǎn)生諧波來消除諧波來實現(xiàn)諧波抑制。

3 鐵路電力系統(tǒng)RPC的運用

RPC中要實現(xiàn)鐵路電力系統(tǒng)中的負(fù)序和諧波補償,就需要使得調(diào)節(jié)器中兩變流器跟蹤負(fù)序和諧波電流補償這兩個參考量。當(dāng)兩變流器獲得穩(wěn)定的直流側(cè)電壓時,才能正常工作。RPC的兩個變流器單元都有無功補償、抑制諧波和整流的功能,它們通過一個直流電容鏈接起來,一定程度上,可以理解為兩個單獨的變流器。RPC調(diào)節(jié)器的直流側(cè)電壓通過這兩個變流器共同釋放或補充有功。兩變流器在直流電壓比參考電壓低時,共同給RPC充電;兩變流器在直流側(cè)電壓比參考電壓高時,會向電網(wǎng)釋放電能,這樣使直流側(cè)電壓得到穩(wěn)定。兩供電臂一起承擔(dān)了功率模塊開關(guān)損耗,從而確保了RPC兩變流器兩側(cè)功率相等,最終實現(xiàn)三相電流的對稱。

4 RPC的功能分析

RPC的補償參考電流是在最初負(fù)序和諧波參考電流的基礎(chǔ)上,累加一個直流側(cè)電壓和有功電流分量。直流側(cè)電壓的誤差經(jīng)過調(diào)節(jié)后,在RPC有功指令下,和負(fù)序和諧波補償電流指令累加,得到RPC實際電流參考指令。為了確保兩變流器的兩側(cè)功率平衡,需要通過直流側(cè)電壓和兩變流器共同維持,功率損耗由兩臂分擔(dān)。為了實現(xiàn)兩變流器有較快的速度,RPC調(diào)節(jié)器選用了環(huán)控制方法。RPC實際上需要采用電流內(nèi)環(huán)和直流側(cè)電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制策略。開關(guān)控制信號在電流跟蹤誤差較大時,會出現(xiàn)信號變化頻繁。而跟蹤誤差在環(huán)寬較大時也相應(yīng)較大。RPC調(diào)節(jié)器在兩供電臂功率不等時,應(yīng)當(dāng)合理設(shè)置滯環(huán)環(huán)寬,采用的方式是通過比較合適的功率調(diào)整,使得兩供電臂的功率調(diào)整為相同值,最終達(dá)到抑制兩供電臂諧波和消除三相電流負(fù)序電流的目的,因此補償效果明顯。

5 結(jié)語

鐵路電力系統(tǒng)中采用RPC可以通過平衡兩供電臂的功率,包括有功和無功功率,完全消除三相電流的負(fù)序電流。實際上,RPC對對高次諧波的抑制較弱,而對低次諧波的抑制較好。

[1]吳傳平等.采用V/v變壓器的高速鐵路牽引供電系統(tǒng)負(fù)序和諧波綜合補償方法.中國電機工程學(xué)報[J].2010-06.

[2]孟金嶺等.適用于高速電氣化鐵路的低成本電能質(zhì)量綜合補償裝置.電力系統(tǒng)保護與控制[J].2013-07.

[3]張洪浩.負(fù)序和諧波抑制變壓器磁特性和電特性研究.湖南大學(xué)碩士論文.2012-04.

[4]張志文等.高速電氣化鐵路負(fù)序和諧波統(tǒng)一治理方法.電機與控制學(xué)報[J].2013-08.

[5]陳民武,宮衍圣,黃文勛.高速鐵路牽引負(fù)荷特性及其對電能質(zhì)量的影響.中國鐵路[J].2011-03.