霍中原

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典型重載鐵路電能質(zhì)量評估與控制方案研究

霍中原

選擇典型重載鐵路開展牽引供電系統(tǒng)實際測試，計算了主要電能質(zhì)量指標，分析了電能質(zhì)量主要特征分布，提出了多種電能質(zhì)量控制方案，可以對無功、諧波和負序電流進行綜合補償?；趯崪y數(shù)據(jù)仿真驗證了方案的有效性，為解決重載鐵路電能質(zhì)量問題提供了有效途徑。

重載鐵路；電能質(zhì)量；現(xiàn)場測試；評估；控制方案

0 引言

電力機車是電氣化鐵路的主要負荷，其特性決定了其對電氣化鐵路電能質(zhì)量的影響，特別是電力機車的基波和諧波特性決定了其通過牽引供電系統(tǒng)向電力系統(tǒng)注入的負序電流、諧波電流的大小，與功率因數(shù)水平和供電電壓波動也密切相關(guān)[1，2]。傳統(tǒng)的交-直型電力機車采用整流器+直流牽引電機的傳動模式，由晶閘管組成的整流橋?qū)崿F(xiàn)功率變換，諧波含量大且功率因數(shù)較低。而新型交-直-交型電力機車則采用整流器+逆變器+交流異步牽引電機的傳動模式，采用四象限PWM整流方式，諧波含量明顯減小，功率因數(shù)接近1，可以滿足大功率牽引的需求[3，4]。

當前在我國主要重載鐵路上，大量交-直型電力機車仍在廣泛使用，同時新型交-直-交型電力機車也陸續(xù)上線，一段時期內(nèi)將維持各型電力機車混行的運行組織方式。為了優(yōu)化牽引供電系統(tǒng)與外電源之間的匹配關(guān)系，有必要對重載線路牽引供電系統(tǒng)進行實際測試，基于相關(guān)標準，定量評估對應(yīng)牽引負荷特性下的電能質(zhì)量狀況，分析其主要特征和影響因素，有針對性地研究電能質(zhì)量控制方案，保證電能品質(zhì)和供電質(zhì)量。

1 典型電力機車負荷特性測試與分析

為了定量分析不同類型電力機車的負荷特性，在電力機車車載變壓器位置安裝電能質(zhì)量檢測裝置，檢測原邊電壓和電流。以交-直-交型電力機車為例，主要測點布置如圖1所示（▲為測點位置）。

以我國大秦線、大包線等重載線路推廣采用的HXD1型電力機車為例，測試其牽引性能，部分試驗數(shù)據(jù)分析結(jié)果如下：牽引及再生工況時機車取用功率與功率因數(shù)相關(guān)分布如圖2所示；圖3為實測過程電力機車網(wǎng)側(cè)最大功率對應(yīng)的諧波電流頻譜分布圖。

測試結(jié)果表明，以HXD1型機車為代表的典型交-直-交型電力機車，除較低功率運行工況外，其功率因數(shù)基本接近1，但諧波電流頻譜分布廣泛，高次諧波電流含量明顯，產(chǎn)生一定的偶次諧波電流。此外，電力機車的諧波電流分布特性與取用功率有明顯的相關(guān)性：當功率較低時，諧波電流總畸變率較大，單次諧波電流含量較高；當功率增大時，諧波電流總畸變率和單次諧波電流含量均顯著降低。

圖2 HXD1型電力機車網(wǎng)側(cè)功率與功率因數(shù)關(guān)系曲線圖

2 牽引變電所電能質(zhì)量測試與分析

選擇典型重載鐵路牽引供電系統(tǒng)開展電能質(zhì)量測試，該線路上主要是SS4系列和HXD1型電力機車，牽引變電所外部進線電源為110 kV電壓等級，牽引變壓器采用Scott接線方式。牽引變電所測試方案如圖4所示（▲為測點位置）。測試結(jié)果見表1—表5。

與電能質(zhì)量國家標準GB/T 12325-2008中相關(guān)規(guī)定比較，牽引變電所110 kV母線電壓最大正偏差為13%，最大負偏差為18%，均超過國家標準規(guī)定的允許值10%[5]。饋線側(cè)55 kV母線的最高電壓為58 kV，最低電壓僅為41 kV。此外，牽引變電所諧波電壓畸變率和三相電壓不平衡度也超過國標限值[6，7]，平均功率因數(shù)低于0.9。

圖4 牽引變電所測試裝置安裝示意圖

表1 牽引變電所110 kV進線電壓偏差統(tǒng)計結(jié)果表 kV

表2 55 kV母線電壓有效值統(tǒng)計結(jié)果表 kV

表3 牽引變電所110 kV側(cè)三相電壓總畸變率統(tǒng)計值表

表4 110 kV三相電壓不平衡度表

表5 牽引變電所平均功率因數(shù)表

3 治理方案

通過對典型重載鐵路電能質(zhì)量的分析可以看到，該線路功率因數(shù)低于0.9，諧波含量偏大，三相電壓不平衡度較為明顯。因此需要安裝必要的電能質(zhì)量補償裝置，提供動態(tài)無功支撐，穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓，兼顧治理諧波和負序電流。針對重載線路現(xiàn)狀，選擇合理的電能質(zhì)量控制方案，做到既能提高供電品質(zhì)，又能經(jīng)濟合理，具有工程化容易，維護和管理方便等優(yōu)點。

3.1 無功功率與低次諧波補償方案

SVC（Static Var Compensator）方案具有綜合治理效果好，初期投資低，回報收益快，占地面積小等優(yōu)點，并且國內(nèi)外已有成功應(yīng)用案例，可以有效提高牽引供電系統(tǒng)的功率因數(shù)，穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓。本文根據(jù)上述牽引變電所實際情況，初步選擇TCR型SVC作為無功功率補償和低次諧波抑制方案，主電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。由于牽引負荷中以3、5、7次諧波電流最為顯著，故對低次諧波電流的抑制是諧波治理的重點。濾波器采用單調(diào)諧濾波器（FC-Filter Capacitor），除需要在諧振頻率下有效濾除對應(yīng)諧波，還需要在基頻下提供固定的容性無功。晶閘管控制電抗器（TCR-Thyristor Controlled Reactor）通過改變控制角而改變導(dǎo)通時間，即調(diào)節(jié)電抗器電抗達到改變其感性無功輸出的目的，與FC一起動態(tài)補償機車負載需要的無功。

圖5 TCR型SVC牽引側(cè)主接線示意圖

按照上述方法和設(shè)計原則，取功率因數(shù)數(shù)值為0.92，計算出TCR型SVC主要參數(shù)，見表6。

表6 TCR型SVC方案主要電氣參數(shù)表

3.2 高次諧波補償方案

該重載線路牽引變電所饋線側(cè)存在一定量主要由HXD1型電力機車產(chǎn)生的高次諧波電流。由于高次諧波電流含量較低，對諧波電壓畸變的影響也較小，一般不需要專門治理。但若高次諧波頻段與牽引供電系統(tǒng)固有諧振頻段重疊，則容易引起高次諧波諧振，造成明顯的過電壓，易對高、低壓供電設(shè)備造成損壞。針對上述問題，可考慮安裝無源高通濾波器濾除高次諧波分量。目前，常用的高通濾波器為二階阻尼濾波器和C型濾波器。其中C型濾波器是在二階濾波器的并聯(lián)電感上串聯(lián)一個電容，通常將電感與電容在基波下調(diào)節(jié)成串聯(lián)諧振，從而使電阻支路短路，使電阻上消耗的功率減至最小[8，9]。在高頻下，這2種濾波器的濾波性能基本一致。以C型濾波器為例，可以將其接于牽引網(wǎng)末端分區(qū)所（該重載線路采用AT供電方式），電路連接如圖6所示。

圖6 C型高通濾波器主電路示意圖

3.3 負序電流補償方案

由于牽引供電系統(tǒng)采用單相工頻交流制，必然會在三相電網(wǎng)側(cè)出現(xiàn)一定量的負序電流，引起三相電壓不平衡問題。雖然該重載線路采用了Scott接線平衡變壓器，但由于兩臂負荷的獨立性和隨機波動性，造成三相電壓不平衡度仍然超標。而大功率電力電子技術(shù)的三相-單相對稱補償方案可以從根本上解決上述問題。例如日本新干線采用的RPC（Railway Static Power Conditioner）技術(shù)，其工作原理如圖7 a所示。Scott接線變壓器二次側(cè)的M座和T座的牽引母線上連接2臺單相換流器，并通過直流環(huán)節(jié)相連，使有功功率的流通成為可能，從而可以平衡Scott接線變壓器繞組負荷大小，有效地減小高壓側(cè)負序電流對三相電壓不平衡的影響。西南交通大學(xué)提出了同相供電技術(shù)方案，其工作原理如圖7 b所示。該方案可以從根本上解決電氣化鐵路牽引負荷造成的三相電壓不平衡問題，同時還可以取消變電所出口處的電分相，目前該技術(shù)已經(jīng)在中南部重載鐵路上開展工程試驗[10，11]。

a RPC技術(shù)

b 同相供電技術(shù)

圖7 基于大功率電力電子技術(shù)的牽引變電所負序電流補償方案示意圖

4 電能質(zhì)量綜合補償效果分析

通過在該重載線路牽引變電所采用上述電能質(zhì)量控制方案后，結(jié)合現(xiàn)有實測數(shù)據(jù)，可以仿真補償方案的應(yīng)用效果。其中兩供電臂的功率因數(shù)補償后可以達到0.93和0.95，實時分布如圖8所示。主要諧波電流抑制效果及牽引側(cè)母線電壓補償效果如表7、表8所示。采用同相供電技術(shù)補償負序電流，在實現(xiàn)完全補償?shù)那闆r下，連接供電臂的單相變流器動態(tài)補償電流分布如圖9所示。

a M臂功率因數(shù)

b T臂功率因數(shù)

圖8 投入SVC后牽引變電所兩供電臂實時功率因數(shù)分布圖

表7 投入SVC后各奇次諧波電流數(shù)據(jù)表 A

表8 投入SVC后牽引側(cè)母線電壓數(shù)據(jù)表 kV

圖9 連接供電臂的單相變流器動態(tài)補償電流分布圖

5 結(jié)語

當前重載鐵路牽引負荷特性對電能質(zhì)量的影響備受關(guān)注，本文選擇典型線路牽引供電系統(tǒng)開展實際測試，基于相關(guān)電能質(zhì)量標準，研究了電能質(zhì)量分布狀況和主要特性；根據(jù)不同補償對象和補償目標，提出了電能質(zhì)量綜合控制方案，結(jié)合實測數(shù)據(jù)，仿真驗證了上述方案的有效性和可行性，為解決重載鐵路電能質(zhì)量問題提供了有效途徑。

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On the basis of execution of actual test of traction power supply system for heavy load railway, calculation of main energy quality parameters and analysis of feature distribution of energy quality, the paper puts forward several schemes on energy quality control which are able to compensate comprehensively the reactive power, harmonics and negative current. The schemes, with their effectiveness verified by actual tested data, provide effective solutions to energy quality problems of heavy load railways.

Heavy load railway; energy quality; site test; assessment; control scheme

U223.5+2

B

1007-936X(2017)02-0001-04

霍中原.中鐵鐵道經(jīng)濟規(guī)劃研究院，高級工程師，電話：13910026957。

2017-01-10