范子文

（國能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司 肅寧分公司，河北 滄州 062350）

1 牽引供電網(wǎng)和供電方式

在牽引供電網(wǎng)當(dāng)中，軌道不僅對列車起到支撐作用，還能形成與接觸網(wǎng)組成220 kV的牽引供電的閉合回路[1-3]。根據(jù)我國電氣化系統(tǒng)的特點(diǎn)，牽引網(wǎng)供電有不同的形式，即直接供電、自耦變壓器供電、直供帶回流供電以及BT供電，不同的供電方式具有不同的特點(diǎn)。直接供電的成本低、結(jié)構(gòu)簡單、建設(shè)和維護(hù)方便，但是直流供電中接觸網(wǎng)周圍形成較大的磁場，對電力和通信、廣播設(shè)施具有一定的干擾作用，影響了直流供電的使用，因此直接供電方式在我國的使用較少[4,5]。

2 某電氣化鐵路牽引供配電系統(tǒng)及等效模型

對某電氣化鐵路的供電系統(tǒng)進(jìn)行研究，該220 kV變電站中含有兩臺(tái)220 kV主變，一臺(tái)變壓器容量為120 MVA。母線電壓110 kV的兩段采用并聯(lián)的方式運(yùn)行，分別接入兩條電氣化鐵路牽引供電線路（牽一線和牽二線），這兩個(gè)供電線路分別給兩個(gè)牽引站供電，線路中的最小短路容量為1 166 MVA。對某電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行簡化，配電線路簡化模型如圖1所示。

圖1 變電站與牽引站供電系統(tǒng)運(yùn)行方式及線路長度

在電氣化鐵路牽引系統(tǒng)配電中，兩個(gè)110 kV的牽引站甲、乙均有兩臺(tái)牽引變壓器，其中一個(gè)正常使用，另外一個(gè)備用。牽引站甲的兩臺(tái)變壓器獨(dú)立使用，分別接入電壓大小為220 kV的變電站，牽一線和牽二線的線路長44 km。牽引站乙的兩臺(tái)牽引變壓器分別通過兩條約7.2 km的牽線支線T接到牽一線和牽二線，220 kV變電站與T接點(diǎn)之間的距離約為9.5 km。在進(jìn)行測試時(shí)，110 kV牽一線為110 kV牽引站甲供電，110 kV牽二線為110 kV牽引站乙供電，兩者分工明確、互不干擾。電氣化鐵路高次諧波集中在30～45次，50次以上諧波電流數(shù)值很小，可以忽略。

3 有源濾波器檢測方法和控制策略

針對配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波的特點(diǎn)，對產(chǎn)生的諧波進(jìn)行檢測和控制，從而保證電氣化鐵路牽引系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3.1 同步檢測法

采用同步檢測法對諧波電壓和電流分量進(jìn)行補(bǔ)償，能夠獲得電壓和電流波形幅值相同的諧波[6,7]。同步檢測法適用于單相供電系統(tǒng)，可以使單相電壓和電流的波形更加趨于一致，保持供電系統(tǒng)較高功率的電力供應(yīng)。采用現(xiàn)代技術(shù)理論對檢測方法進(jìn)行更新和改進(jìn)，將同步檢測法應(yīng)用在非對稱線路的無功補(bǔ)償。對于傳統(tǒng)的諧波檢測方式，同步檢測法具備更強(qiáng)的抗干擾能力，能夠快速對信號做出響應(yīng)。對于電力系統(tǒng)的無功補(bǔ)償研究，不同的檢測方法對應(yīng)著不同的補(bǔ)償對象，常用的檢測方法有電流等效法和功率等效法。

不管采用何種檢測方法，首先需要明確電壓、電流等關(guān)系。對于配電系統(tǒng)來說，假設(shè)電壓ua、ub、uc對應(yīng)著電壓幅值Ua、Ub、Uc，這些對應(yīng)關(guān)系能夠在檢測過程中幫助更好地確定電壓幅值。同理，電流ia、ib、ic對應(yīng)的電流幅值Ia、Ib、Ic，這些對應(yīng)關(guān)系能夠在檢測過程中幫助更好地確定電流幅值?？偣β蔖對應(yīng)的功率幅值Pa、Pb、Pc，對于3種不同的對應(yīng)規(guī)則，則可得到等量關(guān)系式：

同步檢測法不同于以往的檢測方法，該方法能夠用較短的時(shí)間和較高的正確率定位基波量，以基波量為基準(zhǔn)進(jìn)行諧波的無功補(bǔ)償。對于三相電路對稱的情況，同步檢測法能夠快速獲得電壓補(bǔ)償分量，但是非對稱情況下檢測獲得的諧波較少。

3.2 有源濾波器控制策略研究

無功補(bǔ)償消除諧波的效果會(huì)受到有源綜合補(bǔ)償控制策略的影響，合適的有源補(bǔ)償控制策略能夠有效提高消除諧波的效果[8]。對于有源濾波器而言，采用一定的控制方法和手段能夠保證控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，能夠獲得準(zhǔn)確、快速的指令，然后通過邏輯訓(xùn)練等方法控制電子元器件的通斷，達(dá)到較好的濾波效果?？刂茡Q流器的操作方法和操作手段可以準(zhǔn)確跟隨和指導(dǎo)指令信號，實(shí)現(xiàn)諧波的有源補(bǔ)償[9,10]。在控制策略中，有源綜合補(bǔ)償控制對象是雙橋臂單相電壓整流器，由4個(gè)IGBT組成。同步檢測法檢測電壓波形如圖2所示。

圖2 同步檢測法檢測電壓波形

3.2.1 交流側(cè)電流控制

在供電系統(tǒng)的交流側(cè)，信號補(bǔ)償遵循一定的原理，PWM補(bǔ)償指令信號控制系統(tǒng)包括PWM信號發(fā)生電路、驅(qū)動(dòng)電路以及主系統(tǒng)。PWM組成驅(qū)動(dòng)電路，通過弱電控制強(qiáng)電的方式對驅(qū)動(dòng)電子進(jìn)行控制，進(jìn)而達(dá)到控制主電路電流、抑制諧波，實(shí)現(xiàn)有源補(bǔ)償[10]。在補(bǔ)償指令信號中，主系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)電動(dòng)都受到PWM信號的控制和影響，因此對交流側(cè)電流的控制是影響諧波的重要因素。

控制電壓型整流電路方式有滯環(huán)控制法、方形載波控制法以及自適應(yīng)控制法，不同的方式各自有不同的特點(diǎn)。滯環(huán)控制法分別設(shè)置輸出上限和下限，以目標(biāo)指令值為中心，通過對補(bǔ)償指令信號和補(bǔ)償電流的比較求出兩者的差值，然后用該結(jié)果差值與最初某一個(gè)選定的值進(jìn)行對比，通過對比結(jié)構(gòu)來改變電力元件的動(dòng)作，控制換流器。

3.2.2 直流側(cè)電流控制

目前，對直流側(cè)電壓的控制不同于交流側(cè)電流控制，直流側(cè)控制相對簡單，主要采用控制整流橋路的方法和外加直流源的方法。兩種控制方法各有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，控制整流橋路能夠滿足整個(gè)系統(tǒng)對直流側(cè)電壓控制的要求，而外加直流源能夠?qū)崿F(xiàn)高精度控制。但是，高精度的控制增加了額外的損耗，導(dǎo)致配電系統(tǒng)龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

4 某牽引變電所諧波抑制策略

4.1 增加高次諧波過流保護(hù)裝置

為了實(shí)時(shí)監(jiān)測、預(yù)警、保護(hù)輸出饋線上的諧波，需要設(shè)置高次諧波過流保護(hù)裝置。高次諧波過流保護(hù)裝置需要具備系統(tǒng)遙視、電能質(zhì)量控制、保護(hù)控制等功能。系統(tǒng)遙視功能能夠遠(yuǎn)距離監(jiān)測高次諧波，發(fā)現(xiàn)問題能夠及時(shí)采取一定的整改措施。高次諧波過電流保護(hù)裝置能夠在諧波過流前進(jìn)行預(yù)警和保護(hù)，對于諧波的頻段能夠進(jìn)行較好的預(yù)測。

4.2 增加引入式復(fù)合濾波器

如果要實(shí)現(xiàn)有源補(bǔ)償，還需要設(shè)置濾波器，該濾波器需要符合最小容量。通過對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析，尋找高次諧波發(fā)生的特點(diǎn)，對其進(jìn)行研究，逆向?qū)ふ抑C波源頭，從而得到諧波能量。設(shè)置復(fù)合濾波器，考慮到輸出穩(wěn)定性和線寬特性，能夠達(dá)到較好的濾波效果。

5 結(jié) 論

本文分析了諧波對電力機(jī)車系統(tǒng)的危害，闡述了電力系統(tǒng)模型構(gòu)成和諧波控制原理。分別對交流側(cè)電流和直流側(cè)電流進(jìn)行控制，采取科學(xué)的諧波抑制方案來達(dá)到較好的控制效果，對電氣化鐵路的安全運(yùn)行具有重要意義。