魏文婧，李蓉蓉

0 引言

截至2021年底，全國(guó)鐵路營(yíng)運(yùn)里程達(dá)15萬公里，其中電氣化鐵路達(dá)10余萬公里，高速鐵路4萬公里，預(yù)計(jì)到2030年，我國(guó)高速鐵路規(guī)模將增長(zhǎng)至4.5萬公里[1]。電氣化鐵路的快速發(fā)展極大地方便了人們的出行，但電氣化鐵路中運(yùn)行的電力機(jī)車會(huì)造成一些電能質(zhì)量問題。機(jī)車負(fù)載是典型的單相負(fù)載，運(yùn)行時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的負(fù)序電流，并且由于半控整流橋在機(jī)車上的廣泛應(yīng)用，牽引供電系統(tǒng)諧波電流和無功功率等問題也較為嚴(yán)重，上述電能質(zhì)量問題嚴(yán)重威脅公共供電系統(tǒng)的安全[2]。

對(duì)于傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)，相鄰饋線臂電壓差為牽引變壓器二次側(cè)線電壓，因此，相鄰饋線臂被中性段分割成長(zhǎng)度為20～30 km的電隔離段，中性段的長(zhǎng)度通常從幾百米到1 km以上。當(dāng)列車通過中性段時(shí)，會(huì)失去電力供應(yīng)，僅靠慣性滑行，列車速度受到嚴(yán)重影響，因此傳統(tǒng)的牽引供電系統(tǒng)不適合高速列車[1]。為了減少中性段的數(shù)量和長(zhǎng)度，同相牽引供電系統(tǒng)于2009年被提出，并且第一套使用同相牽引供電系統(tǒng)的牽引變電所于2012年在眉山建成并投入使用[3]。由于同相牽引供電系統(tǒng)可對(duì)負(fù)序電流、無功功率和諧波進(jìn)行綜合補(bǔ)償，得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

為解決牽引供電系統(tǒng)中的電能質(zhì)量問題，日本學(xué)者提出了鐵路功率調(diào)節(jié)器（RPC）[4]，RPC可以對(duì)負(fù)序電流、無功功率和諧波進(jìn)行綜合補(bǔ)償，湖南大學(xué)課題組對(duì)RPC作了進(jìn)一步的研究[5-6]，RPC具有良好的補(bǔ)償效果，但需要巨大的主動(dòng)補(bǔ)償能力，限制了其廣泛應(yīng)用。為了降低有源補(bǔ)償容量，文獻(xiàn)[7]提出了混合電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（Hybrid Power Quality Conditioner，HPQC），HPQC通過在背靠背變換器輸出端采用不同的耦合支路（電感L支路和電容LC支路）來降低變換器的補(bǔ)償容量，由于耦合支路阻抗固定，僅在一定的負(fù)載條件下變換器補(bǔ)償容量最小，為保證負(fù)載條件變化時(shí)的補(bǔ)償效果，必須增大HPQC的變換器補(bǔ)償容量。

針對(duì)上述問題，本文提出一種改進(jìn)的混合電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，采用晶閘管開關(guān)代替固定的耦合支路，在負(fù)荷變化的情況下也可以使有功補(bǔ)償容量保持在較低的水平。

1 傳統(tǒng)混合型電能質(zhì)量補(bǔ)償器原理分析

采用傳統(tǒng)混合型電能質(zhì)量補(bǔ)償器的同相牽引供電系統(tǒng)如圖1所示。Vv牽引變壓器由2臺(tái)單相變壓器Vv接線構(gòu)成，其一次側(cè)接入110 kV或220 kV的三相公共電網(wǎng)，二次側(cè)有2個(gè)輸出端，1個(gè)為列車供電臂，記為Phase-ac，另1個(gè)記為Phase-bc。混合型電能質(zhì)量補(bǔ)償器由2臺(tái)背靠背變換器和中間直流電容組成，1臺(tái)變換器通過電感和電容LC支路與Phase-ac連接，另1臺(tái)變換器通過電感L與Phase-bc連接。HPQC通常通過降壓變壓器與公共耦合點(diǎn)相連，以適應(yīng)變換器的電壓要求。為了便于分析，圖1和下文的分析中省略降壓變壓器。

圖1 傳統(tǒng)混合型電能質(zhì)量補(bǔ)償器原理

隨著全控整流和脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)在高速列車上的廣泛應(yīng)用，高速列車負(fù)載的功率因數(shù)接近于1。文獻(xiàn)[8]對(duì)Vv接線牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行了補(bǔ)償電流的研究，結(jié)果如下：

式中：IL1p為負(fù)載電流的有效值，iLh為負(fù)載產(chǎn)生的諧波。

基本補(bǔ)償電流可分為兩部分：與系統(tǒng)電壓相角相同的有功電流(iac,ibc)和與系統(tǒng)電壓相角相差90°的無功電流。這意味著補(bǔ)償系統(tǒng)不僅要轉(zhuǎn)移有功，還要補(bǔ)償一定量的無功功率。以Phase-ac為例說明傳統(tǒng)電能質(zhì)量補(bǔ)償器的補(bǔ)償原理。Phase-ac變換器的輸出電壓為

根據(jù)式（2）可以得到圖2所示的相量圖。

圖2 變換器輸出電壓相量

式中：θ為補(bǔ)償電流與Phase-ac電壓的夾角。

根據(jù)式（1）可知θ= 30°，當(dāng)變換器輸出電壓最小時(shí)，可推導(dǎo)出Xac的值為

對(duì)于固定的Xac，只有在一個(gè)特殊的補(bǔ)償電流下變換器的輸出容量才能最小，但實(shí)際補(bǔ)償電流總是根據(jù)機(jī)車負(fù)載變化而變化。如圖2所示，當(dāng)補(bǔ)償電流增大到時(shí)，對(duì)應(yīng)的變換器電壓變化為，換流器輸出的電流相量和電壓相量不再為同相位，這意味著換流器輸出功率不再為純有功功率，還存在一部分無功功率，此時(shí)，耦合支路產(chǎn)生的無功功率與式（1）所要求的無功功率不匹配，因此需要由變換器提供差額無功功率，并且變換器的輸出電壓不再是最小，補(bǔ)償電流變化范圍越大，需要的無功補(bǔ)償功率越大。

2 改進(jìn)型混合電能質(zhì)量補(bǔ)償器

為了使變換器的輸出功率保持在較低的水平，Xac應(yīng)根據(jù)不同的補(bǔ)償電流而變化，在補(bǔ)償電流減小時(shí)增大，在補(bǔ)償電流增大時(shí)減小?；谶@一思想，提出一種改進(jìn)型混合電能質(zhì)量補(bǔ)償器，該混合電能質(zhì)量補(bǔ)償器采用晶閘管開關(guān)耦合支路，可根據(jù)不同的補(bǔ)償電流動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)Xac，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。補(bǔ)償器由線性的空心電抗器與反并聯(lián)晶閘管閥串聯(lián)組成，同時(shí)并聯(lián)電容器。TCR（晶閘管控制電抗器）通過牽引網(wǎng)的電壓、電流綜合計(jì)算晶閘管的觸發(fā)角，從而改變電抗器中的電流，實(shí)現(xiàn)平滑輸出無功的目的，而且其能夠以足夠的速度跟隨牽引負(fù)荷的頻繁變化以動(dòng)態(tài)地補(bǔ)償無功。但TCR本身也產(chǎn)生諧波，影響了其補(bǔ)償性能，實(shí)際應(yīng)用中常用LC或LCR濾波網(wǎng)絡(luò)代替單純的FC支路，濾波網(wǎng)絡(luò)能夠在特定的頻段表現(xiàn)為低阻抗，能夠?qū)CR和電力機(jī)車產(chǎn)生的諧波分量起到一定的濾波作用。

圖3 改進(jìn)型混合電能質(zhì)量補(bǔ)償器

圖3中，n組LC支路并聯(lián)，每組LC支路可通過反并聯(lián)晶閘管SCR導(dǎo)通或關(guān)斷，支路開斷越多，總耦合支路阻抗越小，反之亦然。

假設(shè)補(bǔ)償電流Iacf的變化范圍為補(bǔ)償電流可分為n段：ΔI1，ΔI2，…，ΔIn。當(dāng)實(shí)際補(bǔ)償電流在ΔIk段時(shí)，耦合支路Xac1～Xack導(dǎo)通。因此，支路阻抗可以根據(jù)不同的負(fù)載條件進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3 仿真分析

為驗(yàn)證所提出的改進(jìn)型混合電能質(zhì)量補(bǔ)償器的有效性，基于MATLAB/Simulink軟件進(jìn)行仿真。補(bǔ)償系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，機(jī)車負(fù)載采用與諧波電流源并聯(lián)的線性負(fù)載模擬。為比較不同負(fù)載條件下的補(bǔ)償效果，設(shè)置了3種負(fù)載條件，3種負(fù)荷工況的負(fù)荷電流有效值分別為200 A（工況1）、500 A（工況2）和900 A（工況3）。傳統(tǒng)型混合電能質(zhì)量補(bǔ)償器的LC支路阻抗按工況2設(shè)置，改進(jìn)型混合電能質(zhì)量補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)如圖3所示，支路數(shù)為3。詳細(xì)仿真參數(shù)如表1所示，仿真結(jié)果如圖4所示。

表1 仿真參數(shù)

圖4 仿真結(jié)果

無補(bǔ)償Vv接線牽引變壓器原邊三相電流如圖4（a）所示，負(fù)載電流只存在于A相和B相，三相電流不平衡，存在諧波畸變，需要進(jìn)行補(bǔ)償。常規(guī)電能質(zhì)量補(bǔ)償器補(bǔ)償后的三相電流波形如圖4（b）所示，實(shí)現(xiàn)了三相電流平衡且諧波較小。改進(jìn)型電能質(zhì)量補(bǔ)償器仿真結(jié)果如圖4（c）所示，其補(bǔ)償性能較好，能夠?qū)崿F(xiàn)三相電流平衡且諧波較小。

圖4的仿真結(jié)果表明，傳統(tǒng)電能質(zhì)量補(bǔ)償器和改進(jìn)型電能質(zhì)量補(bǔ)償器均能獲得良好的補(bǔ)償性能。根據(jù)第2節(jié)的分析，改進(jìn)型電能質(zhì)量補(bǔ)償器相對(duì)于傳統(tǒng)型HPQC優(yōu)勢(shì)在于在不同工況下均可獲得較低的變換器輸出功率?；诜抡娼Y(jié)果，傳統(tǒng)型HPQC與改進(jìn)型HPQC的詳細(xì)比較如表2所示。

表2 傳統(tǒng)型HPQC和改進(jìn)型HPQC對(duì)比

對(duì)于傳統(tǒng)型HPQC，由于LC耦合支路參數(shù)是按工況2設(shè)置的，系統(tǒng)所需的無功功率可全部由耦合支路提供，因此工況2時(shí)變換器輸出的無功功率很小。但當(dāng)負(fù)載容量增加到工況3或減小到工況1時(shí)，傳統(tǒng)型HPQC變換器的輸出功率將增加到很高的水平。相比之下，改進(jìn)型HPQC變換器在3種工況下輸出的無功功率均能保持在較低的水平。

4 結(jié)語

混合電能質(zhì)量補(bǔ)償器通過在背靠背變換器中采用LC或L耦合支路來降低變換器的補(bǔ)償容量，本文首先介紹了傳統(tǒng)型HPQC的結(jié)構(gòu)和工作原理，分析了HPQC能夠降低變換器補(bǔ)償容量的原因以及該方法的缺陷。為了使變換器的輸出功率保持在較低的水平，提出了一種改進(jìn)型混合電能質(zhì)量補(bǔ)償器。改進(jìn)型HPQC采用晶閘管開關(guān)耦合支路，可根據(jù)不同負(fù)載情況動(dòng)態(tài)調(diào)整耦合支路阻抗，推導(dǎo)了其結(jié)構(gòu)和補(bǔ)償原理，并通過仿真分析驗(yàn)證了所提方法的有效性。