电气化铁路供电系统电能质量综合补偿技术探讨

张国东

【摘要】主要研究电气化铁路供电系统电能质量综合补偿技术，介绍了电气化铁路面临的主要电能质量问题，并对交直型电力机车供电系统综合补偿技术进行了研究，讨论了一种有源功率控制器和晶闸管控制电容器联用的电能质量综合补偿系统，平衡了两供电臂之间的负载，同时充分利用了晶闸管控制电容器，节省了有源功率控制器的使用，节省了电能质量补偿成本。

【关键词】铁路供电；电能质量补偿

铁路是我国最重要的货运方式，是国家经济的大动脉，机车牵引供电网安全和稳定性对电气化铁路正常运营至关重要。但是电力机车使用单相以及整流的方式供电，存在着负序、谐波以及无功等电能质量问题，采用一定的技术措施进行电能质量综合补偿，是保证电气化铁路供电稳定的重要措施。

一、电气化铁路电能质量问题

电力牵引机车主要有直流和交流两种，直流传动机车使用晶闸管整流电路实现控制，功率因数较低，谐波含量较大，而交流传动机车使用全控型功开关器件脉宽调制技术进行控制，功率因数得到提高，降低了电力机车低次特征谐波电流。

对于直流牵引机车，使用晶闸控制方式，机车负载会导致大量谐波电流，总电流畸变滤波高达20%，功率因数仅为0.8，并且受单向负荷供电显示，三相侧会产生负序电流，在较高速度运行时功率输出受到限制，无法适应高速、重载铁路运行要求，交流传动技术发展起来。高速交流铁路机车使用自耦变压器进行供电，通常使用交直交四象限脉冲整流供电方式，降低了低次谐波含量，但是高频谐波频谱较宽，并且电力机车负荷冲击性较高，会产生较大电压波动和闪变。高速铁路电力机车功率较大，负序更加严重。

二、交直型电力机车供电系统综合补偿技术

直流电机传动在国内铁路历程中仍然占较大比重。直流传动电力机车使用整流方式为直流电机提供电源。为了进一步降低有源装置容量，可通过铁路功率调节器和晶闸管控制电容器联用进行综合补偿，使用晶闸管控制器补偿大部分无功功率，减少铁路公路功率控制器负载。

（一）基本结构

为了降低铁路功率控制器负载，降低成本，可使用有源铁路功率控制器和两套晶闸管控制器形成功率补偿系统，功率控制器有直流电容两变流器，变流器通过输出电感单相降压变压器接通牵引网两供电臂，供电臂下设置晶闸管控制电容器，和功率控制器并联，接在降压变容器二次侧下。

为了满足铁路供电系统电能质量的综合补偿，要求补偿装置要能够对两供电臂电力机车产生的谐波进行有效控制，同时还能够有效补偿电力机车负荷产生的无功功率，升高两供电臂网侧电流功率到1。同时还要通过有功转移，转移机车重载侧供电臂有功功率负荷到轻载侧，平衡两供电臂有功功率。

使用功率控制器和晶闸管控制电容器组成的补偿系统使用晶闸管进行大部分有功无级调节，使用铁路功率控制器只需进行少量无功连续调节，其大部分容量都用来补偿负序电流，同时抑制谐波。这种补偿拓补结构能够实现供电两臂有功功率平衡，对晶闸管控制器的充分利用降低了铁路功率控制器的容量，有效节省了成本。

（二）控制策略

铁路功率控制器-晶闸管控制器联合补偿系统的控制关键是功率控制器和晶闸管控制电容器之间的协调配合。

1.协调控制

基本控制思想是，实时计算两相供电臂负载电流，分离有功和无功，获得铁路功率控制器需要补偿的总无功量，之后将无功量分别分配给铁路功率控制器和晶闸管控制电容器。铁路功率控制器补偿量是负序、谐波以及少量无功补偿，确定铁路功率控制器补偿量流后，配合直流侧电压稳定控制，获得变流器参考电流，通过直接电流控制跟踪变流器电流。晶闸管控制电容器按照无功分配确定补偿电流，推理获得投切组数，发布驱动信号完成投切动作，实现铁路功率控制器和晶闸管电容控制器的协调控制。

2.负序、谐波无功检测

电气化铁路是单相系统，负序、谐波以及无功检测都依赖单相瞬时功率理论。两相电压信号和实时电流相乘，并将乘积相加，经过低通滤波之后，值为两相有功电流峰值一半，该值就是补偿后的两相供电臂电流峰值理想值。补偿后两相供电臂均有功，大小是供电臂电流值的1/2。铁路功率控制器不承担全部无功补偿，检测分离无功电流，和有功电流叠加，减去供电臂负载电流，最终获得铁路功率控制器的负序和谐波参考量。

供电臂负载电流乘以供电臂电压之后π/2信号，化简，发现供电臂负载电流和电压π/2信号乘积的直流部分是负载无功电流峰值的1/2，使用低通滤波器能够将直流分量过滤出来。两端供电利弊的无功電流均能够采用这种方法进行检测，为负序和谐波检测提供无功信息的勇士，能够消除谐波补偿量和负序补偿量中的无功补偿量，并为铁路功率控制器和晶闸管控制电容器无功补偿量分配提供信息支持。负序与谐波补偿量中只有两个供电臂的有功信息，无无功信息。铁路功率看那个之气通过有功电流差值转移平衡两个供电臂上的负序，谐波补偿量是负载谐波电流负值，再通过无功补偿能够完全消除有功、无功造成的负序。

3.铁路有源功率控制器控制策略

铁路功率控制器正常工作需要稳定的直流侧电压，所以有源功率控制器需要同时负责直流侧电压控制，两个变流器单元同时进行谐波一致和无功补偿以及整流逆变，通过一个直流侧进行连接，可以理解为两个独立变流器，同时承担功率模块开关损耗，保证两个变流器的功率相等，实现三相电流对称。

因此，有源功率控制器补偿参考电流是负序、谐波和无功参考电流上叠加直流侧电压控制需要的有功电流，直流侧电压通过两个变流器共同维持，两个变流器侧功率平衡，都能够保持较高的相应速度，因此，有源功率控制可理解为直流侧电压外环和电流内环双环控制。

结束语

电气化铁路在全国铁路历程中有着很大比重，在国家基础运输中有着非常重要的地位。电力机车特殊的运行供电方式导致其存在负序、谐波和无功等电能质量问题，对牵引供电网的安全运行产生了很大安全隐患，而电能质量综合补偿技术则能够对电能质量问题进行有效控制，研究电能质量综合补偿技术的关键在于，在保证电能质量和牵引电路安全稳定的同时，如何降低补偿成本，有源功率补偿和晶闸管功率补偿联用就能够获得满意的效果。

参考文献

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