電氣化鐵路電能質(zhì)量問題及其綜合治理

清華大學電機工程與應(yīng)用電子技術(shù)系柔性輸配電研究所 劉誠哲 姜齊榮 魏應(yīng)冬

1 電氣化鐵路在交通運輸中居重要地位

我國高速發(fā)展的國民經(jīng)濟對我國鐵路運輸能力提出了越來越高的要求。電力機車同蒸汽機車、內(nèi)燃機車相比，速度快、載重高、能源利用率高且環(huán)境友好[1]，因此電氣化鐵路在提高鐵路運輸能力的同時有利于減少化石燃料的使用、降低運營成本，實現(xiàn)資源的合理分配和有效利用。目前，無論從政策還是已具備的條件來看，大力發(fā)展電氣化鐵路都是保障我國國民經(jīng)濟高速、健康、可持續(xù)發(fā)展的必由之路。

2005年底，我國共建成、開通43條電氣化鐵路，總里程達到20132公里，成為繼俄羅斯、德國之后，第三個電氣化鐵路總里程超過兩萬公里的國家。2006年10月31日，隨著浙贛線電氣化改造工程的開通，中國電氣化鐵路總里程已突破24000公里，成為繼俄羅斯之后世界第二大電氣化鐵路國家。2008年，我國鐵路電氣化率已經(jīng)達到27%，承擔著全路43%的貨運量。根據(jù)我國《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，到2020年全國電氣化鐵路總里程要達到5萬公里，占全國鐵路運營總里程的一半，承擔的鐵路運量比重將超過80%。

可以預(yù)見，我國的電氣化鐵路必將步入一個高速發(fā)展的時期。在不久的將來，電氣化鐵路必將在我國交通運輸中居重要地位。

2 電氣化鐵路的電能質(zhì)量問題及其危害

電氣化鐵路網(wǎng)中運行的電力機車作為一類特殊的電力負荷，存在多種電能質(zhì)量問題，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和其他電力系統(tǒng)用戶的正常用電造成了不可忽視的危害。

2.1 波動性、沖擊性強

國內(nèi)多種參考資料以及國外有關(guān)文獻顯示，電氣化鐵路的負荷與線路情況、機車類型及操縱、機車速度、牽引重量、運行圖等多種因素有關(guān)，使其牽引負荷在時間和空間上的分布極其不均勻，具有很強的波動性，給電氣化鐵路電能質(zhì)量綜合治理帶來很大難度。

目前，我國電氣化鐵路牽引變電站的最大容量達到80MVA，高速客運專線牽引變電站遠期規(guī)劃容量達120MVA，且電氣化鐵路建設(shè)時考慮多達100%的過載容量，因此峰值負荷可達160-240MVA[2]。在電網(wǎng)較薄弱的地區(qū)，如此大的集中負荷將對當?shù)毓╇娤到y(tǒng)造成巨大沖擊，從而引發(fā)電壓波動和閃變等問題

2.2 三相嚴重不平衡

電力機車是單相負荷，接入三相對稱的電網(wǎng)中時將在牽引變壓器系統(tǒng)側(cè)產(chǎn)生幅值較大的負序電流。該負序電流的大小與牽引變壓器的連接方式及牽引負荷的大小有關(guān)。牽引變電站采用單相接線變壓器時，其牽引負荷在電力系統(tǒng)中引起的負序電流與正序電流相等，且等于牽引負荷電流的0.144倍；若牽引變電站采用單相V/V接線變壓器，當兩個方向的牽引負荷相等時，其牽引負荷在電力系統(tǒng)中引起的負序電流為正序電流的一半，當兩側(cè)牽引負荷不相等時，負序電流與兩側(cè)負荷電流之差的絕對值成正比；若牽引變電站采用三相Δ/Y接線變壓器，其牽引負荷在電力系統(tǒng)中引起的負序電流為正序電流的一半[3]。

如此嚴重的負序電流將在旋轉(zhuǎn)電機中產(chǎn)生負序磁場，使發(fā)電機中產(chǎn)生負序同步轉(zhuǎn)矩，導致附加震動；使電動機中產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，影響出力。三相不對稱負荷將造成電力變壓器容量利用率下降，同時增加變壓器能量損耗和鐵芯磁路的發(fā)熱。除此之外，負序電流干擾繼電保護和自動裝置的負序參量啟動原件，使它們頻繁失誤。

2.3 功率因數(shù)低下

電力機車在不同工況下，牽引負荷電流相位角（相對于牽引網(wǎng)電壓）的變化幅度較大導致平均功率因數(shù)偏低。當機車處于再生制動工況時，機車電流反饋牽引網(wǎng)，電流相位角為滯后120°～130°；機車過電分相產(chǎn)生激磁涌流，可視為純感性電流，相位角接近滯后90°；機車處于其他工況時，相位角為35°～37°(功率因數(shù)為0.82-0.8)；而在牽引網(wǎng)短路故障時，故障電流相位角為滯后65°～70°。

因此，電力機車將向電網(wǎng)注入大量的無功電流，降低發(fā)電裝置的效率以及輸電設(shè)備的輸送能力，增加線損，引起牽引供電臂電壓下降，威脅電氣化鐵路的行車安全[4]。

2.4 諧波含量高

我國電氣化鐵路大量采用交-直-交或交-直型電力機車，其功率輸入側(cè)采用相控整流技術(shù)將向牽引供電網(wǎng)注入大量的諧波電流，使電氣元件產(chǎn)生附加損耗，影響電氣設(shè)備的正常工作，造成諧波過流，甚至引起繼電保護裝置的誤動，導致設(shè)備損壞、大面積停電等惡性事故。

3 電氣化鐵路電能質(zhì)量的綜合治理

電氣化鐵路存在的種種電能質(zhì)量問題與其牽引供電系統(tǒng)的特性密切相關(guān)，因此針對牽引供電系統(tǒng)自身的治理方案在理論上具有可行性；同時，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，大容量FACTS（Flexible AC Transmission System）裝置以其優(yōu)越的性能備受矚目，因此針對電氣化鐵路電能質(zhì)量問題的動態(tài)補償方案近年來受到國內(nèi)外學者的廣泛關(guān)注。

3.1 針對牽引供電系統(tǒng)的治理方案

電氣化鐵路牽引供電網(wǎng)在電氣上可以分為三個部分，即：電力供電系統(tǒng)，通常為220kV或110kV三相工頻交流電網(wǎng)；牽引變壓器及接觸網(wǎng)，按我國電氣化鐵路現(xiàn)有供電制式，牽引變壓器牽引側(cè)二端口分別引出一27.5kV的單相工頻交流供電臂做為接觸網(wǎng)的主干；牽引負荷，即電力機車。針對牽引供電系統(tǒng)的電氣化鐵路電能質(zhì)量治理方案亦可從上述三個部分加以概括。

提高牽引變電站接入的電力供電系統(tǒng)的短路容量，可以縮短接入點與電源之間的電氣距離，從而增強電力供電系統(tǒng)抵御電氣化鐵路電能質(zhì)量問題的能力，降低牽引負荷注入電力系統(tǒng)的負序、無功、諧波電流對電力系統(tǒng)的影響。但該方案實現(xiàn)難度高、工程規(guī)模和耗資巨大，且受電力系統(tǒng)接線方式等因素影響，短路容量不可能無限制提高，治理效果有限。考慮該方案本質(zhì)上并未減少牽引負荷電流有害成分的注入，因此這種治標而不治本的方式并不可取。

某些牽引變電站采用阻抗匹配平衡變壓器、斯科特變壓器等特種平衡變壓器。這類變壓器憑借自身特殊的接線方式及變比設(shè)置，在一定負荷條件下可實現(xiàn)系統(tǒng)側(cè)三相電流完全對稱，達成牽引供電系統(tǒng)負序電流治理的目的。但由于牽引負荷巨大的波動性以及時間、空間分布的隨機性，平衡變壓器的平衡條件極難滿足，絕大多數(shù)情況為一供電臂有負荷而另一供電臂無負荷的極端不利狀況。在該情況下，平衡變壓器對于削弱注入電網(wǎng)的負序電流沒有任何作用。除此之外，部分線路將一定距離內(nèi)多個牽引變壓器的系統(tǒng)側(cè)輪換相序接入電力系統(tǒng)以謀求在較長供電區(qū)段內(nèi)的三相平衡，該方案理論上有助于緩解三相不平衡問題，但實踐證明效果并不理想。同時，由于牽引變壓器系統(tǒng)側(cè)繞組換相接入，導致各牽引變電站供電臂電壓相位不一致，在不同區(qū)段之間再次增加了分段絕緣器，使牽引網(wǎng)的無電區(qū)域幾乎翻倍，降低了列車的通過能力，影響電氣化鐵路行車安全。

改傳統(tǒng)直流傳動電力機車為新型交流傳動電力機車是目前電力牽引技術(shù)研究的重要方向。功率輸入側(cè)采用四象限PWM整流技術(shù)的新型機車在負荷電流的諧波特性方面有著優(yōu)異的表現(xiàn)，車載無功補償裝置在一定程度上可以提高機車功率因數(shù)。但系統(tǒng)電流諧波含量仍受系統(tǒng)的諧波阻抗特性以及并聯(lián)的LC濾波支路影響，車載無功補償裝置在通常狀況下也不能滿足機車的無功需求，因此電氣化鐵路的無功和諧波問題仍然不可忽視[5][6]。

綜上所述，針對牽引供電系統(tǒng)自身特性而實施的電氣化鐵路電能質(zhì)量治理方案并不能得到理想的治理效果。

3.2 動態(tài)補償方案

目前，以SVC和STATCOM為代表的兩類動態(tài)補償裝置已在日本、法國、英國、澳大利亞等國擁有大量工程應(yīng)用實例。

SVC裝置通過無源器件儲能的方式來實現(xiàn)無功補償，它利用晶閘管實現(xiàn)了電感的連續(xù)可調(diào)，能快速、連續(xù)地對波動性負荷進行補償，并利用無源濾波器濾除系統(tǒng)中的高次諧波。我國于2002年在神朔電氣化鐵路投運了并聯(lián)于牽引變壓器系統(tǒng)側(cè)、采用三相Δ接法的SVC裝置。該裝置基于電納補償原理，可有效改善系統(tǒng)三相不平衡狀況及功率因數(shù)。

STATCOM裝置由大功率自關(guān)斷電力電子器件構(gòu)成，基本原理是將變流器通過電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當調(diào)節(jié)其交流側(cè)輸出電壓的相位與幅值，或直接控制其交流側(cè)電流實現(xiàn)動態(tài)補償目標。與SVC相比，STATCOM具有響應(yīng)速度高、運行范圍大、負荷適應(yīng)性好、工作效率高、諧波含量低、占地面積小等優(yōu)點。由于STATCOM具有雙向無功補償及相間有功轉(zhuǎn)移能力，其對負序電流和無功電流的補償效果更顯著，更適合用于電氣化鐵路電能質(zhì)量綜合治理領(lǐng)域。

將大容量STATCOM用于電氣化鐵路電能質(zhì)量綜合治理的設(shè)想最早由日本學者于1993年提出，并將該裝置命名為“商用鐵道功率調(diào)節(jié)器”（Railway Static Power Conditioner，RPC）。在文獻[8]、[9]中，日本學者通過對RPC裝置的仿真計算及1/100容量樣機試驗，于2002年研制成功20MVA/60kV的商用RPC，并于日本新干線新沼宮內(nèi)站與新八戶站投入運行。澳大利亞學者在文獻[10]中將RPC推廣到一般的 /Y Δ連接變壓器，分析了裝置運行的原理及實現(xiàn)方式，并給出了基于DQ軸的控制框圖。

中國學者在RPC技術(shù)的引進以及RPC裝置在國內(nèi)電氣化鐵路系統(tǒng)的應(yīng)用方面進行了大量的研究，文獻[11]-[15] 詳細分析了牽引變壓器為Scott連接、阻抗匹配連接、Vv連接以及Vx連接等連接方式時BCD裝置（國內(nèi)對于RPC裝置的命名）的補償方式及控制策略。

目前，國內(nèi)首臺基于STATCOM的電氣化鐵路綜合補償裝置已于京滬電氣化鐵路南翔牽引變電站投入運行。南翔牽引變電站主接線如圖3.1所示。

該站采用阻抗匹配平衡變壓器作為牽引變壓器，共用直流環(huán)節(jié)的兩相STATCOM并聯(lián)于牽引變壓器牽引側(cè)兩端口，補償兩供電臂牽引負荷產(chǎn)生的無功和諧波電流并平衡兩相有功、抑制負序電流。根據(jù)南翔牽引變電站的系統(tǒng)參數(shù)，基于PSCAD/EMTDC軟件搭建牽引供電系統(tǒng)及補償裝置的電磁仿真模型，采用文獻[16]提出的無功、負序最優(yōu)控制策略，在實測最極端負荷工況下進行仿真實驗，實驗結(jié)果如表3.1、圖3.2所示。

表3.1 補償前后各電能質(zhì)量考核標準

上述實驗結(jié)果表明，補償裝置投入運行后，各電能質(zhì)量考核指標大幅改善，補償效果良好。由此可見，基于STATCOM的牽引變電站綜合補償技術(shù)是解決電氣化鐵路電能質(zhì)量問題的理想途徑。

4 結(jié)語

現(xiàn)代工業(yè)中大量應(yīng)用的精密儀器和自動化設(shè)備對電能質(zhì)量提出了越來越高的要求，電氣化鐵路存在的種種電能質(zhì)量問題已經(jīng)受到供電部門和鐵路部門的共同關(guān)注。南翔牽引變電站綜合補償裝置的投運，標志我國基于STATCOM的電氣化鐵路動態(tài)補償裝置已經(jīng)由實驗研究過渡到工程實用階段。制定一種科學、有效、經(jīng)濟、符合我國電氣化鐵路發(fā)展需要的綜合補償方案必將成為電氣化鐵路配套技術(shù)研究中的熱門課題。

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