一種電氣化鐵路電能質量綜合補償系統

吳傳平 羅安 孫娟 張寅 王剛

（湖南大學電氣與信息工程學院 長沙 410082）

1 引言

電氣化鐵路中的電力機車負荷由于具有非線性、功率因數低和引起三相不平衡的特點，不僅降低電氣化鐵路牽引供電系統本身的電能質量，還影響到鐵路沿線周邊電力用戶的供電質量[1-4]。因此必須對電氣化鐵路的負序、諧波和無功等電能質量問題采取有效的治理措施。

目前，大多數國家對電氣化鐵路的無功和諧波問題普遍采用無源濾波器濾除特定次數的諧波，并提供固定容量的無功補償。但無源濾波器只能對特定次數的諧波進行治理，并存在易與電網阻抗發生諧振造成諧波放大的缺點[5-7]。有源濾波器能對電氣化鐵路諧波進行動態抑制[8-10]，但不能有效消除電氣化鐵路中的負序電流。電氣化鐵路供電系統廣泛采用換相接入的方式來消除負序電流[11-12]，但該方法依賴于機車運營情況，負序消除能力有限。日本學者首先提出并應用鐵路功率調節器（Railway static Power Conditioner，RPC）對電氣化鐵路的負序、諧波和無功等電能質量問題進行綜合治理[13-16]。文獻[13]提出了RPC的結構，分析了 RPC應用于伍德橋變壓器牽引系統的補償原理。文獻[14]分析了RPC應用于斯科特變壓器牽引系統的補償原理，并給出了測試結果。文獻[15]分析了RPC應用于斯科特變壓器牽引系統補償電壓波動的工作模式。但RPC的容量需求過大，給工程應用帶來較大的難度，并且抬高了成本。實際應用中由于RPC容量的限制降低了治理效果。

為降低RPC容量進而降低其成本，本文提出一種新型電氣化鐵路電能質量綜合補償系統。該系統包括一個 RPC和兩套多組晶閘管控制投切電容器（Thyristor Switched Capacitor，TSC），利用 TSC進行絕大部分的無功有級調節，RPC只需進行極少量的無功連續調節，其容量主要用來進行有功調節以補償負序電流，并抑制諧波。因此新型補償系統中RPC的容量大大降低，充分利用了TSC的低成本特點，裝置成本得到降低。本文在分析該系統的工作原理的基礎上，提出RPC與TSC協調控制策略，基于無功分離的參考電流實時檢測方法和無功分配方法及RPC控制方法。最后，通過仿真和實驗證明新型補償系統及其檢測和控制方法的有效性。

2 工作原理

2.1 基本結構

本文提出的電氣化電能質量綜合補償系統結構如圖1所示。該系統包括一個有源裝置RPC和兩套多組晶閘管控制電容器（TSC），其中 RPC含有共用直流電容的兩個變流器，形成背靠背結構，兩變流器通過輸出電感經三繞組單相降壓變壓器接入牽引網兩供電臂。兩供電臂下各有一套TSC組，兩套多組TSC與 RPC并聯，分別接在降壓變壓器二次側。斯科特牽引變壓器為一種典型的平衡牽引變壓器，因此本文分析補償系統在采用斯科特牽引變壓器下的牽引供電網的情況。三相交流電經斯科特牽引變壓器形成兩個單相供電臂。

圖1 本文提出的補償系統結構圖Fig.1 Topology of a novel compensation system

該補償系統結構的優點是：RPC容量主要用來調節兩供電臂的有功功率使兩臂有功達到平衡，并進行諧波抑制。兩供電臂分別安裝的多組TSC實現兩供電臂的無功有級調節，實現絕大部分無功容量補償，其余極小部分無功容量由RPC補償。因此，新型補償系統利用低成本的TSC替代了 RPC用來補償無功的容量，有效降低了RPC容量。

2.2 補償原理及成本分析

定義圖1中右側和左側兩個供電臂分別為a相和b相。設a、b相供電臂負載基波功率分別為

式中，SLa和SLb分別為a、b相供電臂負載基波視在功率；Pa和Qa分別為a相供電臂的負載有功和無功功率；Pb和 Qb分別為 b相供電臂的負載有功和無功功率，Qa和Qb均大于0。

要補償負序和無功，則補償系統在a、b相供電臂要吸收的功率分別為

式中，SCa和 SCb分別為 a、b相供電臂應補償的視在功率。

其中補償功率中的有功部分由RPC進行調節，RPC轉移|Pa?Pb|/2的負荷有功功率從重載側供電臂向輕載側轉移；無功功率則由多組 TSC和RPC共同補償。設每組 TSC所補償的無功功率容量為?j QTSC（負號表示容性無功），兩供電臂側的 TSC組數均為M。則a、b相供電臂側TSC組分別投切的組數分別為

式中，[ ]表示取整，且ma和mb均小于M。則RPC分別向a、b相補償的無功功率為

容易發現，RPC分別向兩供電臂補償的無功容量要小于單組 TSC的無功容量，因此RPC容量得到有效降低。經新型系統補償后，a、b相供電臂的有功功率相等、功率因數為1時，即實現了負序和無功補償。

對于機車負載諧波，由RPC進行動態抑制，分別根據a、b兩供電臂的負載諧波，分別向a、b相供電臂注入相應的諧波電流進行抵消。

以牽引負荷為韶山 4型機車的牽引變電所實際工況為例，諧波電流畸變率約為23.4%，功率因數約為0.82。設機車視在功率為S，可求得補償裝置對每個供電臂補償基波有功、基波無功和諧波的最大容量需求（只有一臂有機車時補償容量需求最大）：

式中，Pf、Q、Ph分別代表基波有功、基波無功和諧波的補償容量。

若單獨采用RPC進行補償，對每個供電臂補償容量相等，因此其最大補償容量需求為

若采用所提出系統進行補償，假設無功功率全部由TSC補償，則該系統中RPC和TSC最大補償容量分別為

TSC成本約為有源裝置 RPC的 1/10。設 RPC單位容量的成本為x，則采用RPC的成本為1.48xS，采用新型補償裝置的成本為1.13xS，比單獨RPC節省成本28.7%。

因此，新型補償系統具有成本上的優勢，利用多組 TSC降低了RPC的無功部分的容量，該系統可以應用于重載電氣化鐵路進行負序、無功和諧波的綜合補償。

3 檢測和控制方法

補償結構由RPC與TSC共同組成，應協調RPC與TSC的工作。由于無功分別由TSC和RPC共同補償，需將無功信息與有功和諧波信息分離，單獨檢測出來。本文基于無功分離的綜合檢測方法、RPC和 TSC的無功分配方法，以及RPC控制方法，提出了RPC與TSC協調控制策略。

3.1 RPC與TSC協調控制策略

檢測和控制原理如圖2所示。基本思想是：通過對a、b相供電臂負載電流進行實時計算，將有功和無功分離，得到RPC的負序和諧波補償量，以及負載需要補償的總無功量。再將需補償的無功量進行分配，得到RPC和TSC分別需要補償的無功量。RPC的補償量為負序、諧波和少量無功補償量的相加量。RPC的補償電流量確定后，再兼顧其直流側電壓穩定控制，得到最終的變流器參考電流，選擇直接電流控制實現變流器的電流跟蹤。TSC根據無功分配確定其補償電流后可以直接推得其投切組數，發出驅動信號進行投切。這樣就完成了RPC與TSC的協調控制。

圖2 RPC與TSC協調控制原理圖Fig.2 Coordinated control diagram of RPC and TSC

3.2 負序、諧波和無功檢測及無功分配

負序、諧波和無功檢測及無功分配原理如圖 3所示。

以a相供電臂電壓為基準，設a、b相供電臂電流為

式中，ILa和 ILb分別為 a相和 b相負載基波電流的有效值；?a和?b分別為 a、b相基波電流的滯后相角；ILah和ILbh分別為a相和b相負載h次諧波電流的有效值；?ah和?bh分別為a、b相h次諧波電流的滯后相角。

a相負載電流與 a相電壓同相位的信號相乘，化簡可以得到

從圖3可以看到，無功電流的檢測方法如下：

a相供電臂負載電流與a相供電臂電壓滯后π/2的信號相乘，化簡可以得到

圖3 負序、諧波和無功檢測及無功分配原理圖Fig.3 Principle diagram of negative-sequence,harmonic and reactive power detecting and reactive power distribution

從式（10）可以看到，a相供電臂負載電流與a相供電臂電壓滯后π/2信號乘積的直流部分為，即為a相負載無功電流峰值的1/2，經低通濾波器把直流分量濾除出來。同理，b相供電臂也是如此，乘積后經低通濾波可以得到b相無功電流峰值的1/2。乘以2后，即可得到a、b相供電臂負載無功電流的峰值。則

式中，ILaq和 ILbq分別為 a、b相供電臂無功電流的峰值。

檢測出a、b相無功電流后，一方面給負序和諧波檢測提供無功信息，使負序與諧波補償量中不含無功補償量；另一方面給 RPC與TSC無功補償量進行分配提供決策信息。

從圖3可以看到，a相負序與諧波參考量為

式中，iaPNS_h表示 a相負序與諧波補償電流量。可以看到，得到的負序與諧波補償量實際上只包含兩供電臂的有功信息，不含無功信息。其含義是，RPC轉移兩供電臂有功電流差值的一半以平衡兩供電臂有功消除部分負序，其諧波補償量為負載諧波電流的負值。配合無功補償即可將有功和無功引起的負序完全消除。

同理可得b相負序與諧波補償量為

得到RPC負序與諧波參考量后，還需得到其無功參考量。從式（11）可見，檢測出的感性無功電流值為正，容性無功電流為負。設每組 TSC能提供的25kV 側無功電流為?ITSC（ITSC＞0）。a、b相無功分配規則一樣，以a相為例，結合圖3，RPC與TSC無功分配規則如下：

如果ILaq＜0，則 ma=0，Iaq=ILaq；

式中，Iaq為分配給RPC在25kV側補償無功的幅值，RPC要補償與負載極性相反的無功，故 RPC為 a相供電臂補償的實時無功量為

通過無功分配后，可以得出 a、b相多組 TSC的投切組數和RPC無功補償量。RPC無功補償量和負序與諧波補償量疊加，即可得到 RPC的總補償量。

考慮到與RPC連接的降壓變壓器，RPC變流器的補償量修正為

式中，kt為變壓器電壓比。

至此，RPC的負序、諧波與無功實時補償參考量就得到了，且得到TSC的投切組數。TSC通過控制器直接發出投切指令，經驅動電路至晶閘管，即可實現TSC的動態無功有級調節，配合 RPC連續調節少量無功，即實現無功的大容量連續調節。

3.3 RPC的控制

RPC兩變流器要正常工作，必須獲得一個穩定的直流側電壓。因此RPC電流控制要兼顧直流側電壓控制。RPC包括了兩個變流器單元，它們均具有諧波抑制、無功補償和整流（或逆變）的功能，兩個變流器通過一個直流側連接起來，實際上可以視為兩個獨立的變流器單元，其直流側電壓由兩個變流器共同補充或釋放能量。當直流側電壓低于參考電壓時，由兩變流器共同給其充電，當直流側電壓低于參考電壓時，由兩變流器共同向電網釋放電能，共同作用維持直流側電壓穩定。同時，實現了功率模塊開關損耗由兩供電臂共同承擔，這樣就保證了兩變流器兩側的功率相等，進一步保證了三相電流的對稱。

基于上述考慮，RPC實際的補償參考電流在原來負序、諧波和無功參考電流 ic′a和 ic′b的基礎上再疊加一個直流側電壓控制得到的有功電流分量。RPC控制框圖如圖4所示。

圖4 RPC控制原理圖Fig.4 Control block diagram of RPC

直流側電壓的跟蹤誤差經PI調節后，分別與a、b 相供電臂電壓的同步信號 sinωt和 sin(ωt?π/2) 相乘，得到RPC中a、b相變流器的有功指令，并與負序、諧波和無功補償電流參考指令疊加，得到RPC兩變流器的實際電流參考指令。通過直流側電壓由兩變流器共同控制維持的方法，保證了兩變流器兩側功率平衡，功率模塊損耗由兩供電臂分擔。RPC兩變流器電流跟蹤選取滯環控制方法，保證兩變流器具有較快的響應速度。因此，RPC兩變流器的控制實際上可視為直流側電壓外環、電流內環的雙閉環控制方法。

設RPC中單向逆變橋中某開關器件開通時，變流器輸出電流增大，關閉時，變流器輸出電流減小。設此開關器件的控制電平為S1。則滯環控制策略為

4 仿真和實驗結果

4.1 仿真結果

采用 PSIM進行仿真驗證。仿真針對一供電臂滿載，另一供電臂空載時的工況，這時負序含量最大。根據韶山4型電力機車的運行數據，用67.38Ω電阻串聯150mH電感連接在25kV電壓下代替機車負荷，用3次、5次、7次、9次、11次諧波電流源代替機車產生的諧波電流。其他系統仿真參數見表1，仿真結果如圖5和圖6所示。

表1 仿真參數Tab.1 Simulation parameters

圖5 a相供電臂負載電流和補償后網側電流仿真波形及其頻譜Fig.5 Simulation waveforms of phase a load current and source current with compensation

每組TSC的無功補償容量為500kvar，兩套TSC組分別有10組。仿真發現a相供電臂投入8組TSC，提供了4Mvar無功補償容量。從圖5可以看出，補償后a相供電臂諧波電流明顯減小。補償前3次、5次、7次、9次、11次諧波電流分別為60A、30A、20A、6A、3A，電流畸變率為23%，補償后分別降為1.2A、1.1A、1.1A、0.8A、0.6A，電流畸變率降為 2%，a相供電臂補償前后功率因數分別為 0.82和0.99，諧波和無功補償效果顯著。從圖6可以看出，補償前三相電流不平衡，其中B相電流與C相電流相等。測得A、B、C三相電流的基波電流分別為 39.7A、19.9A、19.9A，計算出正負序電流均為 19.9A；補償后三相基波電流分別為 16.6A、16.5A、16.5A，計算出正序電流大小為16.56A，負序電流為0.08A。可見負序補償效果明顯。

圖6 補償前后三相電流仿真波形Fig.6 Simulation waveforms of three-phase currents with and without compensation

4.2 實驗結果

根據本文提出的新型補償結構，研制了一臺模擬樣機，樣機中RPC容量為80kVA。并搭建模擬實驗平臺進行了實驗。樣機裝置圖如圖7所示。采用高速數字處理芯片DSP28335對RPC兩變流器進行實時控制，以及給TSC發出投切指令。數字控制原理圖如圖8所示。負序、諧波和無功檢測計算及控制程序均在DSP28335中數字化實現。DSP處理器經檢測和控制程序后，發出 PWM觸發信號，經高速光電隔離后送驅動電路，給RPC兩變流器的開關器件 IGBT（1200V/300A）提供可靠的驅動，并發出TSC投切指令，經光電隔離后送至驅動電路，為晶閘管提供投切控制信號。上位機與 DSP28335進行通信，監視各變量。

圖7 樣機裝置實物圖Fig.7 Photos of prototype

圖8 基于DSP28335的數字化控制框圖Fig.8 Digital control based on DSP28335

實驗電壓為380V交流電。實驗系統電路結構與圖 1一致。采用一臺容量 200kVA的斯科特變壓器模擬牽引變壓器，二次側兩單相輸出電壓為220V。用電壓比為 1:1的三繞組隔離變壓器模擬降壓變壓器，以隔離RPC有源系統與外部電源。RPC兩側交流輸出電感值為 0.2mH，直流電容為兩串兩并，單個電容值為 10mF。每組 TSC中電容值為328μF，能提供容量為5kvar的無功補償，兩供電臂 TSC均為 8組，總無功補償量均為40kvar。兩供電臂電力機車負載均用可控整流橋模擬，但整流負載不相等，整流負載為阻感負載。補償前后的 a、b供電臂電流波形如圖 9所示，ia和ib分別代表a、b相供電臂網側電流。基波、諧波電流及功率因數數據見表2和表3。表2和表3中電流均為有效值。

圖9 補償前后a、b相供電臂電流實驗波形Fig.9 Experimental waveforms of phase a and phase b currents with and without compensation

表2 a相供電臂補償前后對比Tab.2 The comparison of phase a power supply arm between before and after compensation（單位：A）

表3 b相供電臂補償前后對比Tab.3 The comparison of phase b power supply arm between before and after compensation（單位：A）

從圖9的實驗波形和表2、表3的實驗結果對比數據可以看到，補償前兩供電臂電流幅值不等，含有大量諧波，功率因數較低，均為0.64，a、b供電臂分別需要補償無功21.6kvar和10.7kvar；補償后，兩供電臂電流接近相等，諧波明顯減小，功率因數提高到0.99。實驗中發現a相供電臂TSC投入4組，b相供電臂TSC投入2組，分別補償無功20kvar和10kvar，提供了絕大部分無功補償。RPC只需在a、b供電臂分別補償1.6kvar和0.7kvar無功功率，因此有源裝置RPC容量得到有效降低，其容量主要用來平衡基波有功功率和抑制諧波。

補償前后三相電流實驗波形如圖10所示。可以看到，補償前三相電流畸變嚴重，且存在不平衡，測得三相電流有效值分別為99.7A、62.3A、61.8A，三相功率因數均為 0.64；補償后，測得三相電流有效值分別為48.7A、44.6A、44.3A，三相電流接近平衡，負序和諧波明顯減小，三相功率因數均為0.99。

圖10 補償前后三相電流實驗波形Fig.10 Experimental waveforms of three-phase currents with and without compensation

仿真和實驗結果表明，本文提出的新型電氣化鐵路電能質量綜合補償裝置具有較好的負序、諧波及無功補償性能，與單獨的RPC相比，新型結構中有源裝置RPC容量得到降低。同時，本文所提出的檢測及控制方法的有效性得到了驗證。

5 結論

（1）本文提出的新型電氣化鐵路電能質量綜合補償系統利用低成本的TSC補償大部分無功，使得 RPC在進行有功調節和諧波抑制的同時只補償少量的無功，有效降低了RPC容量。

（2）提出基于無功分離的負序、諧波及無功檢測方法、無功分配方法和RPC控制方法，合理分配了RPC與TSC的補償任務，使新型補償系統中RPC與TSC協調運行。

（3）仿真和實驗結果驗證了本文所提出的補償結構及其檢測和控制方法的有效性。

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