電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)的綜合有源補(bǔ)償技術(shù)探討

金智慶

摘要：文章對(duì)比分析了電氣化鐵道負(fù)序電流的各種抑制方法，探討了目前電氣化鐵道有源補(bǔ)償存在的問(wèn)題，分析了綜合有源補(bǔ)償工作的原理，以期為電氣化鐵道的有源補(bǔ)償方法提供參考。

關(guān)鍵詞：電氣化鐵道；牽引供電系統(tǒng)；綜合有源補(bǔ)償；負(fù)序電流抑制法

中圖分類號(hào)：TM922 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2012）04-0036-02

鐵路電氣化建設(shè)不斷加快，隨著其用電量的攀升，尤其是其長(zhǎng)期存在的功率因數(shù)低、諧波含量高及負(fù)序等問(wèn)題，對(duì)公共電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生了突出的不良影響。如基波無(wú)功率能夠使線路損耗增加，引起電網(wǎng)電壓較大波動(dòng)；高次諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作，對(duì)通信系統(tǒng)造成干擾和破壞；負(fù)序則可能引起大面積的停電事故；等等。要消除這些不利的影響，就要有針對(duì)性的采取各種技術(shù)方法。

一、電氣化鐵道負(fù)序電流的抑制方法

（一）方法及對(duì)比

對(duì)于負(fù)序電流來(lái)說(shuō)抑制方法和措施多種多樣，筆者將其綜合對(duì)比如下表所示：

（二）我國(guó)電氣化鐵路有源補(bǔ)償存在的問(wèn)題

我國(guó)高速電氣化鐵路有源補(bǔ)償主要是在牽引變電所進(jìn)行，目前存在的主要有：一是裝置價(jià)格昂貴，應(yīng)用受限；二是無(wú)統(tǒng)一的拓?fù)浞治龇椒ǎ蝗菃蜗嚯娏鳈z測(cè)的準(zhǔn)確度和速度性都應(yīng)進(jìn)一步提高；四是電流控制的補(bǔ)償效果需要進(jìn)一步提升穩(wěn)定性；五是有源補(bǔ)償?shù)闹麟娐沸柽M(jìn)一步優(yōu)化，提高效率、安全性和可靠性。

二、電氣化鐵路綜合有源補(bǔ)償工作原理

原有的解決電氣化鐵路電能質(zhì)量問(wèn)題，存在補(bǔ)償容量大、難以實(shí)現(xiàn)負(fù)荷動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題，如果采用優(yōu)化方法進(jìn)一步降低補(bǔ)償容量，則動(dòng)態(tài)特性比有源補(bǔ)償要差。如果選擇混和有源補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，首先要考慮有源補(bǔ)償?shù)某杀荆€有就是控制電路的復(fù)雜度，兩者都要兼顧。本文提出的綜合有源補(bǔ)償方案可解決單相牽引負(fù)荷負(fù)序問(wèn)題，還能夠同時(shí)抑制諧波和無(wú)功，其裝置結(jié)構(gòu)如圖1所示：

在原有基礎(chǔ)上，增加電流平衡補(bǔ)償裝置（由耦合變壓器、輸出濾波器、單相雙向變流器和直流環(huán)節(jié)等構(gòu)成）。電流平衡補(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)的功能包括：對(duì)兩臂負(fù)荷進(jìn)行諧波抑制；對(duì)兩臂負(fù)荷進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償；實(shí)現(xiàn)兩臂負(fù)荷的有功功率傳輸，實(shí)現(xiàn)電流平衡，消除負(fù)序電流。通過(guò)電流平衡補(bǔ)償裝置可以保證兩臂負(fù)荷達(dá)到最小平衡度要求，只要能檢測(cè)出α相和β相個(gè)電流分量，就可以電流一直、無(wú)功功率補(bǔ)償和兩臂負(fù)荷平衡，電氣化鐵路綜合有源補(bǔ)償裝置則可以實(shí)現(xiàn)負(fù)序的完全補(bǔ)償。

諧波抑制：電流平衡補(bǔ)償裝置輸出電流滿足公式，就可實(shí)現(xiàn)諧波抑制，此時(shí)電網(wǎng)電流為；無(wú)功功率補(bǔ)償：電流平衡補(bǔ)償裝置輸出電流滿足公式,可實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率補(bǔ)償，此時(shí)電網(wǎng)電流為；兩臂負(fù)荷平衡補(bǔ)償：電流平衡補(bǔ)償裝置輸出電流滿足公式，就可實(shí)現(xiàn)兩臂負(fù)荷平衡補(bǔ)償，此時(shí)電網(wǎng)電流為；綜合補(bǔ)償：電流平衡補(bǔ)償裝置輸出的電流滿足公式，此時(shí)電網(wǎng)電流為，此時(shí)電網(wǎng)電流不含諧波分量，武功分量，并且兩臂電流的有效值相等，如此就實(shí)現(xiàn)了電氣化鐵路諧波、無(wú)功和負(fù)序的綜合補(bǔ)償。

三、施工是需要考慮的其他因素

（一）電子器件的選擇

電子器件的選擇主要應(yīng)該考慮如下因素：開關(guān)速度、電壓等級(jí)、電流等級(jí)、開關(guān)頻率等。電力電子器件主要有GTO、MOSFET、IGBT、IGCT等。一般大容量(1000kVA以上)的有源補(bǔ)償采用GTO，中小容量(1000kVA以下)的有源補(bǔ)償采用IGBT。IGBT的開關(guān)頻率高、損耗大，GTO的開關(guān)頻率低，對(duì)高次諧波補(bǔ)償效果差。

電力電子器件電壓等級(jí)是根據(jù)直流側(cè)電容電壓選取的；電力電子器件電流等級(jí)根據(jù)最大的補(bǔ)償電流峰值的2倍選取；電力電子器件的工作頻率根據(jù)補(bǔ)償?shù)男枰ā?/p>

（二）輸出濾波器

電氣化鐵路電流平衡補(bǔ)償裝置在實(shí)現(xiàn)有功功率交換、無(wú)功和諧波補(bǔ)償?shù)耐瑫r(shí)也會(huì)輸出一定的高頻諧波毛刺，是由變流器的開斷帶來(lái)的。為了消除高頻信號(hào)注入電網(wǎng)中，需要設(shè)置輸出濾波器。結(jié)構(gòu)圖中的Io和Co構(gòu)成了電氣化鐵路電流平衡裝置的輸出濾波器。

（三）直流電容的選擇

直流電容為電氣化鐵路有源補(bǔ)償提供一個(gè)穩(wěn)定的直流電壓源，是有源補(bǔ)償電路的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。直流電容設(shè)計(jì)分為直流電容上電壓取值和直流電容容量取值。直流電容的選擇可遵循多種方法，可根據(jù)具體的施工情況選擇調(diào)整。

四、結(jié)語(yǔ)

在單相電氣化鐵路供電中，其所引起的無(wú)功、諧波和負(fù)序等電能質(zhì)量問(wèn)題比較突出。在本文研究的基礎(chǔ)上，還可進(jìn)一步深化電氣化鐵路有源補(bǔ)償拓?fù)涞难芯浚M(jìn)一步改進(jìn)主電路結(jié)構(gòu)，降低有源元件的容量，降低設(shè)備結(jié)構(gòu)和控制復(fù)雜程度，減少開關(guān)損耗并提高設(shè)備利用率。通過(guò)不斷優(yōu)化設(shè)計(jì)和嚴(yán)格施工，相信無(wú)論是設(shè)備運(yùn)行成本、鐵路運(yùn)輸?shù)陌踩煽啃缘榷紩?huì)得到進(jìn)一步的提升。

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