高速鐵路電能質量有源無源混合補償方法

喬光堯，丁寧，于坤山

（中國電力科學研究院，北京 100192）

高速鐵路以其運行速度快、運量大、節能環保、安全舒適、綜合效益突出等優勢，受到世界各國的重視，發展十分迅速[1]，截止目前，我國包括新建和既有線提速的高速鐵路營業里程達9 676 km，居世界第一。

相比普通電氣化鐵路，高鐵所需牽引功率更大、持續受電時間更長，供電能力和供電可靠性要求提高，網側電流諧波頻譜寬（可達幾kHz），加上我國高速鐵路大多數牽引變壓器采用V/v接線方式，相對于普通電氣化鐵路，高速鐵路的電能質量問題主要體現在負序和高次諧波，將會給電網、其他用戶及鐵路自身的供電安全和可靠性帶來很大影響[2-3]。

對于高速鐵路的負序治理，目前主要是采用SVC[4-6]或基于電壓源變流器（VSC）[7-9]等裝置。由于高速鐵路對電力系統的影響主要是高次諧波和負序問題，安裝在牽引變高壓側的SVC裝置可以解決負序問題。但SVC本身也產生諧波，不但影響了電網和負載，也影響其補償性能，導致系統濾波要求增大。基于VSC的補償裝置在高壓大容量情況下補償高次諧波時，需要裝置工作在高開關頻率下，會帶來損耗大，工程實施難、造價高等問題。

本文提出采用基于VSC和無源高通濾波器的諧波負序綜合治理方案，VSC裝置主要用于補償11次以下的低次諧波和負序，無源高通濾波器用于補償13次及以上的高次諧波，對VSC裝置和高通濾波器分別進行設計，并針對京滬高鐵某實際牽引站，對設計的方案進行了仿真研究，結果驗證了所提出的方案的正確性和有效性。

1 治理裝置在牽引站的配置方式

由于高速鐵路功率大，牽引網電流大，一般均采用供電能力強的AT供電方式。系統接線如圖1所示。牽引供電系統主要由V/v牽引變壓器、自耦變壓器AT、接觸網T、正饋線F、鋼軌R以及機車組成。電流從牽引站流出，通過接觸網給高速列車提供電能，然后通過正饋線流回牽引站。V/v牽引變壓器二次側帶中點抽頭接地，省略了站內AT，牽引變壓器原邊電壓220 kV，副邊電壓為2×27.5 kV，接觸網與鋼軌間電壓為27.5 kV，正饋線與鋼軌間電壓為-27.5 kV。

安裝在牽引站牽引側的有源濾波裝置補償方案采用基于VSC的單相背靠背變流器結構，直流側電容共用，有源補償裝置的2個交流側通過單相變壓器接入牽引母線。

無源高通濾波器（HPF）安裝在供電臂末端的分區所，在牽引網與鋼軌、正饋線與鋼軌之間分別安裝，2個分區所共設置4套，主要濾除13次及以上的高次諧波電流，同時能夠提高牽引網末端電壓，補償機車無功功率。

2 有源裝置結構及補償原理

2.1 有源補償裝置結構

有源補償裝置主電路圖如圖2所示。左側通過單相多繞組變壓器T1接入牽引母線，變壓器副邊共9個繞組，每個繞組完全解耦，阻抗相同。變壓器副邊的每個繞組通過連接電抗器接一個H橋變流器，為直流側電容供電；右側變流器采用H橋級聯結構，然后通過普通單相變壓器T2接入右側的牽引母線，兩側的單相變壓器實現裝置輸出電壓和牽引供電系統電壓之間的匹配，起到升壓和電氣隔離的作用，H橋級聯變流器可以提高輸出電壓等級，減小輸出電壓諧波。

這種結構中每個背靠背H橋變流器的直流側獨立，且分別由變壓器的單個繞組供電，通過PWM整流控制能夠實現直流電壓的平衡，克服了常規級聯結構多級直流電壓平衡控制的難點[10]。采用變壓器接入，提高系統的可靠性。

2.2 基于V/v牽引變壓器的負序諧波補償原理

設電源三相電壓對稱，且有效值為U，三相電壓分別為：

圖1 基于AT供電和V/v變壓器的牽引變電所補償結構Fig.1 Compensation structure of traction substation based on the AT power supply and V/v transformer

圖2 有源補償裝置主電路拓撲結構Fig.2 The main circuit topology structure of the active compensator

根據圖1中的牽引變壓器接入系統中的相序，變壓器副邊繞組電壓表達式為：

式中，Ua、Ub分別為牽引變壓器1B、2B的二次側電壓，理想情況下兩側電壓大小相等。

根據圖1中的接線方式及電壓相序，對于高速鐵路而言，由于機車網側變流器采用PWM整流，網側功率因數接近1。為簡單起見，下面分析時假設負載基波電流為純有功電流，令左右兩供電臂負載基波電流為：

則原邊基波電流為：

V/v接線牽引變壓器原副邊電壓及原邊電流相量關系如圖3所示。

圖3 原邊三相電壓電流相量關系Fig.3 The relation of three-phase side voltage and current

從變壓器的高壓側看，根據對稱分量法，可得變壓器原邊三相正序電流、負序電流、零序電流以及電流不對稱系數KI分別為：

式中，α=ej120°為單位相量算子。

要完全補償負序時，需使原邊三相電流大小相等，且與電壓同相位。由相量圖3可知，原邊C相是2個牽引供電臂的公共相，C相電流為A、B相電流的相量和。要使I觶C與U觶C同相位，必須使 AB相電流相等，即必須使兩供電臂的有功電流相等，那么由補償裝置轉移的有功電流有效值為：

式中，ILap為a供電臂上的有功電流；ILap為b供電臂上的有功電流。

要使原邊三相電流對稱，還須在a供電臂補償超前無功電流ICaq，b供電臂補償滯后無功電流ICbq，使原邊A、B相電流分別與電壓同相，補償無功電流有效值分別為：

通過上述兩臂有功功率的轉移和無功功率的補償，使得原邊三相電流對稱，且功率因數為1，補償過程相量圖如圖3中虛線所示。

由于高速鐵路產生諧波電流，補償裝置需進行諧波抑制，理想情況下，產生的諧波電流與牽引負荷諧波電流大小相等，相位相差180°。相量表達式為：

一般情況下，牽引負荷功率因數都達不到1，當需要進行無功補償時，調節器補償牽引負荷無功電流補償無功電流I觶Laq、I觶Lbq。通過功率因數控制，使得牽引變壓器副邊兩供電臂的功率因數達到1。

綜上所述，背靠背結構補償裝置的綜合補償電流分別為：

2.3 有源補償裝置控制策略

治理裝置的控制目標是通過轉移兩供電臂的不平衡有功電流，同時補償相應的無功功率，以達到抑制三相側系統負序電流的目的。為了實現有功功率在兩供電臂之間流動，保證直流側電壓的穩定，就必須選擇一側的變流器采用定直流電壓控制策略，只要直流電壓保持恒定，就保證了兩側變流器輸入的有功與輸出的有功相等，從而實現有功功率從一側供電臂向另一側供電臂的轉移。本文中選擇多繞組單相變壓器側的變流器外環控制器采用定直流電壓控制方式，工作在整流模式；另一側變流器采用定有功功率輸出控制策略，工作在逆變模式。

2.3.1 定直流電壓控制策略

為了實現直流側電壓的穩定、單位功率因數運行、諧波含量小以及較快的動態控制響應，整流側變流器采用單相PWM整流控制[11]方式。PWM整流一般采用電壓外環電流內環的雙閉環控制策略[12-13]。在這樣的控制系統中，內環電流的控制是關鍵，電流控制的性能決定了整個系統的性能，因為外環電壓的控制是通過內環電流的控制而間接實現的，因而要求電流控制器有較快的瞬態響應和滿意的穩態特性。本文采用一種瞬時電流控制方式，即將目標電流值與H橋輸出電流值相比較，然后通過調節器PI2，與前饋電壓Uac相加，得到調制信號控制H橋的4個橋臂。為了抑制供電臂電壓波動的影響，采用電壓前饋控制策略，當供電臂電壓有變化時，直接反應到調制信號，加快了控制的響應速度。

整流側雙閉環控制框圖如圖4所示，圖中的是通過鎖相環得到的與電網電壓同相的正弦信號。

圖4 整流側控制框圖Fig.4 Control block diagram of the rectifier side

圖4 中，Irq為該側無功和諧波參考電流信號，其表達式為：

2.3.2 定有功功率控制策略

逆變側變流器需要輸出兩臂負荷不平衡的基波有功電流，同時還能補償基波無功、諧波電流。在逆變側變流器控制中，跟蹤指令電流的控制方法是決定裝置補償質量的關鍵。對逆變側級聯逆變器的交流側電流的控制也采用了基于瞬時值電流的PI控制方式，控制框圖如圖5所示。同時為了減小供電臂b的電壓波動對逆變器輸出的影響，減小PI參數，同時采用了供電臂電壓前饋控制。

圖5 逆變側變流器電流控制框圖Fig.5 Current control block diagram of the inverter side

在底層PWM調制算法中采用輸出電壓畸變率相對較低的載波移相SPWM（CPS-SPWM）單極性調制方法[14]，能在較低的器件開關頻率下獲得較高等效開關頻率，在提高裝置容量的同時，有效地減小輸出諧波。

3 無源高通濾波器參數設計

無源高通濾波裝置采用二階RLC結構，對13次及以上的諧波電流進行濾波。裝置主要由電容器C、電抗器L、電阻器R組成，高通濾波器的回路如圖6所示。在AT供電方式下，高通濾波器在分區所的接觸網與鋼軌之間和正饋線與鋼軌之間分別設置。具有改善牽引網電壓質量、吸收動車組高次諧波和抑制高次諧波諧振引起網壓異常波動的作用。

圖6 高通濾波器結構Fig.6 Structure diagram of the high-pass filter

根據結構圖，可得二階高通濾波器阻抗與頻率之間的關系為：

高通濾波器按2個參數選擇電路元件參數[15]，一個是截止頻率fn，表達式為

另一個是高通濾波器阻抗頻率特性曲線的斜率b，表達式為

b表示曲線形狀，一般取b為0.5~2.0，b值的選擇對高通濾波器的特性有很大的影響。為了濾除13次及以上的諧波，選擇高通濾波器的截止頻率為 fn=612 Hz，選擇b=1.06，可得單套二階高通濾波器各元件參數為如表1所示。

表1 二階高通濾波器參數Tab.1 Parameters of the second-order high-pass filter

4 仿真研究

針對京滬高鐵某實際高速鐵路牽引站，采用PSCAD/EMTDC對文中提出的基于有源和無源相結合的混合補償方法進行仿真。牽引站采用V/v牽引變壓器和AT供電方式，牽引站實際參數為：2個牽引變壓器B1、B2參數相同，容量為50 MV·A，變比為220 kV/27.5 kV/27.5 kV，二次側帶中點抽頭接地，短路阻抗為10.5%。

調節器H橋級聯數量為9，開關頻率為1kHz，直流側電壓設定為1.6 kV，直流側電容20 mF。單相多繞組變壓器原邊電壓27.5 kV，副邊9個繞組電壓均為0.85kV，短路阻抗為15%，連接電感為0.5mH；逆變側變壓器原邊電壓27.5 kV，副邊電壓為8.6 kV，短路阻抗為15%，連接電感為0.1mH。負載采用CRH3等效模型[16]，16輛編組的機車輪軸最大功率為18.4 MW。

圖7（a）為b供電臂有一臺16輛編組的CRH3機車運行、a供電臂空載時變壓器原邊電流仿真波形，機車功率為18.4 MV·A，功率因數為0.98。牽引變壓器原邊正序電流與負序電流基本相等，負序電流與正序電流的比約為100%，圖7（b）為補償前牽引變壓器副邊bc相電流頻譜，除了產生與開關頻率相關的高次諧波外，由于機車變流器直流側電壓的波動，在網側還產生了低次諧波電流。

圖7 補償前牽引變壓器原邊三相電流和負載電流諧波頻譜Fig.7 Traction transformer primary side current and load current harmonic spectrum before compensation

圖8 為補償后原邊三相電流波形，補償后三相電流接近對稱，負序電流與正序電流的比為5.1%，正負序電流分別為61 A、3.0 A，功率因數為0.995。補償后牽引變壓器的副邊bc相電流頻譜如圖8（b）所示。

圖8 補償后牽引變壓器三相電流及副邊電流頻譜Fig.8 Traction transformer primary side current and secondary current spectrum after compensation

圖8 中可以看出，經過無源和有源相結合的綜合補償，高次諧波通過高通濾波器得到有效的濾除。低次諧波和負序電流通過背靠背有源補償部分得到了補償。

5 結論

本文提出的基于有源和無源相結合的混合補償裝置能夠補償高速鐵路的負序、諧波等電能質量問題，所提出的有源補償裝置的主電路拓撲結構和控制策略是可行的。無源高通濾波器能夠有效地抑制13次及以上的高次諧波。仿真結果證明這種混合補償方法的有效性。

[1] БЕЛОВ Л Ф（俄）.世界高速鐵路干線的現狀與發展[J].邢納新，譯.國外鐵道車輛，2010，47（2）：1-5.БЕЛОВ Л Ф （Russia）.CHEN Baoyin （check）.Present situation and development trend of high speed railway main line in the world[J].XING Na’xin,Translate.Foreign Rolling Stock，2010，47（2）：1-5（in Chinese）.

[2] 周方元，王衛安.高速鐵路對供電質量的影響及治理措施[J].大功率變流技術，2010（6）：41-45.ZHOU Fang-yuan，WANG Wei-an.Influence of high-speed railway to power quality and its governance measures[J].Converter Technology&Electric Traction，2010（6）：41-45（in Chinese）.

[3] 何正友，胡海濤，方雷，等.高速鐵路牽引供電系統諧波及其傳輸特性研究[J].中國電機工程學報，2011，31（16）：55-62.HE Zheng-you，HU Hai-tao，FANG Lei，et al.Research on the harmonic in high-speed railway traction power supply system and its transmission characteristic[J].Proceedings of the CSEE，2011，31（16）：55-62（in Chinese）.

[4] ROLF Grunbaum.SVC for the channel tunnel rail link:providing flexibility and power quality in rail traction[C]//Power-It’s a Quality Thing，IEE Seminar，London，UK Feb，2005:1-2.

[5] ABB Power Systems.Multiple SVC installations for traction load balancing in central queensland[EB/OL].（2011-03-28）[2011-07-29].http://search.abb.com/library/Download.aspx?DocumentID=A02-0134E&LanguageCode=en&Document PartId=&Action=Launch.

[6] 王寧之.電氣化鐵路動態無功補償（SVC）方案探討及可控電抗器的應用[J].電力電容器與無功補償，2009，30（4）：5-7.WANG Ning-zhi.Investigation of dynamic static var compensation（SVC） program for electrified railway and application of controllable reactor[J].Power Capacitors，2009，30（4）：5-7（in Chinese）.

[7] ABB power systems.SVC Light誖for railway load balancing[EB/OL].（2011-01-02）[2011-07-29].http://www.abb.com.cn/search.aspx?q=SVC%20Light%C2%AE%20for%20railway%20load%20balancing.

[8] UZUKAT Tetsuo，IKEDO Shouji，UEDA Keiji.A static voltage fluctuation compensator for AC electric railway[C]//Power Electronics Specialists Conference PESC 04.2004 IEEE 35th Annual，Aachen Germany，2004.

[9]FUJII K，SUZUKI A，KONISHI S，et al.STATCOM applying flat-packaged IGBTs connected in series[J].IEEE Transactions on Power Electronics，September，2005，20（5）:2528-2532.

[10]HAN Chong，HUANG Q A，LIU Yu.A generalized control strategy of per-phase dc voltage balancing for cascaded multilevel converter-based STATCOM[C]//IEEE PESC Orlando，FL，June，2007：1746-1752.

[11]張崇巍，張興．PWM整流器及其控制[M]．北京：機械工業出版社，2003.

[12]張昌盛，段善旭，康勇．基于電流內環的一種逆變器控制策略研究[J]．電力電子技術，2005，39（3）：14-16.ZHANG Chang-sheng，DUAN Shan-xu，KANG Yong.Research on control scheme based on current inner-loop for inverter supply[J].Power Electronics，2005，39（3）：14-16（in Chinese）.

[13]KAZMIERKOWSKI M P,MALESANI L.Current control techniques for three-phase voltage-source PWM converters：a survey[J]．IEEE Transactions on Industrial Electronics，1998，45（5）：691-703.

[14]朱軍衛，龔春英.逆變器單極性電流SPWM控制與滯環控制比較[J]．電力電子技術，2004，38（1）：26-29.ZHU Jun-wei，GONG Chun-ying.Performance comparison of the unipolar current-spwm control and hysteresis control inverter[J].Power Electronics，2004，38（1）：26-29（in Chinese）.

[15]GEORGE J Wakileh.電力系統諧波-基本原理、分析方法和濾波器設計[M].徐政，譯.北京：機械工業出版社，2007.

[16]姜東杰.CRH3型動車組牽引傳動系統[J].鐵道機車車輛，2008，28（B12）：95-99.JIANG Dong-jie.Traction drive system of CRH3 EMUs[J].Railway Locomotive&Car，2008，28（B12）：95-99（in Chinese）.