基于RPC的鐵路供電系統供電質量研究

田龍

(中鐵七局電務公司,河南鄭州 450000)

基于RPC的鐵路供電系統供電質量研究

田龍

(中鐵七局電務公司,河南鄭州 450000)

本文分析了高速鐵路電力系統中電能存在負序、諧波等問題,及其引發的危害,使用了RPC對供電系統的供電質量的控制,完全消除三相電流的負序電流,并控制諧波電流。

高速鐵路 負序 諧波 PRC

眾所周知,鐵路供電系統由牽引供電系統和電力供電系統兩部分組成。牽引供電系統是從電力系統接引電源,經過降壓轉換后提供給電力機車供電的電力網絡,主要是由牽引變電所與接觸網兩部分組成。而電力系統是三相高壓供電系統。牽引變電所是將電力供電系統的高壓輸電線輸送的電能,按照對電流和電壓不同的電力牽引要求,轉換為適合電力牽引的電能,再輸送給沿線上架設的接觸網,提供給沿線行駛的電力機車。

1 鐵路供電系統存在的問題分析

鐵路供電系統的自耦變壓器(AT)以單相供電方式供電,勢必在牽引所的高壓三相側產生電流不平衡,并輸入負序電流給上一層電力系統。該負序電流的大小因此和牽引變壓器相關。牽引變壓器是一種將三相高壓交流電轉化為較低壓的單相交流電的變壓器。鐵路供電系統中的三相高壓電力系統的負序電流大小由牽引變壓器和電力機車運行情況兩個方面決定。

目前,高速鐵路電力系統的電能存在負序、諧波等兩個主要問題,從而危害電力設備的正常運行并增加損耗,以至于造成電力事故,使得牽引供電系統本身和上級電力系統的安全得不到保障。負序電流使同步電機附加損耗和轉子發熱增大,而且引起附加震動。一旦負序電流偏大,以負序分量啟動的電力系統繼電保護裝置將出現誤工作,引起三相電流不平衡,同時出現不平衡的三相電流,并出現一相電流最大額度限制變壓器的額定處理,從而是的變壓器的有效利用率降低,而且,會增加變壓器的漏磁和局部過熱。當該電流流過電力網絡,也使得電能損耗,增加線損,造成電網的電能輸送質量降低。而諧波將增加電線的損耗,縮短輸電線的正常使用時間;電力電容器出現諧振,損壞電力電容器,從而增加旋轉電機與變壓器的損耗。

因此,我們采用實效的電能質量控制技術,綜合治理諧波和負序兩個主要問題,從而提高鐵路電力系統的電能質量具有非常重要的經濟意義。

2 RPC原理

鐵路功率調節器(Railway Static Power Conditioner,簡稱RPC)采用兩個電壓源變流器背靠背結構,交流側分接于變電所兩供電臂和直流側共用電容。該調節器具有平衡功率,補償無功,穩定電壓和有源濾波等功能。RPC在抑制電壓波動,平衡系統電壓,以及過濾諧波都具有良好的效果,并且在無功補償的同時能實現有功功率的轉移,而且有有源濾波的功能。RPC的結構如圖1所示。

圖1 RPC的結構圖

RPC的結構含四個單相逆變H橋,其中的兩個H橋共用一個直流電容,形成了背靠背結構,類似若干個H橋結構并聯,通過降壓變壓器和輸出電感接入三相V/v牽引變壓器的兩個二次輸出端。RPC屬于有源裝置,其對兩個H橋進行合適控制,能夠達到負序補償,無功補償和抑制諧波抑制。RPC調節器轉移三相V/v變壓器的二次側兩供電臂有效功率,使部分負荷有功功率從功率大的一端轉移到功率偏小的一端供電臂,實現了兩供電臂具有相等的有功負荷,而且為了達到補償負序電流的作用,在兩供電臂會出現補償部分無功功率。RPC調節器通過產生諧波來消除諧波來實現諧波抑制。

3 鐵路電力系統RPC的運用

RPC中要實現鐵路電力系統中的負序和諧波補償,就需要使得調節器中兩變流器跟蹤負序和諧波電流補償這兩個參考量。當兩變流器獲得穩定的直流側電壓時,才能正常工作。RPC的兩個變流器單元都有無功補償、抑制諧波和整流的功能,它們通過一個直流電容鏈接起來,一定程度上,可以理解為兩個單獨的變流器。RPC調節器的直流側電壓通過這兩個變流器共同釋放或補充有功。兩變流器在直流電壓比參考電壓低時,共同給RPC充電;兩變流器在直流側電壓比參考電壓高時,會向電網釋放電能,這樣使直流側電壓得到穩定。兩供電臂一起承擔了功率模塊開關損耗,從而確保了RPC兩變流器兩側功率相等,最終實現三相電流的對稱。

4 RPC的功能分析

RPC的補償參考電流是在最初負序和諧波參考電流的基礎上,累加一個直流側電壓和有功電流分量。直流側電壓的誤差經過調節后,在RPC有功指令下,和負序和諧波補償電流指令累加,得到RPC實際電流參考指令。為了確保兩變流器的兩側功率平衡,需要通過直流側電壓和兩變流器共同維持,功率損耗由兩臂分擔。為了實現兩變流器有較快的速度,RPC調節器選用了環控制方法。RPC實際上需要采用電流內環和直流側電壓外環的雙閉環控制策略。開關控制信號在電流跟蹤誤差較大時,會出現信號變化頻繁。而跟蹤誤差在環寬較大時也相應較大。RPC調節器在兩供電臂功率不等時,應當合理設置滯環環寬,采用的方式是通過比較合適的功率調整,使得兩供電臂的功率調整為相同值,最終達到抑制兩供電臂諧波和消除三相電流負序電流的目的,因此補償效果明顯。

5 結語

鐵路電力系統中采用RPC可以通過平衡兩供電臂的功率,包括有功和無功功率,完全消除三相電流的負序電流。實際上,RPC對對高次諧波的抑制較弱,而對低次諧波的抑制較好。

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