鐵道牽引供電系統電能質量控制的研究及仿真

摘 要：鐵道牽引供電系統是鐵路部門正常供電的重要保障一直以來都是相關人員關注的重點內容，具有重要意義。因此，本文以牽引供電系統為對象，從牽引供電系統存在的問題及相應措施、基于單相有源濾波器的平衡供電系統的仿真兩方面對鐵道牽引供電系統電能進行質量控制與仿真研究。

關鍵詞：鐵道牽引供電；電能質量控制；仿真

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.12.163

隨著社會的發展與科技水平的提高，我國利用電力牽引進行供電的方式不斷改進與提升，具有明顯的快速發展，在計劃鐵路運行中具有重要地位。但是，牽引供電系統是一種利用電力進行負電荷牽引以提供機動車行使動力的方式，在電流的隨意性與不可控性影響下，存在明顯的牽引供電不穩定性，需要進行進一步的研究與改善。

1 牽引供電系統存在的問題及相應措施

（1）工頻單相牽引供電系統存在的問題。在我國電氣化鐵路運行過程中，選擇了工頻單向交流制的牽引供電方式，利用其成本、靈活性強、易于控制的優勢，不斷為我國電氣化鐵路功效。雖然工頻單相牽引供電系統比交流供電系統具有明顯的優勢，但也存在著自身問題。首先，工頻單相牽引供電系統存在無功功率和諧波電流的問題。造成這一現象的主要原因是電力火車在運行過程中存在隨機性強的現狀，導致了基波電流在運行過程中產生一定的偏差與變化并出現諧電流參雜其中，從而導致牽引系統工作負荷量過大，電流運行過程的單相不匹配問題，從而產生無功功率與諧波電流問題。而工頻單相牽引供電系統存在的這一問題容易加大牽引供電系統設備工作負擔加大，從而降低設備使用壽命，甚至出現誤動或不動的情況，威脅運行安全。工頻單向牽引供電系統存在的另一問題就是負序電流問題。當牽引變電采用單相鏈接的接線方式時，會產生負序電流，而負序電流的出現會導致變壓器輸出功率降低，降低電氣機車的工作效率，同時也造成安全隱患，威脅牽引供電系統正常運行的安全性，從而帶來一系列損失。

（2）相應解決措施。應對工頻單相牽引供電系統存在的無功功率、諧波電流、負序電流的問題，我國電氣部門進行積極改進與項目研發，以減少負面因素的影響，提高工作效率。首先，針對諧波電流的問題，我國電氣機車運行行業不斷提高機車的性能，引入各種技術手段，以提高機車運行的穩定性。具體表現在電氣機車中配備功率因數校正設備，提高機車自身機能以保持電力運輸的穩定性，減少過程中的運行不穩定因素對電流牽引的干擾，從而有效減少諧波電流的產生和對正常運行的干擾。其次，電氣機車可以在機車中配備專業設備，利用無極和有極交替補助的方式，借助靜止型動態無功補償設備和有源濾波器設備，在機車運行過程中出現無功功率和諧波電流時可以實現有效的補償，進行有效牽引與穩定運行。最后，對于負序電流的改善有多種方式進行，包括改變傳統的接點方式以實現供電順序穩定，或是采用高電壓、變壓器的方式最大程度保障運行電流的單相穩定性，以強電流灌輸和變電調節的方式，降低負序電流造成的不利影響。

2 基于單相有源濾波器的平衡供電系統的仿真

（1）理論知識。有源濾波器是針對牽引供電系統運行時容易出現諧波電流以及無功功率的人問題，而設計的進行有效補償的穩定運行設備，以實現牽引供電系統的平衡供電。而單相有源濾波器的平衡供電系統的仿真是指利用專業的仿真軟件進行操作的仿真運行技術，從而實現運行過程的有效模擬與問題斷定，幫助電氣工作者更好進行技術問題分析。而當前廣為使用的仿真軟件是EMTDC軟件或PSCAD軟件，與其他仿真軟件相比，這兩種仿真系統較為全面，功能強大且仿真效果優越。其中PSCAD不僅可以進行有效仿真，還可以進行相互聯系，性能較為靈活，而EMTDC則可以實現由用戶進行需求定義的強大功效，有效展現核心運行狀態，并根據用戶的實際需求進行相關內容的類型輸出，具有明顯的個性化需求。也正是因為這樣的優勢，這兩種仿真技術被廣泛的應用在單相有源濾波器的平衡供電系統的仿真工作之中，利用技術的便捷實現電氣技術的提升與改善。并且，在實際的模擬仿真過程中，該仿真技術也確實實現了這樣的功效，促進了牽引供電的發展。

（2）牽引供電系統仿真模型的建立。牽引供電系統仿真模型的建立主要是主電路建立、檢測控制電路建立兩方面內容。其中，主電路的建立由電源、接觸網、直流機車負載、平衡供電裝置幾個核心內容構成。電源類型為工頻的交流電源供電，直流機車負載是核心關鍵，而平衡供電裝置保障運行穩定。直流機車負載主要是針對傳統工頻單相牽引供電系統中容易出現的諧波電流、無功功率問題導致的設備運轉負荷壓力過大的問題，通過單相半控制橋搭建的方式進行整流電流的簡化工作，提高運行效率。而檢測控制電路的設計則是通過負載無功電流運算的方式，或是采用APF監控技術的引用，實現電路的監控與管理。當運行系統出現問題時，直流機車的半控橋就會立即啟動觸發角控制接板進行及時的故障反應，從而實現有效的模仿真模擬。因此，在現代的牽引供電系統中，仿真技術被不斷運用在技術性開發與檢測功能中，以最大程度進行設備運行完善。

3 小結

在現階段的鐵路運行中，應用牽引供電系統運行實現動力保障的運行方式已經成為主要的機車運行方式，占據著絕對的市場份額，促進我國電氣機車的不斷發展。但于此同時，電氣部門仍需要加強牽引供電系統的穩定性與技術提升，不斷改進單相有源濾波器的平衡供電能力，減少現階段的問題對牽引供電系統運行安全的威脅，促進道路牽引供電系統電能質量的穩定提升。

參考文獻：

[1]王金星.Matlab在有源濾波器仿真中的應用[J].電力系統自動化學報，2001（13）.

[2]韓松，邱國躍.基于DSP的三相有源濾波器諧波檢測研究[J].貴州工業大學學報，2003（32）.

[3]袁濤，鄭建勇等.PSCAD/EMTDC中自定義模型研究及其在有源濾波器控制算法仿真中的應用[J].電氣應用，2006（25）.

作者簡介：張玲（1990-），女，陜西西安人，本科，助教，主要研究方向：牽引供電系統調度自動化與繼電保護、電力電子、電能質量檢測與控制。