同相牽引供電系統(tǒng)改進(jìn)型混合電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器研究

魏文婧，李蓉蓉

0 引言

截至2021年底，全國鐵路營運里程達(dá)15萬公里，其中電氣化鐵路達(dá)10余萬公里，高速鐵路4萬公里，預(yù)計到2030年，我國高速鐵路規(guī)模將增長至4.5萬公里[1]。電氣化鐵路的快速發(fā)展極大地方便了人們的出行，但電氣化鐵路中運行的電力機車會造成一些電能質(zhì)量問題。機車負(fù)載是典型的單相負(fù)載，運行時會產(chǎn)生大量的負(fù)序電流，并且由于半控整流橋在機車上的廣泛應(yīng)用，牽引供電系統(tǒng)諧波電流和無功功率等問題也較為嚴(yán)重，上述電能質(zhì)量問題嚴(yán)重威脅公共供電系統(tǒng)的安全[2]。

對于傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)，相鄰饋線臂電壓差為牽引變壓器二次側(cè)線電壓，因此，相鄰饋線臂被中性段分割成長度為20～30 km的電隔離段，中性段的長度通常從幾百米到1 km以上。當(dāng)列車通過中性段時，會失去電力供應(yīng)，僅靠慣性滑行，列車速度受到嚴(yán)重影響，因此傳統(tǒng)的牽引供電系統(tǒng)不適合高速列車[1]。為了減少中性段的數(shù)量和長度，同相牽引供電系統(tǒng)于2009年被提出，并且第一套使用同相牽引供電系統(tǒng)的牽引變電所于2012年在眉山建成并投入使用[3]。由于同相牽引供電系統(tǒng)可對負(fù)序電流、無功功率和諧波進(jìn)行綜合補償，得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。

為解決牽引供電系統(tǒng)中的電能質(zhì)量問題，日本學(xué)者提出了鐵路功率調(diào)節(jié)器（RPC）[4]，RPC可以對負(fù)序電流、無功功率和諧波進(jìn)行綜合補償，湖南大學(xué)課題組對RPC作了進(jìn)一步的研究[5-6]，RPC具有良好的補償效果，但需要巨大的主動補償能力，限制了其廣泛應(yīng)用。為了降低有源補償容量，文獻(xiàn)[7]提出了混合電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（Hybrid Power Quality Conditioner，HPQC），HPQC通過在背靠背變換器輸出端采用不同的耦合支路（電感L支路和電容LC支路）來降低變換器的補償容量，由于耦合支路阻抗固定，僅在一定的負(fù)載條件下變換器補償容量最小，為保證負(fù)載條件變化時的補償效果，必須增大HPQC的變換器補償容量。

針對上述問題，本文提出一種改進(jìn)的混合電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，采用晶閘管開關(guān)代替固定的耦合支路，在負(fù)荷變化的情況下也可以使有功補償容量保持在較低的水平。

1 傳統(tǒng)混合型電能質(zhì)量補償器原理分析

采用傳統(tǒng)混合型電能質(zhì)量補償器的同相牽引供電系統(tǒng)如圖1所示。Vv牽引變壓器由2臺單相變壓器Vv接線構(gòu)成，其一次側(cè)接入110 kV或220 kV的三相公共電網(wǎng)，二次側(cè)有2個輸出端，1個為列車供電臂，記為Phase-ac，另1個記為Phase-bc。混合型電能質(zhì)量補償器由2臺背靠背變換器和中間直流電容組成，1臺變換器通過電感和電容LC支路與Phase-ac連接，另1臺變換器通過電感L與Phase-bc連接。HPQC通常通過降壓變壓器與公共耦合點相連，以適應(yīng)變換器的電壓要求。為了便于分析，圖1和下文的分析中省略降壓變壓器。

圖1 傳統(tǒng)混合型電能質(zhì)量補償器原理

隨著全控整流和脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)在高速列車上的廣泛應(yīng)用，高速列車負(fù)載的功率因數(shù)接近于1。文獻(xiàn)[8]對Vv接線牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行了補償電流的研究，結(jié)果如下：

式中：IL1p為負(fù)載電流的有效值，iLh為負(fù)載產(chǎn)生的諧波。

基本補償電流可分為兩部分：與系統(tǒng)電壓相角相同的有功電流(iac,ibc)和與系統(tǒng)電壓相角相差90°的無功電流。這意味著補償系統(tǒng)不僅要轉(zhuǎn)移有功，還要補償一定量的無功功率。以Phase-ac為例說明傳統(tǒng)電能質(zhì)量補償器的補償原理。Phase-ac變換器的輸出電壓為

根據(jù)式（2）可以得到圖2所示的相量圖。

圖2 變換器輸出電壓相量

式中：θ為補償電流與Phase-ac電壓的夾角。

根據(jù)式（1）可知θ= 30°，當(dāng)變換器輸出電壓最小時，可推導(dǎo)出Xac的值為

對于固定的Xac，只有在一個特殊的補償電流下變換器的輸出容量才能最小，但實際補償電流總是根據(jù)機車負(fù)載變化而變化。如圖2所示，當(dāng)補償電流增大到時，對應(yīng)的變換器電壓變化為，換流器輸出的電流相量和電壓相量不再為同相位，這意味著換流器輸出功率不再為純有功功率，還存在一部分無功功率，此時，耦合支路產(chǎn)生的無功功率與式（1）所要求的無功功率不匹配，因此需要由變換器提供差額無功功率，并且變換器的輸出電壓不再是最小，補償電流變化范圍越大，需要的無功補償功率越大。

2 改進(jìn)型混合電能質(zhì)量補償器

為了使變換器的輸出功率保持在較低的水平，Xac應(yīng)根據(jù)不同的補償電流而變化，在補償電流減小時增大，在補償電流增大時減小。基于這一思想，提出一種改進(jìn)型混合電能質(zhì)量補償器，該混合電能質(zhì)量補償器采用晶閘管開關(guān)耦合支路，可根據(jù)不同的補償電流動態(tài)調(diào)節(jié)Xac，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。補償器由線性的空心電抗器與反并聯(lián)晶閘管閥串聯(lián)組成，同時并聯(lián)電容器。TCR（晶閘管控制電抗器）通過牽引網(wǎng)的電壓、電流綜合計算晶閘管的觸發(fā)角，從而改變電抗器中的電流，實現(xiàn)平滑輸出無功的目的，而且其能夠以足夠的速度跟隨牽引負(fù)荷的頻繁變化以動態(tài)地補償無功。但TCR本身也產(chǎn)生諧波，影響了其補償性能，實際應(yīng)用中常用LC或LCR濾波網(wǎng)絡(luò)代替單純的FC支路，濾波網(wǎng)絡(luò)能夠在特定的頻段表現(xiàn)為低阻抗，能夠?qū)CR和電力機車產(chǎn)生的諧波分量起到一定的濾波作用。

圖3 改進(jìn)型混合電能質(zhì)量補償器

圖3中，n組LC支路并聯(lián)，每組LC支路可通過反并聯(lián)晶閘管SCR導(dǎo)通或關(guān)斷，支路開斷越多，總耦合支路阻抗越小，反之亦然。

假設(shè)補償電流Iacf的變化范圍為補償電流可分為n段：ΔI1，ΔI2，…，ΔIn。當(dāng)實際補償電流在ΔIk段時，耦合支路Xac1～Xack導(dǎo)通。因此，支路阻抗可以根據(jù)不同的負(fù)載條件進(jìn)行調(diào)節(jié)。

3 仿真分析

為驗證所提出的改進(jìn)型混合電能質(zhì)量補償器的有效性，基于MATLAB/Simulink軟件進(jìn)行仿真。補償系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，機車負(fù)載采用與諧波電流源并聯(lián)的線性負(fù)載模擬。為比較不同負(fù)載條件下的補償效果，設(shè)置了3種負(fù)載條件，3種負(fù)荷工況的負(fù)荷電流有效值分別為200 A（工況1）、500 A（工況2）和900 A（工況3）。傳統(tǒng)型混合電能質(zhì)量補償器的LC支路阻抗按工況2設(shè)置，改進(jìn)型混合電能質(zhì)量補償器結(jié)構(gòu)如圖3所示，支路數(shù)為3。詳細(xì)仿真參數(shù)如表1所示，仿真結(jié)果如圖4所示。

表1 仿真參數(shù)

圖4 仿真結(jié)果

無補償Vv接線牽引變壓器原邊三相電流如圖4（a）所示，負(fù)載電流只存在于A相和B相，三相電流不平衡，存在諧波畸變，需要進(jìn)行補償。常規(guī)電能質(zhì)量補償器補償后的三相電流波形如圖4（b）所示，實現(xiàn)了三相電流平衡且諧波較小。改進(jìn)型電能質(zhì)量補償器仿真結(jié)果如圖4（c）所示，其補償性能較好，能夠?qū)崿F(xiàn)三相電流平衡且諧波較小。

圖4的仿真結(jié)果表明，傳統(tǒng)電能質(zhì)量補償器和改進(jìn)型電能質(zhì)量補償器均能獲得良好的補償性能。根據(jù)第2節(jié)的分析，改進(jìn)型電能質(zhì)量補償器相對于傳統(tǒng)型HPQC優(yōu)勢在于在不同工況下均可獲得較低的變換器輸出功率。基于仿真結(jié)果，傳統(tǒng)型HPQC與改進(jìn)型HPQC的詳細(xì)比較如表2所示。

表2 傳統(tǒng)型HPQC和改進(jìn)型HPQC對比

對于傳統(tǒng)型HPQC，由于LC耦合支路參數(shù)是按工況2設(shè)置的，系統(tǒng)所需的無功功率可全部由耦合支路提供，因此工況2時變換器輸出的無功功率很小。但當(dāng)負(fù)載容量增加到工況3或減小到工況1時，傳統(tǒng)型HPQC變換器的輸出功率將增加到很高的水平。相比之下，改進(jìn)型HPQC變換器在3種工況下輸出的無功功率均能保持在較低的水平。

4 結(jié)語

混合電能質(zhì)量補償器通過在背靠背變換器中采用LC或L耦合支路來降低變換器的補償容量，本文首先介紹了傳統(tǒng)型HPQC的結(jié)構(gòu)和工作原理，分析了HPQC能夠降低變換器補償容量的原因以及該方法的缺陷。為了使變換器的輸出功率保持在較低的水平，提出了一種改進(jìn)型混合電能質(zhì)量補償器。改進(jìn)型HPQC采用晶閘管開關(guān)耦合支路，可根據(jù)不同負(fù)載情況動態(tài)調(diào)整耦合支路阻抗，推導(dǎo)了其結(jié)構(gòu)和補償原理，并通過仿真分析驗證了所提方法的有效性。