电气化铁路电能质量问题及其综合治理

清华大学电机工程与应用电子技术系柔性输配电研究所 刘诚哲 姜齐荣 魏应冬

1 电气化铁路在交通运输中居重要地位

我国高速发展的国民经济对我国铁路运输能力提出了越来越高的要求。电力机车同蒸汽机车、内燃机车相比，速度快、载重高、能源利用率高且环境友好[1]，因此电气化铁路在提高铁路运输能力的同时有利于减少化石燃料的使用、降低运营成本，实现资源的合理分配和有效利用。目前，无论从政策还是已具备的条件来看，大力发展电气化铁路都是保障我国国民经济高速、健康、可持续发展的必由之路。

2005年底，我国共建成、开通43条电气化铁路，总里程达到20132公里，成为继俄罗斯、德国之后，第三个电气化铁路总里程超过两万公里的国家。2006年10月31日，随着浙赣线电气化改造工程的开通，中国电气化铁路总里程已突破24000公里，成为继俄罗斯之后世界第二大电气化铁路国家。2008年，我国铁路电气化率已经达到27%，承担着全路43%的货运量。根据我国《中长期铁路网规划》，到2020年全国电气化铁路总里程要达到5万公里，占全国铁路运营总里程的一半，承担的铁路运量比重将超过80%。

可以预见，我国的电气化铁路必将步入一个高速发展的时期。在不久的将来，电气化铁路必将在我国交通运输中居重要地位。

2 电气化铁路的电能质量问题及其危害

电气化铁路网中运行的电力机车作为一类特殊的电力负荷，存在多种电能质量问题，对电力系统的稳定运行和其他电力系统用户的正常用电造成了不可忽视的危害。

2.1 波动性、冲击性强

国内多种参考资料以及国外有关文献显示，电气化铁路的负荷与线路情况、机车类型及操纵、机车速度、牵引重量、运行图等多种因素有关，使其牵引负荷在时间和空间上的分布极其不均匀，具有很强的波动性，给电气化铁路电能质量综合治理带来很大难度。

目前，我国电气化铁路牵引变电站的最大容量达到80MVA，高速客运专线牵引变电站远期规划容量达120MVA，且电气化铁路建设时考虑多达100%的过载容量，因此峰值负荷可达160-240MVA[2]。在电网较薄弱的地区，如此大的集中负荷将对当地供电系统造成巨大冲击，从而引发电压波动和闪变等问题

2.2 三相严重不平衡

电力机车是单相负荷，接入三相对称的电网中时将在牵引变压器系统侧产生幅值较大的负序电流。该负序电流的大小与牵引变压器的连接方式及牵引负荷的大小有关。牵引变电站采用单相接线变压器时，其牵引负荷在电力系统中引起的负序电流与正序电流相等，且等于牵引负荷电流的0.144倍；若牵引变电站采用单相V/V接线变压器，当两个方向的牵引负荷相等时，其牵引负荷在电力系统中引起的负序电流为正序电流的一半，当两侧牵引负荷不相等时，负序电流与两侧负荷电流之差的绝对值成正比；若牵引变电站采用三相Δ/Y接线变压器，其牵引负荷在电力系统中引起的负序电流为正序电流的一半[3]。

如此严重的负序电流将在旋转电机中产生负序磁场，使发电机中产生负序同步转矩，导致附加震动；使电动机中产生制动转矩，影响出力。三相不对称负荷将造成电力变压器容量利用率下降，同时增加变压器能量损耗和铁芯磁路的发热。除此之外，负序电流干扰继电保护和自动装置的负序参量启动原件，使它们频繁失误。

2.3 功率因数低下

电力机车在不同工况下，牵引负荷电流相位角（相对于牵引网电压）的变化幅度较大导致平均功率因数偏低。当机车处于再生制动工况时，机车电流反馈牵引网，电流相位角为滞后120°～130°；机车过电分相产生激磁涌流，可视为纯感性电流，相位角接近滞后90°；机车处于其他工况时，相位角为35°～37°(功率因数为0.82-0.8)；而在牵引网短路故障时，故障电流相位角为滞后65°～70°。

因此，电力机车将向电网注入大量的无功电流，降低发电装置的效率以及输电设备的输送能力，增加线损，引起牵引供电臂电压下降，威胁电气化铁路的行车安全[4]。

2.4 谐波含量高

我国电气化铁路大量采用交-直-交或交-直型电力机车，其功率输入侧采用相控整流技术将向牵引供电网注入大量的谐波电流，使电气元件产生附加损耗，影响电气设备的正常工作，造成谐波过流，甚至引起继电保护装置的误动，导致设备损坏、大面积停电等恶性事故。

3 电气化铁路电能质量的综合治理

电气化铁路存在的种种电能质量问题与其牵引供电系统的特性密切相关，因此针对牵引供电系统自身的治理方案在理论上具有可行性；同时，随着电力电子技术的发展，大容量FACTS（Flexible AC Transmission System）装置以其优越的性能备受瞩目，因此针对电气化铁路电能质量问题的动态补偿方案近年来受到国内外学者的广泛关注。

3.1 针对牵引供电系统的治理方案

电气化铁路牵引供电网在电气上可以分为三个部分，即：电力供电系统，通常为220kV或110kV三相工频交流电网；牵引变压器及接触网，按我国电气化铁路现有供电制式，牵引变压器牵引侧二端口分别引出一27.5kV的单相工频交流供电臂做为接触网的主干；牵引负荷，即电力机车。针对牵引供电系统的电气化铁路电能质量治理方案亦可从上述三个部分加以概括。

提高牵引变电站接入的电力供电系统的短路容量，可以缩短接入点与电源之间的电气距离，从而增强电力供电系统抵御电气化铁路电能质量问题的能力，降低牵引负荷注入电力系统的负序、无功、谐波电流对电力系统的影响。但该方案实现难度高、工程规模和耗资巨大，且受电力系统接线方式等因素影响，短路容量不可能无限制提高，治理效果有限。考虑该方案本质上并未减少牵引负荷电流有害成分的注入，因此这种治标而不治本的方式并不可取。

某些牵引变电站采用阻抗匹配平衡变压器、斯科特变压器等特种平衡变压器。这类变压器凭借自身特殊的接线方式及变比设置，在一定负荷条件下可实现系统侧三相电流完全对称，达成牵引供电系统负序电流治理的目的。但由于牵引负荷巨大的波动性以及时间、空间分布的随机性，平衡变压器的平衡条件极难满足，绝大多数情况为一供电臂有负荷而另一供电臂无负荷的极端不利状况。在该情况下，平衡变压器对于削弱注入电网的负序电流没有任何作用。除此之外，部分线路将一定距离内多个牵引变压器的系统侧轮换相序接入电力系统以谋求在较长供电区段内的三相平衡，该方案理论上有助于缓解三相不平衡问题，但实践证明效果并不理想。同时，由于牵引变压器系统侧绕组换相接入，导致各牵引变电站供电臂电压相位不一致，在不同区段之间再次增加了分段绝缘器，使牵引网的无电区域几乎翻倍，降低了列车的通过能力，影响电气化铁路行车安全。

改传统直流传动电力机车为新型交流传动电力机车是目前电力牵引技术研究的重要方向。功率输入侧采用四象限PWM整流技术的新型机车在负荷电流的谐波特性方面有着优异的表现，车载无功补偿装置在一定程度上可以提高机车功率因数。但系统电流谐波含量仍受系统的谐波阻抗特性以及并联的LC滤波支路影响，车载无功补偿装置在通常状况下也不能满足机车的无功需求，因此电气化铁路的无功和谐波问题仍然不可忽视[5][6]。

综上所述，针对牵引供电系统自身特性而实施的电气化铁路电能质量治理方案并不能得到理想的治理效果。

3.2 动态补偿方案

目前，以SVC和STATCOM为代表的两类动态补偿装置已在日本、法国、英国、澳大利亚等国拥有大量工程应用实例。

SVC装置通过无源器件储能的方式来实现无功补偿，它利用晶闸管实现了电感的连续可调，能快速、连续地对波动性负荷进行补偿，并利用无源滤波器滤除系统中的高次谐波。我国于2002年在神朔电气化铁路投运了并联于牵引变压器系统侧、采用三相Δ接法的SVC装置。该装置基于电纳补偿原理，可有效改善系统三相不平衡状况及功率因数。

STATCOM装置由大功率自关断电力电子器件构成，基本原理是将变流器通过电抗器并联在电网上，适当调节其交流侧输出电压的相位与幅值，或直接控制其交流侧电流实现动态补偿目标。与SVC相比，STATCOM具有响应速度高、运行范围大、负荷适应性好、工作效率高、谐波含量低、占地面积小等优点。由于STATCOM具有双向无功补偿及相间有功转移能力，其对负序电流和无功电流的补偿效果更显著，更适合用于电气化铁路电能质量综合治理领域。

将大容量STATCOM用于电气化铁路电能质量综合治理的设想最早由日本学者于1993年提出，并将该装置命名为“商用铁道功率调节器”（Railway Static Power Conditioner，RPC）。在文献[8]、[9]中，日本学者通过对RPC装置的仿真计算及1/100容量样机试验，于2002年研制成功20MVA/60kV的商用RPC，并于日本新干线新沼宫内站与新八户站投入运行。澳大利亚学者在文献[10]中将RPC推广到一般的 /Y Δ连接变压器，分析了装置运行的原理及实现方式，并给出了基于DQ轴的控制框图。

中国学者在RPC技术的引进以及RPC装置在国内电气化铁路系统的应用方面进行了大量的研究，文献[11]-[15] 详细分析了牵引变压器为Scott连接、阻抗匹配连接、Vv连接以及Vx连接等连接方式时BCD装置（国内对于RPC装置的命名）的补偿方式及控制策略。

目前，国内首台基于STATCOM的电气化铁路综合补偿装置已于京沪电气化铁路南翔牵引变电站投入运行。南翔牵引变电站主接线如图3.1所示。

该站采用阻抗匹配平衡变压器作为牵引变压器，共用直流环节的两相STATCOM并联于牵引变压器牵引侧两端口，补偿两供电臂牵引负荷产生的无功和谐波电流并平衡两相有功、抑制负序电流。根据南翔牵引变电站的系统参数，基于PSCAD/EMTDC软件搭建牵引供电系统及补偿装置的电磁仿真模型，采用文献[16]提出的无功、负序最优控制策略，在实测最极端负荷工况下进行仿真实验，实验结果如表3.1、图3.2所示。

表3.1 补偿前后各电能质量考核标准

上述实验结果表明，补偿装置投入运行后，各电能质量考核指标大幅改善，补偿效果良好。由此可见，基于STATCOM的牵引变电站综合补偿技术是解决电气化铁路电能质量问题的理想途径。

4 结语

现代工业中大量应用的精密仪器和自动化设备对电能质量提出了越来越高的要求，电气化铁路存在的种种电能质量问题已经受到供电部门和铁路部门的共同关注。南翔牵引变电站综合补偿装置的投运，标志我国基于STATCOM的电气化铁路动态补偿装置已经由实验研究过渡到工程实用阶段。制定一种科学、有效、经济、符合我国电气化铁路发展需要的综合补偿方案必将成为电气化铁路配套技术研究中的热门课题。

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