高速铁路电能质量有源无源混合补偿方法

乔光尧，丁宁，于坤山

（中国电力科学研究院，北京 100192）

高速铁路以其运行速度快、运量大、节能环保、安全舒适、综合效益突出等优势，受到世界各国的重视，发展十分迅速[1]，截止目前，我国包括新建和既有线提速的高速铁路营业里程达9 676 km，居世界第一。

相比普通电气化铁路，高铁所需牵引功率更大、持续受电时间更长，供电能力和供电可靠性要求提高，网侧电流谐波频谱宽（可达几kHz），加上我国高速铁路大多数牵引变压器采用V/v接线方式，相对于普通电气化铁路，高速铁路的电能质量问题主要体现在负序和高次谐波，将会给电网、其他用户及铁路自身的供电安全和可靠性带来很大影响[2-3]。

对于高速铁路的负序治理，目前主要是采用SVC[4-6]或基于电压源变流器（VSC）[7-9]等装置。由于高速铁路对电力系统的影响主要是高次谐波和负序问题，安装在牵引变高压侧的SVC装置可以解决负序问题。但SVC本身也产生谐波，不但影响了电网和负载，也影响其补偿性能，导致系统滤波要求增大。基于VSC的补偿装置在高压大容量情况下补偿高次谐波时，需要装置工作在高开关频率下，会带来损耗大，工程实施难、造价高等问题。

本文提出采用基于VSC和无源高通滤波器的谐波负序综合治理方案，VSC装置主要用于补偿11次以下的低次谐波和负序，无源高通滤波器用于补偿13次及以上的高次谐波，对VSC装置和高通滤波器分别进行设计，并针对京沪高铁某实际牵引站，对设计的方案进行了仿真研究，结果验证了所提出的方案的正确性和有效性。

1 治理装置在牵引站的配置方式

由于高速铁路功率大，牵引网电流大，一般均采用供电能力强的AT供电方式。系统接线如图1所示。牵引供电系统主要由V/v牵引变压器、自耦变压器AT、接触网T、正馈线F、钢轨R以及机车组成。电流从牵引站流出，通过接触网给高速列车提供电能，然后通过正馈线流回牵引站。V/v牵引变压器二次侧带中点抽头接地，省略了站内AT，牵引变压器原边电压220 kV，副边电压为2×27.5 kV，接触网与钢轨间电压为27.5 kV，正馈线与钢轨间电压为-27.5 kV。

安装在牵引站牵引侧的有源滤波装置补偿方案采用基于VSC的单相背靠背变流器结构，直流侧电容共用，有源补偿装置的2个交流侧通过单相变压器接入牵引母线。

无源高通滤波器（HPF）安装在供电臂末端的分区所，在牵引网与钢轨、正馈线与钢轨之间分别安装，2个分区所共设置4套，主要滤除13次及以上的高次谐波电流，同时能够提高牵引网末端电压，补偿机车无功功率。

2 有源装置结构及补偿原理

2.1 有源补偿装置结构

有源补偿装置主电路图如图2所示。左侧通过单相多绕组变压器T1接入牵引母线，变压器副边共9个绕组，每个绕组完全解耦，阻抗相同。变压器副边的每个绕组通过连接电抗器接一个H桥变流器，为直流侧电容供电；右侧变流器采用H桥级联结构，然后通过普通单相变压器T2接入右侧的牵引母线，两侧的单相变压器实现装置输出电压和牵引供电系统电压之间的匹配，起到升压和电气隔离的作用，H桥级联变流器可以提高输出电压等级，减小输出电压谐波。

这种结构中每个背靠背H桥变流器的直流侧独立，且分别由变压器的单个绕组供电，通过PWM整流控制能够实现直流电压的平衡，克服了常规级联结构多级直流电压平衡控制的难点[10]。采用变压器接入，提高系统的可靠性。

2.2 基于V/v牵引变压器的负序谐波补偿原理

设电源三相电压对称，且有效值为U，三相电压分别为：

图1 基于AT供电和V/v变压器的牵引变电所补偿结构Fig.1 Compensation structure of traction substation based on the AT power supply and V/v transformer

图2 有源补偿装置主电路拓扑结构Fig.2 The main circuit topology structure of the active compensator

根据图1中的牵引变压器接入系统中的相序，变压器副边绕组电压表达式为：

式中，Ua、Ub分别为牵引变压器1B、2B的二次侧电压，理想情况下两侧电压大小相等。

根据图1中的接线方式及电压相序，对于高速铁路而言，由于机车网侧变流器采用PWM整流，网侧功率因数接近1。为简单起见，下面分析时假设负载基波电流为纯有功电流，令左右两供电臂负载基波电流为：

则原边基波电流为：

V/v接线牵引变压器原副边电压及原边电流相量关系如图3所示。

图3 原边三相电压电流相量关系Fig.3 The relation of three-phase side voltage and current

从变压器的高压侧看，根据对称分量法，可得变压器原边三相正序电流、负序电流、零序电流以及电流不对称系数KI分别为：

式中，α=ej120°为单位相量算子。

要完全补偿负序时，需使原边三相电流大小相等，且与电压同相位。由相量图3可知，原边C相是2个牵引供电臂的公共相，C相电流为A、B相电流的相量和。要使I觶C与U觶C同相位，必须使 AB相电流相等，即必须使两供电臂的有功电流相等，那么由补偿装置转移的有功电流有效值为：

式中，ILap为a供电臂上的有功电流；ILap为b供电臂上的有功电流。

要使原边三相电流对称，还须在a供电臂补偿超前无功电流ICaq，b供电臂补偿滞后无功电流ICbq，使原边A、B相电流分别与电压同相，补偿无功电流有效值分别为：

通过上述两臂有功功率的转移和无功功率的补偿，使得原边三相电流对称，且功率因数为1，补偿过程相量图如图3中虚线所示。

由于高速铁路产生谐波电流，补偿装置需进行谐波抑制，理想情况下，产生的谐波电流与牵引负荷谐波电流大小相等，相位相差180°。相量表达式为：

一般情况下，牵引负荷功率因数都达不到1，当需要进行无功补偿时，调节器补偿牵引负荷无功电流补偿无功电流I觶Laq、I觶Lbq。通过功率因数控制，使得牵引变压器副边两供电臂的功率因数达到1。

综上所述，背靠背结构补偿装置的综合补偿电流分别为：

2.3 有源补偿装置控制策略

治理装置的控制目标是通过转移两供电臂的不平衡有功电流，同时补偿相应的无功功率，以达到抑制三相侧系统负序电流的目的。为了实现有功功率在两供电臂之间流动，保证直流侧电压的稳定，就必须选择一侧的变流器采用定直流电压控制策略，只要直流电压保持恒定，就保证了两侧变流器输入的有功与输出的有功相等，从而实现有功功率从一侧供电臂向另一侧供电臂的转移。本文中选择多绕组单相变压器侧的变流器外环控制器采用定直流电压控制方式，工作在整流模式；另一侧变流器采用定有功功率输出控制策略，工作在逆变模式。

2.3.1 定直流电压控制策略

为了实现直流侧电压的稳定、单位功率因数运行、谐波含量小以及较快的动态控制响应，整流侧变流器采用单相PWM整流控制[11]方式。PWM整流一般采用电压外环电流内环的双闭环控制策略[12-13]。在这样的控制系统中，内环电流的控制是关键，电流控制的性能决定了整个系统的性能，因为外环电压的控制是通过内环电流的控制而间接实现的，因而要求电流控制器有较快的瞬态响应和满意的稳态特性。本文采用一种瞬时电流控制方式，即将目标电流值与H桥输出电流值相比较，然后通过调节器PI2，与前馈电压Uac相加，得到调制信号控制H桥的4个桥臂。为了抑制供电臂电压波动的影响，采用电压前馈控制策略，当供电臂电压有变化时，直接反应到调制信号，加快了控制的响应速度。

整流侧双闭环控制框图如图4所示，图中的是通过锁相环得到的与电网电压同相的正弦信号。

图4 整流侧控制框图Fig.4 Control block diagram of the rectifier side

图4 中，Irq为该侧无功和谐波参考电流信号，其表达式为：

2.3.2 定有功功率控制策略

逆变侧变流器需要输出两臂负荷不平衡的基波有功电流，同时还能补偿基波无功、谐波电流。在逆变侧变流器控制中，跟踪指令电流的控制方法是决定装置补偿质量的关键。对逆变侧级联逆变器的交流侧电流的控制也采用了基于瞬时值电流的PI控制方式，控制框图如图5所示。同时为了减小供电臂b的电压波动对逆变器输出的影响，减小PI参数，同时采用了供电臂电压前馈控制。

图5 逆变侧变流器电流控制框图Fig.5 Current control block diagram of the inverter side

在底层PWM调制算法中采用输出电压畸变率相对较低的载波移相SPWM（CPS-SPWM）单极性调制方法[14]，能在较低的器件开关频率下获得较高等效开关频率，在提高装置容量的同时，有效地减小输出谐波。

3 无源高通滤波器参数设计

无源高通滤波装置采用二阶RLC结构，对13次及以上的谐波电流进行滤波。装置主要由电容器C、电抗器L、电阻器R组成，高通滤波器的回路如图6所示。在AT供电方式下，高通滤波器在分区所的接触网与钢轨之间和正馈线与钢轨之间分别设置。具有改善牵引网电压质量、吸收动车组高次谐波和抑制高次谐波谐振引起网压异常波动的作用。

图6 高通滤波器结构Fig.6 Structure diagram of the high-pass filter

根据结构图，可得二阶高通滤波器阻抗与频率之间的关系为：

高通滤波器按2个参数选择电路元件参数[15]，一个是截止频率fn，表达式为

另一个是高通滤波器阻抗频率特性曲线的斜率b，表达式为

b表示曲线形状，一般取b为0.5~2.0，b值的选择对高通滤波器的特性有很大的影响。为了滤除13次及以上的谐波，选择高通滤波器的截止频率为 fn=612 Hz，选择b=1.06，可得单套二阶高通滤波器各元件参数为如表1所示。

表1 二阶高通滤波器参数Tab.1 Parameters of the second-order high-pass filter

4 仿真研究

针对京沪高铁某实际高速铁路牵引站，采用PSCAD/EMTDC对文中提出的基于有源和无源相结合的混合补偿方法进行仿真。牵引站采用V/v牵引变压器和AT供电方式，牵引站实际参数为：2个牵引变压器B1、B2参数相同，容量为50 MV·A，变比为220 kV/27.5 kV/27.5 kV，二次侧带中点抽头接地，短路阻抗为10.5%。

调节器H桥级联数量为9，开关频率为1kHz，直流侧电压设定为1.6 kV，直流侧电容20 mF。单相多绕组变压器原边电压27.5 kV，副边9个绕组电压均为0.85kV，短路阻抗为15%，连接电感为0.5mH；逆变侧变压器原边电压27.5 kV，副边电压为8.6 kV，短路阻抗为15%，连接电感为0.1mH。负载采用CRH3等效模型[16]，16辆编组的机车轮轴最大功率为18.4 MW。

图7（a）为b供电臂有一台16辆编组的CRH3机车运行、a供电臂空载时变压器原边电流仿真波形，机车功率为18.4 MV·A，功率因数为0.98。牵引变压器原边正序电流与负序电流基本相等，负序电流与正序电流的比约为100%，图7（b）为补偿前牵引变压器副边bc相电流频谱，除了产生与开关频率相关的高次谐波外，由于机车变流器直流侧电压的波动，在网侧还产生了低次谐波电流。

图7 补偿前牵引变压器原边三相电流和负载电流谐波频谱Fig.7 Traction transformer primary side current and load current harmonic spectrum before compensation

图8 为补偿后原边三相电流波形，补偿后三相电流接近对称，负序电流与正序电流的比为5.1%，正负序电流分别为61 A、3.0 A，功率因数为0.995。补偿后牵引变压器的副边bc相电流频谱如图8（b）所示。

图8 补偿后牵引变压器三相电流及副边电流频谱Fig.8 Traction transformer primary side current and secondary current spectrum after compensation

图8 中可以看出，经过无源和有源相结合的综合补偿，高次谐波通过高通滤波器得到有效的滤除。低次谐波和负序电流通过背靠背有源补偿部分得到了补偿。

5 结论

本文提出的基于有源和无源相结合的混合补偿装置能够补偿高速铁路的负序、谐波等电能质量问题，所提出的有源补偿装置的主电路拓扑结构和控制策略是可行的。无源高通滤波器能够有效地抑制13次及以上的高次谐波。仿真结果证明这种混合补偿方法的有效性。

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