交直流机车混跑牵引供电系统电能质量治理方案

吕顺凯

摘  要：目前，我国电气化铁路正处于交流传动机车与直流传动机车长期共存的新阶段。牵引供电系统现有电能质量治理装置已不能满足交直流机车混合运行的需求，宽频谱谐波、车网谐振、电压扰动、变压器过载等一系列新问题严重影响了牵引供电系统的可靠性、可用性、可维护性和安全性。基于公司承担的国家重点研发计划项目以及在铁路牵引供电系统和交直流机车控制领域的技术优势，通过现场测试、数据分析、方案比选、仿真研究，文章提出了一种由铁路功率调节器和高通滤波器构成的新型牵引供电系统电能质量治理方案，并进行了工程实施验证。现场运行情况证明，新型方案可同时实现负序治理、网压稳定、功率因数提升、宽频谐波抑制等功能，全面解决了牵引供电系统电能质量问题，有效保证了混跑新局面下牵引供电系统安全、稳定运行。

关键词：牵引供电系统;电能质量;治理方案;交直流机车;负序;谐波

中图分类号：U223.5+2      文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）10-0001-06

Abstract： At present， China's electrified railway is in the new stage of long-term coexistence of AC drive locomotives and DC drive locomotives. The existing power quality control devices of traction power supply system cant meet the needs of hybrid operation of AC and DC locomotives. A series of new problems such as wide spectrum harmonics， locomotive-catenary resonance， voltage disturbance and transformer overload seriously affect the reliability， availability， maintainability and security of traction power supply system. Based on the national key R&D project undertaken by our company and the technical advantages in the field of railway traction power supply system and locomotive control， through field test， data analysis， scheme comparison and simulation research， this paper proposes a new power quality control scheme that composed of railway power conditioner and high-pass filter and its effectiveness has been verified by engineering implementation. The field operation results prove that the new scheme can realize the functions of negative sequence control， voltage stability， power factor improvement and harmonic suppression at the same time， which fully solves the power quality problem of the traction power supply system and effectively ensures the safe and stable operation of traction power supply system under the new situation of mixed running.

Keywords： traction power supply system; power quality; control method; AC and DC locomotive; negative sequence; harmonic

引言

随着我国电气化铁路的快速发展以及机车电传动技术的更新换代，出现了直流传动机车与交流传动机车共存，在同一条运行线路、同一个牵引变电所供电区段混跑的新局面。由于直流传动机车与交流传动机车的特性差异，牵引供电系统现有电能质量治理装置已不能满足混合运行的需求，宽频谱谐波、车网谐振、电压扰动、变压器过载等一系列新问题严重影响了牵引供电系统的可靠性、可用性、可维护性和安全性，同时又通过牵引供电系统，影响到机车自身的安全运行。目前，对于各种直流传动机车和交流传动机车单独运行的功率需求、功率因数控制、谐波频谱分布等电气负荷特性以及相应的治理措施，已有较为深入的研究和应用，但对于同一牵引供电系统，交直流机车混跑运行方式下，如何综合治理电能质量新问题，保障牵引供电系统安全、可靠，还需各方科研人员共同努力，全面分析和深入研究。

基于公司承担的国家重点研发计划项目《高性能牵引供电系统技术》，以及在铁路牵引供电系统和交直流机车控制领域的传统技术优势，通过直流传动机车与交流传动机车特性分析和混跑运行对牵引供电系统的影响研究，项目组设计了一种由铁路功率调节器（railway power conditioner，简称RPC）和高通滤波器（high pass filter，简称HPF）构成的新型牵引供电系统电能质量治理方案，并进行了工程实施验证。现场测试情况证明，该方案切实可行，RPC和HPF的有机结合取得了1+1>2的良好效果，可同时实现负序治理、网压稳定、功率因數提升、宽频谐波抑制等功能，能够全面解决电能质量问题，有效保证了混跑新局面下牵引供电系统安全、稳定运行。

1 电力机车特性分析

交流牵引供电的电力机车按照主电路型式不同，分为直流传动电力机车和交流传动电力机车。直流传动电力机车主要包含8K、韶山（SS）系列等，目前SS4、SS7、SS8、SS9等依旧在国内各线路担当货运和客运列车牵引任务。交流机车主要包括和谐（HX）系列、中国高速动车组（CRH）系列、中国标准动车组（CR）系列等，根据不同的型号，和谐系列又可分为货运和客运机车;中国高速动车组（CRH）系列、中国标准动车组（CR）系列主要用于客运。

1.1 直流传动机车

直流传动机车采用交-直型电路结构，传动系统一般采用晶闸管整流电路为直流电动机供电，通过晶闸管的导通角控制机车的出力。相控整流导致机车的功率因数较低，通常在0.7～0.85左右，需要从牵引供電系统获取较大的无功功率[1]。

直流机车电动机的控制方式，根据车型不同，呈多样化，但特征谐波电流基本一致，奇次谐波含量较高，以3、5、7次谐波为主，且谐波幅值随着谐波次数的增加递减，总谐波含量较高。SS3、SS6B、SS9典型谐波电流含量数据整理如表1。

1.2 交流传动机车

交流传动机车采用交-直-交型主电路结构，主要由车载变压器、整流器、中间直流环节、辅助回路、牵引逆变器、三相异步交流电机等组成。整流器和逆变器均采用四象限变流及PWM技术，所以也被称为四象限变流器或PWM变流器，变流器能够实现能量的双向流动并保证网侧功率因数近似为1。交流机车整体的功率因数通常在0.98以上，对外部的无功功率需求较小，但单机有功功率需求大[2]。

设四象限变流器的开关频率为f，采用单极性调制策略，则从变流器交流侧输入电流（牵引网电流）谐波特性分析来看，等效开关频率为2倍的f。由于机车单机容量较大，无法采用单个四象限变流器实现该容量等级的能量变换，通常采用基于机车变压器的多重化策略，一方面实现容量拓展;另一方面还实现谐波优化。若机车采用n重四象限变流器，则等效开关频率为2nf，低次谐波基本被抵消，从而实现谐波优化。交流传动电力机车上线运行后，牵引网电流中的3、5、7次等低次谐波含量较直流传动机车显著减少，主要谐波边带集中在2nf±1、2nf±3等区段，谐波含量较低，但谐波频谱变宽。现场测试数据分析可见，谐波主要集中在31～43次等高频带区域，通常在1～10kHz范围都存在可测谐波电流。

2 机车混跑对牵引供电系统的影响

电气化铁路牵引供电系统为27.5kV单相供电方式，牵引变电所将公共电网的三相电源转换成27.5kV的单相交流电供给牵引供电网[3]。随着我国电气化铁路的快速发展，采用单相供电制的牵引供电系统带来的电能质量问题日益严重。交流机车和直流机车混合运行时，由于交流机车的大功率需求、直流电力机车的非线性特性、交直流的机车功率差异，以及机车在单侧供电区段运行位置的随机性等因素叠加，出现了更加严重的负序、谐波、电压波动和闪变、牵引变压器单边过载等电能质量问题。

3 电能质量综合治理方案

对于非混跑模式下电气化铁路的电能质量问题， 国内外学者此前已进行了大量研究工作[4]，设计了多种的电能治理方法及装置被用以消除电气化铁路供电系统中的负序分量及谐波。为抑制负序，平衡电力系统的A、B、C三相电流，牵引变电所接入电源相序采用轮流转换方式，相序轮换接入可以一定程度的抑制负序，但依赖于机车运营状态等因素，无法完全消除。静止无功补偿装置（static var compensator， 简称SVC）造价低、可靠性较好，可以补偿无功功率，也可以补偿负序，但由于无法实现两供电臂之间的有功转移，导致系统结构复杂，负序补偿效果不理想[5]。静止无功发生器（static var generator， 简称SVG）能够动态调节补偿功率因数，一定程度消除谐波，但不能实现有功融通[6]。有源滤波器（active power filter， 简称APF）可以抑制电气化铁路低次谐波，但不能有效补偿负序。高通滤波器（high pass filter，简称HPF）可以滤除高次谐波，并提供一定的无功功率，不具备负序补偿能力[7]。铁路功率调节器（railway static power conditioner，简称RPC）能够通过有功融通补偿负序，并具备低次谐波抑制功能，已经在国内外有所应用[8-9]。

通过对交直流机车混跑线路现场调研、测试、分析，项目组设计了一种由铁路功率调节器和高通滤波器构成的新型牵引供电系统电能质量治理方案，可同时实现负序治理、网压稳定、功率因数提升、宽频谐波抑制等功能，全面解决牵引供电系统电能质量问题。

3.1 铁路功率调节器

以本项目实施牵引变电所的一次系统配置为基础，说明铁路功率调节器的工作原理。牵引供电系统采用直供方式，牵引主变为结构简单、容量利用率高三相V/v牵引变压器。为简化计算过程，以交流电力机车负载模型分析如下。

3.2 高通滤波器

本项目采用二阶滤波器来滤除交流机车等造成的高次谐波，左右两个供电臂各挂一条HPF支路。HPF由电抗器L、电阻器R和滤波电容器C串并联构成，除滤波作用外，还具有无功补偿的作用，工作原理分析如下。

根据主电路结构方式，二阶滤波器的阻抗可表示为：

3.3 RPC与HPF的分工配合

为实现牵引供电系统电能质量问题的全面治理，需要做好铁路功率调节器与高通滤波器的分工设计。经现场测试、数据分析、仿真计算，最优应用方案配置如下：

（1）铁路功率调节器为核心装置，采集牵引系统各母线电压、母线电流、HPF支路的电流进行有功和无功计算，动态控制双边有功融通功率和无功功率输出，完成负序治理、网压稳定、动态无功补偿、13次以下谐波抑制等功能。

（2）高通滤波器完成固定无功补偿、13次及以上高次谐波的滤除等功能。

4 工程应用效果

设备安装投运之后，对装置的电能质量改善能力进行了多轮长期对比测试，测试结果表明：装置显著改善牵引供电系统的电能质量，投运之前，牵引供电系统平均功率因数为0.72，各次谐波超标严重，三相电压不平衡度和电压畸变率均超过3.6%;投运之后，高压侧计量点处平均功率因数保持在0.99以上， 50次以内谐波限值全部合格，三相电压不平衡度和电压畸变率均小于1%，远低于国标2%的限值。装置投入后，牵引供电系统高压侧110kV公共计量点处电压不平衡率、电流不平衡率、功率因数等电能质量技术参数现场测试数据展示如图11、图12、图13。

5 結束语

目前，我国电气化铁路正处于交流传动机车与直流传动机车长期共存的新阶段。通过交流传动机车和直流传动机车工作原理及电气负荷特性分析，基于现场测试数据，本文对不同类型电力机车在同一个牵引变电所供电区段混跑导致的电能质量问题，进行了原因分析及可行性方案比选，设计了由铁路功率调节器（RPC）和高通滤波器（HPF）构成的新型牵引供电系统电能质量治理方案，并进行了工程实施验证。现场测试证明，新型方案切实可行，RPC和HPF的合理分工、有机配合，可同时实现负序治理、网压稳定、功率因数提升、宽频谐波抑制、车网谐振抑制等功能，全面解决了牵引供电系统电能质量问题，有效保证了混跑新局面下牵引供电系统安全、稳定运行。今后，项目组将对本方案的经济性指标进一步优化，构建全功率等级装置谱系，满足铁路干线、支线等多样性应用需求。

参考文献：

[1]陈安俊，郑强.直流传动电力机车功率因数的仿真计算[J].电力机车与城轨车辆，2006，29（2）：10-12.

[2]康明明，邢涛.交流传动电力机车谐波特性研究[J].电力机车与城轨车辆，2016，39（2）：6-10.

[3]李群湛.牵引变电所供电分析及综合补偿技术[M].北京：中国铁道出版社，2006.

[4]姚金雄，张涛，林榕，等.牵引供电系统负序电流和谐波对电力系统的影响及补偿措施[J].电网技术，2008，32（9）：61-64.

[5]王卫安，桂卫华，张定华，等.基于大容量SVC的SCOTT变压器电能质量治理方案及应用[J].铁道学报，2011，33（1）：31-38.

[6]熊以旺.SVG对电气化铁路电能质量补偿效果的研究[D].上海：上海交通大学，2009.

[7]李效明.包神铁路电气化高次谐波抑制研究[D].兰州：兰州交通大学，2016.

[8]T. Uzuka， S. Ikedo， K. Ueda. A static voltage fluctuation compensator for AC electric railway[C]. Power Electronics Specialists Conference， Aachen， German， 2004.

[9]龚芬，周方圆，邱文俊，等.功率融通型电能质量治理装置的开发与应用[J].大功率变流技术，2015，4：61-64.