电气化铁路牵引系统有源滤波检测与控制研究

范子文

（国能朔黄铁路发展有限责任公司 肃宁分公司，河北 沧州 062350）

1 牵引供电网和供电方式

在牵引供电网当中，轨道不仅对列车起到支撑作用，还能形成与接触网组成220 kV的牵引供电的闭合回路[1-3]。根据我国电气化系统的特点，牵引网供电有不同的形式，即直接供电、自耦变压器供电、直供带回流供电以及BT供电，不同的供电方式具有不同的特点。直接供电的成本低、结构简单、建设和维护方便，但是直流供电中接触网周围形成较大的磁场，对电力和通信、广播设施具有一定的干扰作用，影响了直流供电的使用，因此直接供电方式在我国的使用较少[4,5]。

2 某电气化铁路牵引供配电系统及等效模型

对某电气化铁路的供电系统进行研究，该220 kV变电站中含有两台220 kV主变，一台变压器容量为120 MVA。母线电压110 kV的两段采用并联的方式运行，分别接入两条电气化铁路牵引供电线路（牵一线和牵二线），这两个供电线路分别给两个牵引站供电，线路中的最小短路容量为1 166 MVA。对某电气化铁路牵引供电系统进行简化，配电线路简化模型如图1所示。

图1 变电站与牵引站供电系统运行方式及线路长度

在电气化铁路牵引系统配电中，两个110 kV的牵引站甲、乙均有两台牵引变压器，其中一个正常使用，另外一个备用。牵引站甲的两台变压器独立使用，分别接入电压大小为220 kV的变电站，牵一线和牵二线的线路长44 km。牵引站乙的两台牵引变压器分别通过两条约7.2 km的牵线支线T接到牵一线和牵二线，220 kV变电站与T接点之间的距离约为9.5 km。在进行测试时，110 kV牵一线为110 kV牵引站甲供电，110 kV牵二线为110 kV牵引站乙供电，两者分工明确、互不干扰。电气化铁路高次谐波集中在30～45次，50次以上谐波电流数值很小，可以忽略。

3 有源滤波器检测方法和控制策略

针对配电系统产生谐波的特点，对产生的谐波进行检测和控制，从而保证电气化铁路牵引系统的正常运行。

3.1 同步检测法

采用同步检测法对谐波电压和电流分量进行补偿，能够获得电压和电流波形幅值相同的谐波[6,7]。同步检测法适用于单相供电系统，可以使单相电压和电流的波形更加趋于一致，保持供电系统较高功率的电力供应。采用现代技术理论对检测方法进行更新和改进，将同步检测法应用在非对称线路的无功补偿。对于传统的谐波检测方式，同步检测法具备更强的抗干扰能力，能够快速对信号做出响应。对于电力系统的无功补偿研究，不同的检测方法对应着不同的补偿对象，常用的检测方法有电流等效法和功率等效法。

不管采用何种检测方法，首先需要明确电压、电流等关系。对于配电系统来说，假设电压ua、ub、uc对应着电压幅值Ua、Ub、Uc，这些对应关系能够在检测过程中帮助更好地确定电压幅值。同理，电流ia、ib、ic对应的电流幅值Ia、Ib、Ic，这些对应关系能够在检测过程中帮助更好地确定电流幅值。总功率P对应的功率幅值Pa、Pb、Pc，对于3种不同的对应规则，则可得到等量关系式：

同步检测法不同于以往的检测方法，该方法能够用较短的时间和较高的正确率定位基波量，以基波量为基准进行谐波的无功补偿。对于三相电路对称的情况，同步检测法能够快速获得电压补偿分量，但是非对称情况下检测获得的谐波较少。

3.2 有源滤波器控制策略研究

无功补偿消除谐波的效果会受到有源综合补偿控制策略的影响，合适的有源补偿控制策略能够有效提高消除谐波的效果[8]。对于有源滤波器而言，采用一定的控制方法和手段能够保证控制系统的正常运行，能够获得准确、快速的指令，然后通过逻辑训练等方法控制电子元器件的通断，达到较好的滤波效果。控制换流器的操作方法和操作手段可以准确跟随和指导指令信号，实现谐波的有源补偿[9,10]。在控制策略中，有源综合补偿控制对象是双桥臂单相电压整流器，由4个IGBT组成。同步检测法检测电压波形如图2所示。

图2 同步检测法检测电压波形

3.2.1 交流侧电流控制

在供电系统的交流侧，信号补偿遵循一定的原理，PWM补偿指令信号控制系统包括PWM信号发生电路、驱动电路以及主系统。PWM组成驱动电路，通过弱电控制强电的方式对驱动电子进行控制，进而达到控制主电路电流、抑制谐波，实现有源补偿[10]。在补偿指令信号中，主系统和驱动电动都受到PWM信号的控制和影响，因此对交流侧电流的控制是影响谐波的重要因素。

控制电压型整流电路方式有滞环控制法、方形载波控制法以及自适应控制法，不同的方式各自有不同的特点。滞环控制法分别设置输出上限和下限，以目标指令值为中心，通过对补偿指令信号和补偿电流的比较求出两者的差值，然后用该结果差值与最初某一个选定的值进行对比，通过对比结构来改变电力元件的动作，控制换流器。

3.2.2 直流侧电流控制

目前，对直流侧电压的控制不同于交流侧电流控制，直流侧控制相对简单，主要采用控制整流桥路的方法和外加直流源的方法。两种控制方法各有优点和缺点，控制整流桥路能够满足整个系统对直流侧电压控制的要求，而外加直流源能够实现高精度控制。但是，高精度的控制增加了额外的损耗，导致配电系统庞大、结构复杂。

4 某牵引变电所谐波抑制策略

4.1 增加高次谐波过流保护装置

为了实时监测、预警、保护输出馈线上的谐波，需要设置高次谐波过流保护装置。高次谐波过流保护装置需要具备系统遥视、电能质量控制、保护控制等功能。系统遥视功能能够远距离监测高次谐波，发现问题能够及时采取一定的整改措施。高次谐波过电流保护装置能够在谐波过流前进行预警和保护，对于谐波的频段能够进行较好的预测。

4.2 增加引入式复合滤波器

如果要实现有源补偿，还需要设置滤波器，该滤波器需要符合最小容量。通过对实验数据的分析，寻找高次谐波发生的特点，对其进行研究，逆向寻找谐波源头，从而得到谐波能量。设置复合滤波器，考虑到输出稳定性和线宽特性，能够达到较好的滤波效果。

5 结 论

本文分析了谐波对电力机车系统的危害，阐述了电力系统模型构成和谐波控制原理。分别对交流侧电流和直流侧电流进行控制，采取科学的谐波抑制方案来达到较好的控制效果，对电气化铁路的安全运行具有重要意义。