电气化铁路供电系统电能质量综合补偿技术

吴宝秀

（中铁十九局电务工程有限公司，北京 102602）

0 引言

在铁路行业发展中，高速铁路在国民经济提升中占据着十分重要的地位，通过电气化铁路供电系统的构建，可以使铁路系统实现速度快、载重高以及节能型的优势。但是，在具体的电气化铁路供电系统运行中，会受到非线性、冲击性和电压波动等电能质量问题的影响，影响电气化铁路供电系统的运行效率，限制行业的可持续发展。因此，在电气化铁路行业运行中，为了更好地提高铁路的运输能力、达到环境保护的目的，需要减少化石材料的使用，通过供电系统电能资源的合理分配、有效处理，充分保障国民经济的高速、健康发展，提升铁路行业的核心竞争力。

1 电气化铁路供电系统

1.1 供电系统

电气化铁路通常包括供电系统、电力机车。其中的供电系统又包括供电电源和牵引供电系统。

（1）供电系统。供电系统中的变电站和高压输电线作为电气化铁路系统的供电核心，变电站中的牵引站电压为110 kV、220 kV 和330 kV。其中，普通的电气化铁路电压等级为110 kV，将其运用在铁路设备系统中，具有设备功率大、使用时间长的特点；但是，在电气化供电系统运行中，经常会受到三相不平衡因素的影响，在高速铁路供电系统设计中，需要提高供电系统的可靠性，以增强电能质量，实现电气化铁路供电系统的运行目的。

（2）牵引供电系统。根据电气化铁路供电系统的运行状况，牵引供电系统的结构如图1 所示。牵引供电系统在运行中，本土型号的电力机车需要根据牵引变压器的运行特点，通过牵引线馈线将电能传送到接触网，以保证电力机车系统的正常运行，实现电气化铁路供电系统的运行目的[1]。

1.2 电力机车

结合电气化铁路系统的运行特点，电力机车作为电气化铁路系统的核心，主要包括“交—直”型和“交—直—交”型：①“交—直”型电力机车采用多段桥相控整流方式，在无功能补偿的情况下，系统的平均功率因数相对较低，而且，在系统正常的情况下，会产生谐波，主要以3、5、7 等级为核心；②“交—直—交”型机动车中，谐波的含量相对较低，存在着功率因数高的优势。但是，在“交—直—交”型电力机车单相供电的情况下，当功率大幅增加时，会为三相电网侧带来严重的影响，无法提升电力机车运行的稳定性。

图1 电气化铁路供电系统结构

2 供电系统电能质量问题

2.1 波动性强

在电气化铁路行业发展中，综合运用自身牵引供电系统和上级电力系统，会对电力用户造成谐波干扰，而且也会降低电能质量，无法提升电气化铁路供电系统的电能处理效果。根据电气化铁路系统的运行特点，系统会受到负荷及线路情况、机车类型和运行图等多因素的影响，导致牵引力受到负荷空间及时间等分布因素的影响，无法实现电气化铁路电能质量综合治理的目的。

2.2 谐波及无功功率

结合电气化铁路的运行状况，单相晶闸管相控整体模式作为核心结构，通过车载变压器和接触网降压系统的运用，可以将电能直接供给直流牵引电机，增强系统的整流供电能力。而且，在交直型电力机车的电路结构整合中，通过牵引供电网功率系数的调整，会受到功率因数低的因素影响，系统的谐波含量会逐渐增加，无法提升电气设备的运行效率[2]。

2.3 三相不平衡

通过对电气化铁路供电系统电能质量的分析，三相不平衡问题包括：①电机作为单相负荷形式，接入三相对称的电网时，牵引变压器的系统会产生较大的负序电流，整个电流会在牵引变压器的情况下出现不稳定的运行状态；②若牵引负荷选择了单相V/V 变压器，两个方向的牵引负荷呈现出对等的协调状态，这种情况下，若两侧牵引负荷出现不相等的情况，负序电流会出现负荷不相等的问题，降低电气化铁路系统运行的稳定性；③在负序电流严重的情况下，旋转电机中会出现负序磁场，严重的会导致附加振动，降低铁路供电系统的稳定性；④三相不对称负荷问题会引发电力压力器容量降低，增加变压器能量损耗，电气化铁路系统受到负序电流干扰的影响会频繁失误，降低电力铁路系统的稳定性。

3 电能质量综合补偿技术

3.1 系统结构

电气化铁路供电系统中，为了降低铁路公路控制器的负载，节约项目成本，在系统优化处理中，通常会选择有源铁路功率控制器及晶闸管控制器，在两种系统综合使用的情况下形成补偿系统，以提升电气化铁路系统的运行效率。对于其中的变流器系统，在电感单相降压及变压器接通的情况下，供电臂会与功率控制系统并联。为了更好地提升铁路供电系统电能质量的补偿机制，通常需要建立RPC（Railway Static Power Conditioner，铁路功率调节器）数学建模系统，常规的RPC 交流侧补偿功率的控制系统通常采用两相dp 旋转坐标形式，需要建立RPC 两相的旋转坐标模型，系统结构建立标准包括：

（1）静止坐标系中的数学模型。根据电气铁路系统的运行特点，在静止坐标系的数学模型构建中，需要考虑到RPC 系统的对称性，其模型如图2 所示[3]。

图2 VSC1 单相等效电路

（2）同步旋转坐标系。通过对RPC 静止坐标系及dp 旋转坐标数学模型的分析，可以得到以下结论：①PI（Proportional Integral，比例调节和积分调节）控制器使用中，通过交流信号的使用，可以对信号进行跟踪处理，以实现无静差的控制目的，针对一些稳态误差的问题，应该合理增加电压前馈控制环节，从而达到控制相位误差的目的[4]；②通过dp 旋转坐标的设计，在PI 控制的情况下，应该进行多次坐标的变换处理，避免电流环dp 轴分量耦合问题的出现，这种现象若不能科学调整，会增加设备处理的复杂性，因此，通过增强QPR（Quasi Proportional Resonance，准比例谐振）控制系统的处理效果，也可以保证系统的动态化处理，为电气化铁路供电系统的高质量运行提供参考[5]。

3.2 综合补偿策略

（1）协调控制系统。根据电气化铁路供电系统的使用状况，协调控制系统的核心目的是通过实时计算，得到供电负载电流，从而得到分离功及无功，以保证电气化铁路供电控制系统的稳步运行。而且，在铁路功率控制器运行中，补偿量作为负序、谐波的无功补偿机制，需要在确定铁路公路控制器的补偿电流后，对电压的稳定状态进行控制，最终获得变流器中的参考数值。在晶闸管控制电容器运行中，需要按照无功分配的方法确定补偿电流系统，最终获得信号的投切数值，为系统的协调控制提供数据支持[6]。

（2）负序及谐波的无功检测。结合电气化铁路系统的运行状态，在单相系统运行中，负序及谐波通常依赖瞬时的功率理论，两种电压信号及实时电流乘积相加之后，会在低通滤波的情况下，实现对供电系统的数值补偿，满足补偿后两相供电臂的均匀处理。通常情况下，在负序及谐波的无功检测中需要做到：①在铁路公路控制器系统运行中，不需要承担全部的无功补偿，而是在分离无功电流检查中，通过有功电流的叠加处理，降低供电臂负载电流，从而得到最终的负序和谐波参考值；②在供电臂负载电流分析中，将其乘以供电臂电压之后的π/2 信号，会出现供电臂负载电流及电压π/2 信号乘积的峰值，在低通滤波器直流的情况下，将其进行分流的过滤处理；③对于供电系统两端无功电流的情况下，需要采用负序以自己谐波的无功检测技术，通过直流及分量滤波的处理，可以消除滤波补偿量及负序补偿量，同时为电气铁路系统的高质量运行提供数据支持；④结合电气铁路系统的运行状态，谐波补偿量作为负载谐波电流负值，之后在无功补偿的情况下会消除系统无功的现象，提升电气化铁路电流负载的运行效果。

（3）铁路有源功率控制器的优化策略。通过对电气铁路系统运行状况的分析，在铁路系统的有源功率控制器处理中，为保证系统正常工作，系统设备维护人员需要控制直流侧电压，并在两个变流器单元协调控制好中，进行谐波的一致性及无功补偿，以充分保证变流器的独立运行，从而实现三相电流对称的运行目的。同时，在有源功率控制器补偿中，为了增强参考电流负序、谐波及电流的叠加处理效果，需要在直流侧电压维持中，保证各个系统变速器的高效运行，达到铁路有源功率控制器的使用目的[7]。

4 结束语

在电气铁路系统运行中，为了提升电能质量管理效果，供电部门及铁路部门需要结合电气铁路的运行特点，构建科学化、有效化及经济化的电气铁路管理机制，通过整合配套技术，增强电气化铁路供电系统电能质量综合补偿技术的使用效果，以充分满足行业的稳步发展需求。针对电力机车特殊的运行情况，供电方式会使系统出现负序和谐波电能质量问题，严重的会引发电网安全故障，而通过电能质量及牵引电路的安全控制，可以降低系统补偿成本，并保证系统的稳定运行，实现电气化铁路供电系统电能质量综合补偿技术的使用目的。