同相牵引供电系统改进型混合电能质量调节器研究

魏文婧，李蓉蓉

0 引言

截至2021年底，全国铁路营运里程达15万公里，其中电气化铁路达10余万公里，高速铁路4万公里，预计到2030年，我国高速铁路规模将增长至4.5万公里[1]。电气化铁路的快速发展极大地方便了人们的出行，但电气化铁路中运行的电力机车会造成一些电能质量问题。机车负载是典型的单相负载，运行时会产生大量的负序电流，并且由于半控整流桥在机车上的广泛应用，牵引供电系统谐波电流和无功功率等问题也较为严重，上述电能质量问题严重威胁公共供电系统的安全[2]。

对于传统牵引供电系统，相邻馈线臂电压差为牵引变压器二次侧线电压，因此，相邻馈线臂被中性段分割成长度为20～30 km的电隔离段，中性段的长度通常从几百米到1 km以上。当列车通过中性段时，会失去电力供应，仅靠惯性滑行，列车速度受到严重影响，因此传统的牵引供电系统不适合高速列车[1]。为了减少中性段的数量和长度，同相牵引供电系统于2009年被提出，并且第一套使用同相牵引供电系统的牵引变电所于2012年在眉山建成并投入使用[3]。由于同相牵引供电系统可对负序电流、无功功率和谐波进行综合补偿，得到了国内外学者的广泛关注。

为解决牵引供电系统中的电能质量问题，日本学者提出了铁路功率调节器（RPC）[4]，RPC可以对负序电流、无功功率和谐波进行综合补偿，湖南大学课题组对RPC作了进一步的研究[5-6]，RPC具有良好的补偿效果，但需要巨大的主动补偿能力，限制了其广泛应用。为了降低有源补偿容量，文献[7]提出了混合电能质量调节器（Hybrid Power Quality Conditioner，HPQC），HPQC通过在背靠背变换器输出端采用不同的耦合支路（电感L支路和电容LC支路）来降低变换器的补偿容量，由于耦合支路阻抗固定，仅在一定的负载条件下变换器补偿容量最小，为保证负载条件变化时的补偿效果，必须增大HPQC的变换器补偿容量。

针对上述问题，本文提出一种改进的混合电能质量调节器，采用晶闸管开关代替固定的耦合支路，在负荷变化的情况下也可以使有功补偿容量保持在较低的水平。

1 传统混合型电能质量补偿器原理分析

采用传统混合型电能质量补偿器的同相牵引供电系统如图1所示。Vv牵引变压器由2台单相变压器Vv接线构成，其一次侧接入110 kV或220 kV的三相公共电网，二次侧有2个输出端，1个为列车供电臂，记为Phase-ac，另1个记为Phase-bc。混合型电能质量补偿器由2台背靠背变换器和中间直流电容组成，1台变换器通过电感和电容LC支路与Phase-ac连接，另1台变换器通过电感L与Phase-bc连接。HPQC通常通过降压变压器与公共耦合点相连，以适应变换器的电压要求。为了便于分析，图1和下文的分析中省略降压变压器。

图1 传统混合型电能质量补偿器原理

随着全控整流和脉宽调制（PWM）技术在高速列车上的广泛应用，高速列车负载的功率因数接近于1。文献[8]对Vv接线牵引供电系统进行了补偿电流的研究，结果如下：

式中：IL1p为负载电流的有效值，iLh为负载产生的谐波。

基本补偿电流可分为两部分：与系统电压相角相同的有功电流(iac,ibc)和与系统电压相角相差90°的无功电流。这意味着补偿系统不仅要转移有功，还要补偿一定量的无功功率。以Phase-ac为例说明传统电能质量补偿器的补偿原理。Phase-ac变换器的输出电压为

根据式（2）可以得到图2所示的相量图。

图2 变换器输出电压相量

式中：θ为补偿电流与Phase-ac电压的夹角。

根据式（1）可知θ= 30°，当变换器输出电压最小时，可推导出Xac的值为

对于固定的Xac，只有在一个特殊的补偿电流下变换器的输出容量才能最小，但实际补偿电流总是根据机车负载变化而变化。如图2所示，当补偿电流增大到时，对应的变换器电压变化为，换流器输出的电流相量和电压相量不再为同相位，这意味着换流器输出功率不再为纯有功功率，还存在一部分无功功率，此时，耦合支路产生的无功功率与式（1）所要求的无功功率不匹配，因此需要由变换器提供差额无功功率，并且变换器的输出电压不再是最小，补偿电流变化范围越大，需要的无功补偿功率越大。

2 改进型混合电能质量补偿器

为了使变换器的输出功率保持在较低的水平，Xac应根据不同的补偿电流而变化，在补偿电流减小时增大，在补偿电流增大时减小。基于这一思想，提出一种改进型混合电能质量补偿器，该混合电能质量补偿器采用晶闸管开关耦合支路，可根据不同的补偿电流动态调节Xac，其结构如图3所示。补偿器由线性的空心电抗器与反并联晶闸管阀串联组成，同时并联电容器。TCR（晶闸管控制电抗器）通过牵引网的电压、电流综合计算晶闸管的触发角，从而改变电抗器中的电流，实现平滑输出无功的目的，而且其能够以足够的速度跟随牵引负荷的频繁变化以动态地补偿无功。但TCR本身也产生谐波，影响了其补偿性能，实际应用中常用LC或LCR滤波网络代替单纯的FC支路，滤波网络能够在特定的频段表现为低阻抗，能够对TCR和电力机车产生的谐波分量起到一定的滤波作用。

图3 改进型混合电能质量补偿器

图3中，n组LC支路并联，每组LC支路可通过反并联晶闸管SCR导通或关断，支路开断越多，总耦合支路阻抗越小，反之亦然。

假设补偿电流Iacf的变化范围为补偿电流可分为n段：ΔI1，ΔI2，…，ΔIn。当实际补偿电流在ΔIk段时，耦合支路Xac1～Xack导通。因此，支路阻抗可以根据不同的负载条件进行调节。

3 仿真分析

为验证所提出的改进型混合电能质量补偿器的有效性，基于MATLAB/Simulink软件进行仿真。补偿系统拓扑结构如图1所示，机车负载采用与谐波电流源并联的线性负载模拟。为比较不同负载条件下的补偿效果，设置了3种负载条件，3种负荷工况的负荷电流有效值分别为200 A（工况1）、500 A（工况2）和900 A（工况3）。传统型混合电能质量补偿器的LC支路阻抗按工况2设置，改进型混合电能质量补偿器结构如图3所示，支路数为3。详细仿真参数如表1所示，仿真结果如图4所示。

表1 仿真参数

图4 仿真结果

无补偿Vv接线牵引变压器原边三相电流如图4（a）所示，负载电流只存在于A相和B相，三相电流不平衡，存在谐波畸变，需要进行补偿。常规电能质量补偿器补偿后的三相电流波形如图4（b）所示，实现了三相电流平衡且谐波较小。改进型电能质量补偿器仿真结果如图4（c）所示，其补偿性能较好，能够实现三相电流平衡且谐波较小。

图4的仿真结果表明，传统电能质量补偿器和改进型电能质量补偿器均能获得良好的补偿性能。根据第2节的分析，改进型电能质量补偿器相对于传统型HPQC优势在于在不同工况下均可获得较低的变换器输出功率。基于仿真结果，传统型HPQC与改进型HPQC的详细比较如表2所示。

表2 传统型HPQC和改进型HPQC对比

对于传统型HPQC，由于LC耦合支路参数是按工况2设置的，系统所需的无功功率可全部由耦合支路提供，因此工况2时变换器输出的无功功率很小。但当负载容量增加到工况3或减小到工况1时，传统型HPQC变换器的输出功率将增加到很高的水平。相比之下，改进型HPQC变换器在3种工况下输出的无功功率均能保持在较低的水平。

4 结语

混合电能质量补偿器通过在背靠背变换器中采用LC或L耦合支路来降低变换器的补偿容量，本文首先介绍了传统型HPQC的结构和工作原理，分析了HPQC能够降低变换器补偿容量的原因以及该方法的缺陷。为了使变换器的输出功率保持在较低的水平，提出了一种改进型混合电能质量补偿器。改进型HPQC采用晶闸管开关耦合支路，可根据不同负载情况动态调整耦合支路阻抗，推导了其结构和补偿原理，并通过仿真分析验证了所提方法的有效性。