典型重载铁路电能质量评估与控制方案研究

霍中原



典型重载铁路电能质量评估与控制方案研究

霍中原

选择典型重载铁路开展牵引供电系统实际测试，计算了主要电能质量指标，分析了电能质量主要特征分布，提出了多种电能质量控制方案，可以对无功、谐波和负序电流进行综合补偿。基于实测数据仿真验证了方案的有效性，为解决重载铁路电能质量问题提供了有效途径。

重载铁路；电能质量；现场测试；评估；控制方案

0 引言

电力机车是电气化铁路的主要负荷，其特性决定了其对电气化铁路电能质量的影响，特别是电力机车的基波和谐波特性决定了其通过牵引供电系统向电力系统注入的负序电流、谐波电流的大小，与功率因数水平和供电电压波动也密切相关[1，2]。传统的交-直型电力机车采用整流器+直流牵引电机的传动模式，由晶闸管组成的整流桥实现功率变换，谐波含量大且功率因数较低。而新型交-直-交型电力机车则采用整流器+逆变器+交流异步牵引电机的传动模式，采用四象限PWM整流方式，谐波含量明显减小，功率因数接近1，可以满足大功率牵引的需求[3，4]。

当前在我国主要重载铁路上，大量交-直型电力机车仍在广泛使用，同时新型交-直-交型电力机车也陆续上线，一段时期内将维持各型电力机车混行的运行组织方式。为了优化牵引供电系统与外电源之间的匹配关系，有必要对重载线路牵引供电系统进行实际测试，基于相关标准，定量评估对应牵引负荷特性下的电能质量状况，分析其主要特征和影响因素，有针对性地研究电能质量控制方案，保证电能品质和供电质量。

1 典型电力机车负荷特性测试与分析

为了定量分析不同类型电力机车的负荷特性，在电力机车车载变压器位置安装电能质量检测装置，检测原边电压和电流。以交-直-交型电力机车为例，主要测点布置如图1所示（▲为测点位置）。

以我国大秦线、大包线等重载线路推广采用的HXD1型电力机车为例，测试其牵引性能，部分试验数据分析结果如下：牵引及再生工况时机车取用功率与功率因数相关分布如图2所示；图3为实测过程电力机车网侧最大功率对应的谐波电流频谱分布图。

测试结果表明，以HXD1型机车为代表的典型交-直-交型电力机车，除较低功率运行工况外，其功率因数基本接近1，但谐波电流频谱分布广泛，高次谐波电流含量明显，产生一定的偶次谐波电流。此外，电力机车的谐波电流分布特性与取用功率有明显的相关性：当功率较低时，谐波电流总畸变率较大，单次谐波电流含量较高；当功率增大时，谐波电流总畸变率和单次谐波电流含量均显著降低。

图2 HXD1型电力机车网侧功率与功率因数关系曲线图

2 牵引变电所电能质量测试与分析

选择典型重载铁路牵引供电系统开展电能质量测试，该线路上主要是SS4系列和HXD1型电力机车，牵引变电所外部进线电源为110 kV电压等级，牵引变压器采用Scott接线方式。牵引变电所测试方案如图4所示（▲为测点位置）。测试结果见表1—表5。

与电能质量国家标准GB/T 12325-2008中相关规定比较，牵引变电所110 kV母线电压最大正偏差为13%，最大负偏差为18%，均超过国家标准规定的允许值10%[5]。馈线侧55 kV母线的最高电压为58 kV，最低电压仅为41 kV。此外，牵引变电所谐波电压畸变率和三相电压不平衡度也超过国标限值[6，7]，平均功率因数低于0.9。

图4 牵引变电所测试装置安装示意图

表1 牵引变电所110 kV进线电压偏差统计结果表 kV

表2 55 kV母线电压有效值统计结果表 kV

表3 牵引变电所110 kV侧三相电压总畸变率统计值表

表4 110 kV三相电压不平衡度表

表5 牵引变电所平均功率因数表

3 治理方案

通过对典型重载铁路电能质量的分析可以看到，该线路功率因数低于0.9，谐波含量偏大，三相电压不平衡度较为明显。因此需要安装必要的电能质量补偿装置，提供动态无功支撑，稳定牵引网电压，兼顾治理谐波和负序电流。针对重载线路现状，选择合理的电能质量控制方案，做到既能提高供电品质，又能经济合理，具有工程化容易，维护和管理方便等优点。

3.1 无功功率与低次谐波补偿方案

SVC（Static Var Compensator）方案具有综合治理效果好，初期投资低，回报收益快，占地面积小等优点，并且国内外已有成功应用案例，可以有效提高牵引供电系统的功率因数，稳定牵引网电压。本文根据上述牵引变电所实际情况，初步选择TCR型SVC作为无功功率补偿和低次谐波抑制方案，主电路结构如图5所示。由于牵引负荷中以3、5、7次谐波电流最为显著，故对低次谐波电流的抑制是谐波治理的重点。滤波器采用单调谐滤波器（FC-Filter Capacitor），除需要在谐振频率下有效滤除对应谐波，还需要在基频下提供固定的容性无功。晶闸管控制电抗器（TCR-Thyristor Controlled Reactor）通过改变控制角而改变导通时间，即调节电抗器电抗达到改变其感性无功输出的目的，与FC一起动态补偿机车负载需要的无功。

图5 TCR型SVC牵引侧主接线示意图

按照上述方法和设计原则，取功率因数数值为0.92，计算出TCR型SVC主要参数，见表6。

表6 TCR型SVC方案主要电气参数表

3.2 高次谐波补偿方案

该重载线路牵引变电所馈线侧存在一定量主要由HXD1型电力机车产生的高次谐波电流。由于高次谐波电流含量较低，对谐波电压畸变的影响也较小，一般不需要专门治理。但若高次谐波频段与牵引供电系统固有谐振频段重叠，则容易引起高次谐波谐振，造成明显的过电压，易对高、低压供电设备造成损坏。针对上述问题，可考虑安装无源高通滤波器滤除高次谐波分量。目前，常用的高通滤波器为二阶阻尼滤波器和C型滤波器。其中C型滤波器是在二阶滤波器的并联电感上串联一个电容，通常将电感与电容在基波下调节成串联谐振，从而使电阻支路短路，使电阻上消耗的功率减至最小[8，9]。在高频下，这2种滤波器的滤波性能基本一致。以C型滤波器为例，可以将其接于牵引网末端分区所（该重载线路采用AT供电方式），电路连接如图6所示。

图6 C型高通滤波器主电路示意图

3.3 负序电流补偿方案

由于牵引供电系统采用单相工频交流制，必然会在三相电网侧出现一定量的负序电流，引起三相电压不平衡问题。虽然该重载线路采用了Scott接线平衡变压器，但由于两臂负荷的独立性和随机波动性，造成三相电压不平衡度仍然超标。而大功率电力电子技术的三相-单相对称补偿方案可以从根本上解决上述问题。例如日本新干线采用的RPC（Railway Static Power Conditioner）技术，其工作原理如图7 a所示。Scott接线变压器二次侧的M座和T座的牵引母线上连接2台单相换流器，并通过直流环节相连，使有功功率的流通成为可能，从而可以平衡Scott接线变压器绕组负荷大小，有效地减小高压侧负序电流对三相电压不平衡的影响。西南交通大学提出了同相供电技术方案，其工作原理如图7 b所示。该方案可以从根本上解决电气化铁路牵引负荷造成的三相电压不平衡问题，同时还可以取消变电所出口处的电分相，目前该技术已经在中南部重载铁路上开展工程试验[10，11]。

a RPC技术

b 同相供电技术

图7 基于大功率电力电子技术的牵引变电所负序电流补偿方案示意图

4 电能质量综合补偿效果分析

通过在该重载线路牵引变电所采用上述电能质量控制方案后，结合现有实测数据，可以仿真补偿方案的应用效果。其中两供电臂的功率因数补偿后可以达到0.93和0.95，实时分布如图8所示。主要谐波电流抑制效果及牵引侧母线电压补偿效果如表7、表8所示。采用同相供电技术补偿负序电流，在实现完全补偿的情况下，连接供电臂的单相变流器动态补偿电流分布如图9所示。

a M臂功率因数

b T臂功率因数

图8 投入SVC后牵引变电所两供电臂实时功率因数分布图

表7 投入SVC后各奇次谐波电流数据表 A

表8 投入SVC后牵引侧母线电压数据表 kV

图9 连接供电臂的单相变流器动态补偿电流分布图

5 结语

当前重载铁路牵引负荷特性对电能质量的影响备受关注，本文选择典型线路牵引供电系统开展实际测试，基于相关电能质量标准，研究了电能质量分布状况和主要特性；根据不同补偿对象和补偿目标，提出了电能质量综合控制方案，结合实测数据，仿真验证了上述方案的有效性和可行性，为解决重载铁路电能质量问题提供了有效途径。

[1] 李群湛，连级三，高仕斌. 高速铁路电气化工程[M]. 成都：西南交通大学出版社，2006.

[2] 陈民武，宫衍圣，李群湛，等.电气化铁路电能质量评估及新型控制方案研究[J]. 电力系统保护与控制，2012，40（6）：141-147.

[3] 李群湛. 电气化铁路电能质量分析与控制[M]. 成都：西南交通大学出版社，2011.

[4] 冯江华. 机车交流传统控制系统的发展[J]. 机车电传动，2001，（4）：7-12.

[5] GB/T 12325-2008 电能质量供电电压允许偏差[S]. 北京：中国标准出版社，2008.

[6] GB/T14549-1993电能质量公用电网谐波[S]. 北京：中国标准出版社，1993.

[7] GB/T15543-2008电能质量三相电压不平衡[S]. 北京：中国标准出版社，2008.

[8] Morris Brenna，Federica Foiadelli. Analysis of the filters installed in the interconnection points between different railway supply systems[J]. IEEE trans. Smart grid, 2012, 3(1):551-558.

[9] 李永强，周勇. 无源滤波电容器参数选择方法[J]. 电力自动化设备，2009，29（7）：93-96.

[10] 李群湛. 我国高速铁路牵引供电发展的若干关键技术问题[J]. 铁道学报，2010，32（4）：119-124.

[11] 陈民武，蒋汶兵，王旭光，等. 高速铁路新型同相贯通供电方案及其仿真研究[J]. 铁道学报，2016，38（1）：28-34.

On the basis of execution of actual test of traction power supply system for heavy load railway, calculation of main energy quality parameters and analysis of feature distribution of energy quality, the paper puts forward several schemes on energy quality control which are able to compensate comprehensively the reactive power, harmonics and negative current. The schemes, with their effectiveness verified by actual tested data, provide effective solutions to energy quality problems of heavy load railways.

Heavy load railway; energy quality; site test; assessment; control scheme

U223.5+2

B

1007-936X(2017)02-0001-04

霍中原.中铁铁道经济规划研究院，高级工程师，电话：13910026957。

2017-01-10