霍中原

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典型重載鐵路電能質(zhì)量評(píng)估與控制方案研究

霍中原

選擇典型重載鐵路開(kāi)展?fàn)恳╇娤到y(tǒng)實(shí)際測(cè)試，計(jì)算了主要電能質(zhì)量指標(biāo)，分析了電能質(zhì)量主要特征分布，提出了多種電能質(zhì)量控制方案，可以對(duì)無(wú)功、諧波和負(fù)序電流進(jìn)行綜合補(bǔ)償?；趯?shí)測(cè)數(shù)據(jù)仿真驗(yàn)證了方案的有效性，為解決重載鐵路電能質(zhì)量問(wèn)題提供了有效途徑。

重載鐵路；電能質(zhì)量；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試；評(píng)估；控制方案

0 引言

電力機(jī)車是電氣化鐵路的主要負(fù)荷，其特性決定了其對(duì)電氣化鐵路電能質(zhì)量的影響，特別是電力機(jī)車的基波和諧波特性決定了其通過(guò)牽引供電系統(tǒng)向電力系統(tǒng)注入的負(fù)序電流、諧波電流的大小，與功率因數(shù)水平和供電電壓波動(dòng)也密切相關(guān)[1，2]。傳統(tǒng)的交-直型電力機(jī)車采用整流器+直流牽引電機(jī)的傳動(dòng)模式，由晶閘管組成的整流橋?qū)崿F(xiàn)功率變換，諧波含量大且功率因數(shù)較低。而新型交-直-交型電力機(jī)車則采用整流器+逆變器+交流異步牽引電機(jī)的傳動(dòng)模式，采用四象限PWM整流方式，諧波含量明顯減小，功率因數(shù)接近1，可以滿足大功率牽引的需求[3，4]。

當(dāng)前在我國(guó)主要重載鐵路上，大量交-直型電力機(jī)車仍在廣泛使用，同時(shí)新型交-直-交型電力機(jī)車也陸續(xù)上線，一段時(shí)期內(nèi)將維持各型電力機(jī)車混行的運(yùn)行組織方式。為了優(yōu)化牽引供電系統(tǒng)與外電源之間的匹配關(guān)系，有必要對(duì)重載線路牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，基于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，定量評(píng)估對(duì)應(yīng)牽引負(fù)荷特性下的電能質(zhì)量狀況，分析其主要特征和影響因素，有針對(duì)性地研究電能質(zhì)量控制方案，保證電能品質(zhì)和供電質(zhì)量。

1 典型電力機(jī)車負(fù)荷特性測(cè)試與分析

為了定量分析不同類型電力機(jī)車的負(fù)荷特性，在電力機(jī)車車載變壓器位置安裝電能質(zhì)量檢測(cè)裝置，檢測(cè)原邊電壓和電流。以交-直-交型電力機(jī)車為例，主要測(cè)點(diǎn)布置如圖1所示（▲為測(cè)點(diǎn)位置）。

以我國(guó)大秦線、大包線等重載線路推廣采用的HXD1型電力機(jī)車為例，測(cè)試其牽引性能，部分試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析結(jié)果如下：牽引及再生工況時(shí)機(jī)車取用功率與功率因數(shù)相關(guān)分布如圖2所示；圖3為實(shí)測(cè)過(guò)程電力機(jī)車網(wǎng)側(cè)最大功率對(duì)應(yīng)的諧波電流頻譜分布圖。

測(cè)試結(jié)果表明，以HXD1型機(jī)車為代表的典型交-直-交型電力機(jī)車，除較低功率運(yùn)行工況外，其功率因數(shù)基本接近1，但諧波電流頻譜分布廣泛，高次諧波電流含量明顯，產(chǎn)生一定的偶次諧波電流。此外，電力機(jī)車的諧波電流分布特性與取用功率有明顯的相關(guān)性：當(dāng)功率較低時(shí)，諧波電流總畸變率較大，單次諧波電流含量較高；當(dāng)功率增大時(shí)，諧波電流總畸變率和單次諧波電流含量均顯著降低。

圖2 HXD1型電力機(jī)車網(wǎng)側(cè)功率與功率因數(shù)關(guān)系曲線圖

2 牽引變電所電能質(zhì)量測(cè)試與分析

選擇典型重載鐵路牽引供電系統(tǒng)開(kāi)展電能質(zhì)量測(cè)試，該線路上主要是SS4系列和HXD1型電力機(jī)車，牽引變電所外部進(jìn)線電源為110 kV電壓等級(jí)，牽引變壓器采用Scott接線方式。牽引變電所測(cè)試方案如圖4所示（▲為測(cè)點(diǎn)位置）。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1—表5。

與電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 12325-2008中相關(guān)規(guī)定比較，牽引變電所110 kV母線電壓最大正偏差為13%，最大負(fù)偏差為18%，均超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許值10%[5]。饋線側(cè)55 kV母線的最高電壓為58 kV，最低電壓僅為41 kV。此外，牽引變電所諧波電壓畸變率和三相電壓不平衡度也超過(guò)國(guó)標(biāo)限值[6，7]，平均功率因數(shù)低于0.9。

圖4 牽引變電所測(cè)試裝置安裝示意圖

表1 牽引變電所110 kV進(jìn)線電壓偏差統(tǒng)計(jì)結(jié)果表 kV

表2 55 kV母線電壓有效值統(tǒng)計(jì)結(jié)果表 kV

表3 牽引變電所110 kV側(cè)三相電壓總畸變率統(tǒng)計(jì)值表

表4 110 kV三相電壓不平衡度表

表5 牽引變電所平均功率因數(shù)表

3 治理方案

通過(guò)對(duì)典型重載鐵路電能質(zhì)量的分析可以看到，該線路功率因數(shù)低于0.9，諧波含量偏大，三相電壓不平衡度較為明顯。因此需要安裝必要的電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置，提供動(dòng)態(tài)無(wú)功支撐，穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓，兼顧治理諧波和負(fù)序電流。針對(duì)重載線路現(xiàn)狀，選擇合理的電能質(zhì)量控制方案，做到既能提高供電品質(zhì)，又能經(jīng)濟(jì)合理，具有工程化容易，維護(hù)和管理方便等優(yōu)點(diǎn)。

3.1 無(wú)功功率與低次諧波補(bǔ)償方案

SVC（Static Var Compensator）方案具有綜合治理效果好，初期投資低，回報(bào)收益快，占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，并且國(guó)內(nèi)外已有成功應(yīng)用案例，可以有效提高牽引供電系統(tǒng)的功率因數(shù)，穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓。本文根據(jù)上述牽引變電所實(shí)際情況，初步選擇TCR型SVC作為無(wú)功功率補(bǔ)償和低次諧波抑制方案，主電路結(jié)構(gòu)如圖5所示。由于牽引負(fù)荷中以3、5、7次諧波電流最為顯著，故對(duì)低次諧波電流的抑制是諧波治理的重點(diǎn)。濾波器采用單調(diào)諧濾波器（FC-Filter Capacitor），除需要在諧振頻率下有效濾除對(duì)應(yīng)諧波，還需要在基頻下提供固定的容性無(wú)功。晶閘管控制電抗器（TCR-Thyristor Controlled Reactor）通過(guò)改變控制角而改變導(dǎo)通時(shí)間，即調(diào)節(jié)電抗器電抗達(dá)到改變其感性無(wú)功輸出的目的，與FC一起動(dòng)態(tài)補(bǔ)償機(jī)車負(fù)載需要的無(wú)功。

圖5 TCR型SVC牽引側(cè)主接線示意圖

按照上述方法和設(shè)計(jì)原則，取功率因數(shù)數(shù)值為0.92，計(jì)算出TCR型SVC主要參數(shù)，見(jiàn)表6。

表6 TCR型SVC方案主要電氣參數(shù)表

3.2 高次諧波補(bǔ)償方案

該重載線路牽引變電所饋線側(cè)存在一定量主要由HXD1型電力機(jī)車產(chǎn)生的高次諧波電流。由于高次諧波電流含量較低，對(duì)諧波電壓畸變的影響也較小，一般不需要專門(mén)治理。但若高次諧波頻段與牽引供電系統(tǒng)固有諧振頻段重疊，則容易引起高次諧波諧振，造成明顯的過(guò)電壓，易對(duì)高、低壓供電設(shè)備造成損壞。針對(duì)上述問(wèn)題，可考慮安裝無(wú)源高通濾波器濾除高次諧波分量。目前，常用的高通濾波器為二階阻尼濾波器和C型濾波器。其中C型濾波器是在二階濾波器的并聯(lián)電感上串聯(lián)一個(gè)電容，通常將電感與電容在基波下調(diào)節(jié)成串聯(lián)諧振，從而使電阻支路短路，使電阻上消耗的功率減至最小[8，9]。在高頻下，這2種濾波器的濾波性能基本一致。以C型濾波器為例，可以將其接于牽引網(wǎng)末端分區(qū)所（該重載線路采用AT供電方式），電路連接如圖6所示。

圖6 C型高通濾波器主電路示意圖

3.3 負(fù)序電流補(bǔ)償方案

由于牽引供電系統(tǒng)采用單相工頻交流制，必然會(huì)在三相電網(wǎng)側(cè)出現(xiàn)一定量的負(fù)序電流，引起三相電壓不平衡問(wèn)題。雖然該重載線路采用了Scott接線平衡變壓器，但由于兩臂負(fù)荷的獨(dú)立性和隨機(jī)波動(dòng)性，造成三相電壓不平衡度仍然超標(biāo)。而大功率電力電子技術(shù)的三相-單相對(duì)稱補(bǔ)償方案可以從根本上解決上述問(wèn)題。例如日本新干線采用的RPC（Railway Static Power Conditioner）技術(shù)，其工作原理如圖7 a所示。Scott接線變壓器二次側(cè)的M座和T座的牽引母線上連接2臺(tái)單相換流器，并通過(guò)直流環(huán)節(jié)相連，使有功功率的流通成為可能，從而可以平衡Scott接線變壓器繞組負(fù)荷大小，有效地減小高壓側(cè)負(fù)序電流對(duì)三相電壓不平衡的影響。西南交通大學(xué)提出了同相供電技術(shù)方案，其工作原理如圖7 b所示。該方案可以從根本上解決電氣化鐵路牽引負(fù)荷造成的三相電壓不平衡問(wèn)題，同時(shí)還可以取消變電所出口處的電分相，目前該技術(shù)已經(jīng)在中南部重載鐵路上開(kāi)展工程試驗(yàn)[10，11]。

a RPC技術(shù)

b 同相供電技術(shù)

圖7 基于大功率電力電子技術(shù)的牽引變電所負(fù)序電流補(bǔ)償方案示意圖

4 電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償效果分析

通過(guò)在該重載線路牽引變電所采用上述電能質(zhì)量控制方案后，結(jié)合現(xiàn)有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，可以仿真補(bǔ)償方案的應(yīng)用效果。其中兩供電臂的功率因數(shù)補(bǔ)償后可以達(dá)到0.93和0.95，實(shí)時(shí)分布如圖8所示。主要諧波電流抑制效果及牽引側(cè)母線電壓補(bǔ)償效果如表7、表8所示。采用同相供電技術(shù)補(bǔ)償負(fù)序電流，在實(shí)現(xiàn)完全補(bǔ)償?shù)那闆r下，連接供電臂的單相變流器動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電流分布如圖9所示。

a M臂功率因數(shù)

b T臂功率因數(shù)

圖8 投入SVC后牽引變電所兩供電臂實(shí)時(shí)功率因數(shù)分布圖

表7 投入SVC后各奇次諧波電流數(shù)據(jù)表 A

表8 投入SVC后牽引側(cè)母線電壓數(shù)據(jù)表 kV

圖9 連接供電臂的單相變流器動(dòng)態(tài)補(bǔ)償電流分布圖

5 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前重載鐵路牽引負(fù)荷特性對(duì)電能質(zhì)量的影響備受關(guān)注，本文選擇典型線路牽引供電系統(tǒng)開(kāi)展實(shí)際測(cè)試，基于相關(guān)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，研究了電能質(zhì)量分布狀況和主要特性；根據(jù)不同補(bǔ)償對(duì)象和補(bǔ)償目標(biāo)，提出了電能質(zhì)量綜合控制方案，結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，仿真驗(yàn)證了上述方案的有效性和可行性，為解決重載鐵路電能質(zhì)量問(wèn)題提供了有效途徑。

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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.中鐵鐵道經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院，高級(jí)工程師，電話：13910026957。

2017-01-10