- 頭條電氣化鐵路電能質量混合調節系統的設計方法，性價比高2021-03-27 作者：王鵬程 李勇 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語湖南大學電氣與信息工程學院的研究人員王鵬程、李勇、安柏楠、張志文、王姿雅，在2019年第21期《電工技術學報》上撰文（論文標題為“基于不對稱接線平衡變壓器的電氣化鐵路電能質量混合調節系統”），針對電氣化鐵路電能質量調節系統存在的補償容量大、系統造價高等問題，提出了一種由鐵路功率調節器（RPC）和感應濾波變壓器（IFRT）組成的混合補償系統。IFRT二次側濾波繞組可在低壓側對供電臂側特定次諧波進行濾除，同時補償無功功率，顯著降低有源系統容量。 首先，基于系統拓撲結構詳細分析了電氣化鐵路電能質量混合調節系統（ACBT-HPQCS）的工作原理。然后，對某牽引變電所實測負荷數據進行分析，給出了濾波支路設計方法，并采用阻尼注入式無源控制方法對變流器進行控制。最后，分別對所提系統進行仿真及實驗分析。結果表明，ACBT-HPQCS在顯著降低有源系統容量的同時具有良好的電能質量治理效果。
電氣化鐵路特殊的供電方式及電力機車的固有特性給牽引供電系統帶來了負序、諧波電流和無功功率等電能質量問題，威脅鐵路安全運行的同時又增加鐵路部門運營成本。
目前，我國的牽引變電所主要采用換相接入公共電網的方式緩解負序電流的影響，但由于牽引負荷隨機波動，效果并不理想。供電臂上安裝單相靜止同步補償器（Static Synchronous Compensator, STATCOM）相對于高壓側安裝三相STATCOM可降低其電壓等級，但不能提供兩相負載有功功率平衡通路。
早期的牽引供電系統采用靜止無功補償器（Static Var Compensator, SVC）對無功功率進行動態補償，但過高的電壓等級使其投資過高而未能大量應用。日本學者提出的鐵路功率調節器（Railway static Power Conditioner, RPC）結構簡單且通用性強，對電氣化鐵路存在的電能質量問題具有較好的治理效果，但補償容量大導致的高投入問題限制了推廣應用。
已有學者在RPC基礎上進行了諸多改進，有學者提出了一種無輔助變壓器的繞組補償結構，取消了輔助變壓器可節省一定成本。有學者采用磁控靜止無功補償器（Magnetic Static Var Compensator, MSVC）與RPC混合補償結構，雖降低了RPC容量但控制難度增加。有學者采用晶閘管控制3次濾波器與RPC并聯連接，有效降低RPC容量，但控制系統響應速度及穩定性難以保證。平衡變壓器有較好的抑制負序電流的能力，可降低RPC容量，是一種較為理想的牽引變壓器。
為充分發揮RPC的優勢，降低補償系統成本，本文提出一種基于不對稱接線平衡變壓器的電氣化鐵路電能質量混合調節系統（Asymmetrical Connection Balance Transformer based Hybrid Power QualityControl System, ACBT-HPQCS），如圖1所示。
該系統中不對稱接線平衡變壓器（Asymmetrical Connection Balance Transformer, ACBT）作為主牽引變壓器，引入感應濾波變壓器（Inductively FilteredRectifier Transformer, IFRT）[13-14]代替普通隔離降壓變壓器，不僅隔離了供電臂與補償裝置間的電氣連接，降低負荷電流沖擊對系統穩定性的影響，而且可在變壓器二次側實現特定次諧波抑制，降低系統損耗。
此外，調諧支路（FilterTuned branches, FT）還具有無功補償的功能。RPC與IFRT的混合式結構可實現動態綜合補償，顯著降低有源器件的容量及損耗，降低投資成本并延長補償系統使用壽命。
圖1 ACBT-HPQCS拓撲結構
圖6 系統控制框圖
圖9 實驗系統
結論
本文提出一種基于平衡變壓器的混合補償系統。分析了牽引供電系統電能質量問題產生的機理，給出了補償系統相量圖，采用IFRT代替傳統隔離變壓器，在濾波的同時補償無功功率。基于實測負荷數據的分析，給出了無源器件容量設計方法，在保證補償效果的同時降低了系統造價；采用阻尼注入式無源控制方式對交流量進行快速跟蹤，保證系統的穩定性。
最后，對某牽引變電所算例的仿真與實驗結果表明，所提系統可顯著降低有源部分容量，在不降低補償效果的同時，顯著提高HPQCS的性價比，具有重要的工程應用價值。
