電氣化鐵路特殊的供電方式及電力機(jī)車的固有特性給牽引供電系統(tǒng)帶來(lái)了負(fù)序、諧波電流和無(wú)功功率等電能質(zhì)量問(wèn)題，威脅鐵路安全運(yùn)行的同時(shí)又增加鐵路部門運(yùn)營(yíng)成本。

目前，我國(guó)的牽引變電所主要采用換相接入公共電網(wǎng)的方式緩解負(fù)序電流的影響，但由于牽引負(fù)荷隨機(jī)波動(dòng)，效果并不理想。供電臂上安裝單相靜止同步補(bǔ)償器（Static Synchronous Compensator, STATCOM）相對(duì)于高壓側(cè)安裝三相STATCOM可降低其電壓等級(jí)，但不能提供兩相負(fù)載有功功率平衡通路。

早期的牽引供電系統(tǒng)采用靜止無(wú)功補(bǔ)償器（Static Var Compensator, SVC）對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，但過(guò)高的電壓等級(jí)使其投資過(guò)高而未能大量應(yīng)用。日本學(xué)者提出的鐵路功率調(diào)節(jié)器（Railway static Power Conditioner, RPC）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且通用性強(qiáng)，對(duì)電氣化鐵路存在的電能質(zhì)量問(wèn)題具有較好的治理效果，但補(bǔ)償容量大導(dǎo)致的高投入問(wèn)題限制了推廣應(yīng)用。

已有學(xué)者在RPC基礎(chǔ)上進(jìn)行了諸多改進(jìn)，有學(xué)者提出了一種無(wú)輔助變壓器的繞組補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，取消了輔助變壓器可節(jié)省一定成本。有學(xué)者采用磁控靜止無(wú)功補(bǔ)償器（Magnetic Static Var Compensator, MSVC）與RPC混合補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，雖降低了RPC容量但控制難度增加。有學(xué)者采用晶閘管控制3次濾波器與RPC并聯(lián)連接，有效降低RPC容量，但控制系統(tǒng)響應(yīng)速度及穩(wěn)定性難以保證。平衡變壓器有較好的抑制負(fù)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(fā)揮RPC的優(yōu)勢(shì)，降低補(bǔ)償系統(tǒng)成本，本文提出一種基于不對(duì)稱接線平衡變壓器的電氣化鐵路電能質(zhì)量混合調(diào)節(jié)系統(tǒng)（Asymmetrical Connection Balance Transformer based Hybrid Power QualityControl System, ACBT-HPQCS），如圖1所示。

該系統(tǒng)中不對(duì)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(yīng)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(bǔ)償裝置間的電氣連接，降低負(fù)荷電流沖擊對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，而且可在變壓器二次側(cè)實(shí)現(xiàn)特定次諧波抑制，降低系統(tǒng)損耗。

此外，調(diào)諧支路（FilterTuned branches, FT）還具有無(wú)功補(bǔ)償?shù)墓δ堋PC與IFRT的混合式結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)綜合補(bǔ)償，顯著降低有源器件的容量及損耗，降低投資成本并延長(zhǎng)補(bǔ)償系統(tǒng)使用壽命。

圖1 ACBT-HPQCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖6 系統(tǒng)控制框圖

圖9 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

結(jié)論

本文提出一種基于平衡變壓器的混合補(bǔ)償系統(tǒng)。分析了牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量問(wèn)題產(chǎn)生的機(jī)理，給出了補(bǔ)償系統(tǒng)相量圖，采用IFRT代替?zhèn)鹘y(tǒng)隔離變壓器，在濾波的同時(shí)補(bǔ)償無(wú)功功率。基于實(shí)測(cè)負(fù)荷數(shù)據(jù)的分析，給出了無(wú)源器件容量設(shè)計(jì)方法，在保證補(bǔ)償效果的同時(shí)降低了系統(tǒng)造價(jià)；采用阻尼注入式無(wú)源控制方式對(duì)交流量進(jìn)行快速跟蹤，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

最后，對(duì)某牽引變電所算例的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提系統(tǒng)可顯著降低有源部分容量，在不降低補(bǔ)償效果的同時(shí)，顯著提高HPQCS的性價(jià)比，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。