适用于高速电气化铁路的低成本电能质量综合补偿装置.pdf

第４１卷第１４期２０１３年７月１６日电力系统保护与控制ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＶｂ１．４１Ｎ０．１４Ｊｕｌｙ１６，２０１３适用于高速电气化铁路的低成本电能质量综合补偿装置孟金岭，肖勇，王文，孙卫明，赵伟（１．广东电网公司电力科学研究院，广东广州５１００８０；２．湖南大学电气与信息工程学院，湖南长沙４１００８２）摘要：针对牵引供电系统传统补偿系统治理效果欠佳且成本较高的问题，提出了一种适用于高速电气化铁路的低成本电能质量综合补偿方案。综合补偿方案由铁路功率调节器（ＲａｉｌｗａｙＰｏｗｅｒＣｏｎｔｒｏ１１ｅｒ，ＲＰＣ）、晶闸管控制电抗器（ＴｈｙｒｉＳｔｏｒＣｏｎｔｒｏ１ｌｅｄＲｅａｃｔｏｒ，ＴＣＲ）和晶闸管投切电容器（ＴｈｙｒｉＳｔｏｒＳｗｉｔｃｈｅｄＣａｐａｃｉｔｏｒ，ＴＳＣ）构成。分析了综合补偿装置的５－作原理，采用基于鉴相原理的瞬时电流检测法提取机车负载电流中的有功电流及无功电流分量。针对ＴＣＲ、ＴＳＣ及ＲＰＣ无功补偿容量分配问题，提出了补偿装置的无功电流分配策略，根据分配策略为补偿装置提供控制信号。利用ＴＳＣ和ＴＣＲ分别补偿重载供电臂和轻载供电臂的缺额无功电流，铁路功率调节器的补偿容量大为降低，仅补偿牵引系统的负序电流、各次谐波电流及用于调整ＴＳＣ实际补偿容量的小额无功电流，实现负序补偿和谐波抑制效果。仿真分析和样机实验结果表明了综合补偿装置负序补偿能力强，具有良好的谐波抑制能力，且降低了传统补偿装置的造价，易于工程应用。关键词：电气化铁路；电能质量；负序补偿；谐波抑制；无功分配—ＡｌｏｗｃｏｓｔｐｏｗｅｒｑｕａｌｉｔｙｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｆｏｒｈｉｇｈｓｐｅｅｄｅｌｅｃｔｒｉｃｒａｉｌｗａｙＭＥＮＧＪｉｎ－ｌｉｎｇ，ＸＩＡＯＹｏｎｇ，ＷＡＮＧＷｅｎ，ＳＵＮＷｅｉ・ｍｉｎｇ，ＺＨＡＯＷｅｉｆ１．ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＧｕａｎｇｄｏｎｇＰｏｗｅｒＧｒｉｄＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ５１００８０，Ｃｈｉｎａ；２．ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌａｎｄＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＨｕｎａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ４１００８２，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｏｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｔｈｅｎｅｇａｔｉｖｅｓｅｑｕｅｎｃｅａｎｄｈａｒｍｏｎｉｃｃｕｒｒｅｎｔｏｆｔｈｅｔｒａｃｔｉｏｎｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍ，ａｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｓｃｈｅｍｅｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｔｈｅｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｉｓｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｒａｉｌｗａｙｐｏｗｅｒｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ（ＲＰＣ），ｔｈｙｒｉｓｔｏｒｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｒｅａｃｔｏｒ（ＴＣＲ）ａｎｄｔｈｙｒｉｓｔｏｒｓｗｉｔｃｈｅｄｃａｐａｃｉｔｏｒ（ＴＳＣ）．Ｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｄｅｖｉｃｅｉｓａｎａｌｙｚｅｄ，ａｎｄｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｃｕｒｒｅｎｔｄｅｔｅｃｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｐｈａｓｅｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｉＳａｄｏｐｔｅｄｔｏｅｘｔｒａｃｔｔｈｅａｃｔｉｖｅａｎｄｒｅａｃｔｉｖｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔｉｎｔｈｅｌｏａｄｃｕｒｒｅｎｔ．ＴｈｅｒｅａｃｔｉｖｅｃｕｒｒｅｎｔａｌｌｏｃａｔｉｏｎｓｔｒａｔｅｇｙｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄｔｏｐｒｏｖｉｄｅｔｒｉｇｇｅｒｓｉｇｎａｌｆｏｒＴＳＣａｎｄＴＣＲ．ＴＳＣａｎｄＴＣＲａｒｅｕｓｅｄｔｏｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｔｈｅｓｈｏｒｔｆａｌｌｏｆｒｅａｃｔｉｖｅｃｕｒｒｅｎｔｆｏｒｔｈｅｈｅａｖｙ－ｌｏａｄｉｎｇａｎｄｌｉｇｈｔ－ｌｏａｄｉｎｇｓｕｐｐｌｙａｎｎ．ＣｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｃａｐａｃｉｔｙｏｆＲ＿ＰＣｉｓｇｒｅａｔｌｙｒｅｄｕｃｅｄ，ｏｎｌｙｐｒｏｖｉｄｉｎｇｎｅｇｍｉｖｅｓｅｑｕｅｎｃｅｃｕｒｒｅｎｔ，ｈａｒｍｏｎｉｃｃｕｒｒｅｎｔｏｆｔｈｅｔｒａｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄａｓｍａｌｌａｍｏｕｎｔｏｆｒｅａｃｔｉｖｅｃｕｒｒｅｎｔｕｓｅｄｔｏａｄｊｕｓｔｔｈｅａｃｔｕａｌｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｎｇｃａｐａｃｉｔｙｏｆＴＳＣ，ａｃｈｉｅｖｉｎｇｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｎｅｇａｔｉｖｅｓｅｑｕｅｎｃｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎａｎｄｈａｒｍｏｎｉｃｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｄｅｖｉｃｅｈａｓａｓｔｒｏｎｇａｂｉｌｉｔｙｔｏｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｎｅｇａｔｉｖｅｓｅｑｕｅｎｃｅｃｕｒｒｅｎｔａｎｄａｇｏｏｄｈａｒｍｏｎｉｃｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎａｂｉｌｉｔｙ，ｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｓａｌｏｗｃｏｓｔ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｉｆｉｅｄｒａｉｌｗａｙ；ｐｏｗｅｒｑｕａｌｉｔｙ；ｎｅｇａｔｉｖｅｓｅｑｕｅｎｃｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ｈａｒｍｏｎｉｃｃｏｎｔｒｏｌ；ｒｅａｃｔｉｖｅｃｕｒｒｅｎｔａｌｌｏｃａｔｉｏｎ中图分类号：ＴＭ７１４文献标识码：Ａ——文章编号：１６７４３４１５（２０１３）１４００７３－０８０引言在高速电气化铁路牵引供电系统中，负序及谐波问题在其电能质量问题中最为突出【ＪＪ，严重影响了电力系统的安全运行。大多数国家针对电气化铁路的无功和谐波等电能质量问题多采用无源滤波器进行特定次数谐波的滤除，并提供固定容量无功补偿的治理方案Ｌ５Ｊ。但无源滤波器只能对特定次数的基金项目：国家科技支撑计划资助项目（２００９ＢＡＧ１２Ａ０９）谐波进行治理，并存在易与电网阻抗发生谐振的缺点。有源电力滤波器能对电气化铁路谐波进行动态抑制【６Ｊ，但不能有效消除电气化铁路机车负载产生的负序电流。电气化铁路供电系统广泛采用换相接入的方式来消除负序电流，但该方法依赖于机车运营情况，负序消除能力有限。利用静止无功补偿器（ＳｔａｔｉｃＶａｒＣｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ，ＳＶＣ）对变电站进行无功和负序补偿有多年运行经验，其负序补偿效果好，但会发射谐波注入电网，一般需搭配无源滤波器进行谐波抑制。三相高压侧安装静止同步补偿器电力系统保护与控制（ＳｔａｔｉｃＳｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓＣｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ，ＳＴＡＴＣＯＭ）对负序、谐波和无功进行综合补偿的治理方案，具有功率补偿效率高、响应速度快等优势，但三相电压高达１１０ｋＶ及以上，ＤＳＴＡＴＣＯＭ主电路承受电压过大，增加了工程应用的复杂度和难度。铁路功率调节器（ＲａｉｌｗａｙＰｏｗｅｒＣｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ，ＲＰＣ１能对电气化铁路的负序、谐波和无功等电能质量问题进行综合治理【ｌｏ。乃Ｊ，在无功补偿无功的同时直接实现有功功率的转移并具有有源滤波功能，是较为理想的治理方法。但ＲＰＣ的容量需求过大，增加了成本，给工程应用带来较大的难度，也影响其治理效果。为降低ＲＰＣ有源容量以便工程应用，本文提出一种新型低成本适用于电气化铁路的电能质量综合补偿系统，利用ＴＣＲ和ＴＳＣ补偿上下牵引臂的无功功率，ＲＰＣ主要补偿负序及谐波电流，只提供少量无功电流。针对ＴＣＲ、ＴＳＣ及ＲＰＣ无功补偿容量分配问题Ｉ１，提出补偿装置的无功电流分配策略，根据分配策略为补偿装置提供控制信号。仿真和实验结果表明新型补偿系统治理三相不平衡及谐波问题的有效性，且降低传统ＲＰＣ补偿的成本，易于工程应用。１综合补偿装置结构及工作原理综合补偿装置结构如图１所示，包括铁路功率调节器（ＲＰＣ）、晶闸管控制电抗器（ＴＣＲ）和晶闸管投切电容器（ＴＳＣ）三部分，ＲＰＣ含有共用直流电容的两变流器，形成背靠背结构的两单相桥式电路，两变流器通过输出电感经单相降压变压器接入牵引网两供电臂，ＴＳＣ接于供电臂重载侧用以补偿容性无功，ＴＣＲ接于供电臂轻载侧用以补偿感性无功。图中、、为三相供电电压，、分别为ａ相供电臂和ｂ相供电臂的牵引电源电压，厶、，ｈ分别为ａ相和ｂ相供电臂的牵引电流，、分别为两供电臂的牵引机车负载电流，ｋ、ｃ为综合补偿装置分别对两牵引供电臂的补偿电流。综合补偿装置利用ＴＣＲ及ＴＳＣ进行绝大部分的无功功率调节，ＲＰＣ只需提供极少量的无功连续调节，其容量主要用来进行有功调节以补偿负序电流，并抑制谐波。该补偿方案综合考虑了Ｖ／Ｖ牵引变压器容量利用率、综合补偿系统的负序电流治理能力、谐波抑制效果和ＲＰＣ的有源容量利用率。将ＲＰＣ等效为受控电流源，将逆变器等效为一个高频开关电压源，逆变器输出电抗的等效阻抗为ＺＦ，其等效电路如图２。ｕｓ为电网电压；、ＺＦ、ＡＢＣ铁路功率凋器图１新型电气化铁路电能质量综合补偿系统Ｆｉｇ．１ＡｎｅｗｅｌｅｃｔｒｉｆｉｅｄｒａｉｌｗａｙｐｏｗｅｒｑｕａｌｉｔｙｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍＺＬ分别为电网阻抗，输出电抗器阻抗，负载阻抗；为负载谐波电流。假设降压变压器的变比为ＫＢ：Ｉ，图中逆变输出电源ＵＦ＝ＫＢｕｉ，其中为逆变器实际输出电压，故可推得电源与逆变器输出电流ｃ的关系为㈤＝＝㈣ｊｎｖＦ。“ｓＬ其中：ｊｚｒＫｅ２＋）＋（。＋）］【Ｚ＝Ｒ＋（ａ１等效电气模型时图２综合补偿系统负序补偿原理图Ｆｉｇ．２Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｎｅｇａｔｉｖｅｓｅｑｕｅｎｃｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ在铁路正常运营时，一般情况下，两供电臂牵引机车负载功率不同，存在一边负荷较重另一边负荷较轻的情况。假定，ａＬ＞／ｂＬ，即ａ相供电臂为重载侧，ｂ相供电臂为轻载侧，同时为了便于分析，假设牵引变压器变比为ｌ，绘制综合补偿系统负序补偿原理如图３所示。滞后于的相角为３０。，滞后于的相角为６０。。ａ相供电臂补偿电流厶ｃ由有功电流厶。ｃ和无功电流厶。ｃ两部分组成。一ｌ一Ｌ２孟金岭，等适用于高速电气化铁路的低成本电能质量综合补偿装置．７５．而在ｂ相牵引供电侧补偿一定的感性无功电流ｃ使电流滞后该桥臂电压３０。。此时，补偿之后得到的两供电臂电流厶、分别与牵引变压器一次侧，Ａ、重合，相角相差１２０。，原边三相电流完全对称，负序电流为０。ｂｑＣ（ａ）ｒ乜压向龄（ｂ）电流向最２负序和谐波电流检测及无功电流分配图３综合补偿系统负序补偿原理图Ｆｉｇ．３Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｎｅｇａｔｉｖｅｓｅｑｕｅｎｃｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ为补偿牵引供电系统三相交流侧负序，ＲＰＣ从ｂ相牵引供电臂转移一定的有功能量到ａ相牵引供电臂为ａ相供电臂牵引机车供电，图３中体现为ａ相牵引供电臂中有幅值为式ｆ２）的电流由ｂ相牵引电源供给。此时两供电臂负载电流的幅值相等，相角相差６０。。然后，在ａ相牵引供电侧，投切多组ＴＳＣ，同时由ＲＰＣ提供少量的容性无功，满足补偿的容性无功电流总和为厶使电流超前该桥臂电压３０。，图４给出了综合补偿系统的有功、无功及谐波电流检测算法和无功电流分配策略。控制系统通过检测三相交流侧Ａ相电网电压过零点作为参考相位。检测ａ相供电臂和ｂ相供电臂电压得到机车负载电流的同步信号。根据无功需求计算ＴＳＣ的投入组数、ＴＣＲ的导通角以及ＲＰＣ的无功补偿容量。由ＲＰＣ无功补偿容量得到无功电流指令信号，叠加需补偿的负序电流及谐波电流分量得到ＲＰＣ的输出电流参考指令信号。图４综合补偿系统负序补偿原理图Ｆｉｇ．４Ｓｃｈｅｍ￣ｉｃｄｉａｇｒａｍｏｆｎｅｇ￣ｉｖｅｓｅｑｕｅｎｃｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ设ａ相供电臂和ｂ相供电臂负载瞬时电流分别为∑ＩａｈＬｓｉｎ（ｈａ￣＋Ｏａｈ）ｈ＝２（３）∑ＩｂｈＬｓｉｎ（ｈｏｏｔ＋Ｏｂｈ）其中：，ａｐＬ和分别为ａ相、ｂ相供电臂的基波有功电流幅值；Ｌ和ｈＬ分别为ａ相、ｂ相供电臂第ｈ次谐波电流幅值；＠ａｈ和ｈ分别为两供电臂ｈ次谐波的相位。两供电臂电流分别与两供电臂电压和经—锁相环产生的电压同步信号ｓｉｎ（ｗｔｈｉ６）和ｓｉｎ（ｗｔ－ｎ／２）相乘并化简，得到两供电臂的瞬时有功功率和尸ｂ为＝—厶Ｌ１Ｌｓｉｎ（２，一）＋（４）０ａｈ）Ｓｉ，一＝ＩｂｐＬ－－／ｂｐＬｓｉｎ（２ｒｏｔ－ｘ）＋㈤差，ｎＬｓｉｎ（ｈｏ９＋九ｎ）ｓｉｎ（ｆ一）●ｒＩ●●●●●ｒＪ一７６－电力系统保护与控制将Ｐ和尸ｂ相加后经低通滤波器得到其直流分综上所述，ＲＰＣ的参考指令信号为量之和为一一１Ｐａ＋Ｐｂ＝÷（Ｌ＋Ｌ）（６）式（６）为两供电臂负载基波电流峰值的平均值，即负序补偿电流的幅值指令信号。由于交直交电力牵引机车功率因数接近于１，上式可将基波视在功率近似为基波有功功率。根据综合补偿系统负序补偿原理可知，在ａ相和ｂ相牵引供电臂侧需补偿的容性无功分别为＝半ｔａｎ３０。—’Ｉａｆ，ｌ：．ｔａｎ３０。Ｌ。２设每组ＴＳＣ所补偿的无功功率容量为－ｊＱＴｓｃ（负号表示容性无功），两供电臂侧的ＴＳＣ组数均为则ａ相供电臂侧ＴＳＣ组投切的组数为’０ｍａ蠢其中，［】表示取整，且。同时设ＴＣＲ的无功功率容量为ｊｃＲ，补偿范围为Ｏ￣ＱＴｃＲ。则ｂ相供电臂侧由ＴＣＲ补偿的无功为Ｑ＝ｍ×ＱＴｓｃ＝ｒ／ｘｃＲ（９）其中，０ｒ／１。则ＲＰＣ分别向ａ相、ｂ相牵引供电臂补偿的无功功率为—ｊＱＲＰｃａｊ（ＱａａＱＴＳＣ）（１０１ｌＱＲＰＣｂ＝Ｊ（Ｑ一ｍＱＴｓｃ）ＲＰＣ分别向两供电臂补偿的无功量要小于单组ＴＳＣ的无功容量，因此ＲＰＣ容量得到有效降低。ＴＳＣ补偿的容性无功电流为ｓｃ＝ｍａｓｃｂ（１１）其中，ｓｃｂ为单组ＴＳＣ的补偿电流。ＴＣＲ补偿的感性无功电流为ＩＴｃＲ＝ＩＴｓｃ（１２）由上式可求得ＴＣＲ的导通角。故ａ相供电臂和ｂ相供电臂需ＲＰＣ补偿的无功电流分别为ｒ・，＝ＩＬａｑＩＴｓｃ）ｓｉｎ（２３）ｆ１３１—ＩＩｂＲＰＣｑ＝（ＬｂｑＩＴｃＲ）ｓｉｎ（ｗｔ一７ｃ）｛ｊ：ｉｎ（耐一６）＋ｊ一也：…（／２）４简化得：一＋ｓｉｎ（一６）＋一｛．二二（１５）：一＋ｓｉｎ（聊一兀／２）＋一３仿真分析为了验证补偿方案原理上的正确性以及控制策略的有效性，本文在电力系统仿真软件（ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＳｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ＰＳＩＭ）中搭建了高速电气化铁路电能质量综合补偿系统仿真模型。由于高速铁路两供电臂功率因数接近于１，在Ｖ／ｖ牵引供电方式下的仿真模型，将电力机车等效为电阻与谐波电流源并联，忽略接触网导线阻抗。模拟负序电流最大的工况，假设ａ供电臂有机车负载，ｂ供电臂无机车负载。ＲＰＣ系统的具体仿真参数见表１。表１ＲＰＣ系统仿真参数Ｔａｂｌｅ１ＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆＲＰＣｓｙｓｔｅｍ三相交流侧电压２２０ｋＶ侧系统等效电阻２２０ｋＶ侧系统等效电感三相Ｖ／ｖ牵引变压器变比两供电臂系统阻抗电感两供电臂系统阻抗电阻降压变压器变比（理想）ＲＰＣ交流侧输出滤波电感直流侧电容晶闸管投切电容器容量及组数晶闸管控制电抗器容量及组数２２０ｋＶ０．０１ｎ０．２ｍＨ２２０：２７．５０－２ｍＨＯ．０ｌＱ２７．５：１１．５ｍＨ２００００ｕＦ１Ｍｗ，２组１ＭＷ，２组假设机车功率为８ＭＷ，ｂ供电臂空载，０．１Ｓ时刻投入ＲＰＣ，０．２ｓ时刻投入ＴＳＣ和ＴＣＲ，０．４Ｓ时切除等效负载，总仿真时间为０．６Ｓ。３．１负序补偿能力为对综合补偿系统的负序治理能力进行分析，进行了仿真验证，仿真结果如图５所示。由图５（ａ）可知，ａ供电臂电流达到２９０Ａ，ｂ供电臂无电流；由图５（ｂ）可知，０．１Ｓ前２２０ｋＶ侧电网Ａ相、Ｃ相电流达到３５Ａ，而Ｂ相电流几乎为０，孟金岭，等适用于高速电气化铁路的低成本电能质量综合补偿装置—．７７６００４００２０００２００—４００—６００¨＿舞＿¨。。。．＿／＼／＼＼／“；０ＯＯ０Ｏ２００４００６００８０１０ｔ／ｓ（ａ）Ｏ１Ｓ前供电臂电流Ｉａ：、／八／，＼，八６００００４００Ｏ０２０００００．００２００．００４００００ｔ／ｓ（ｂ）Ｏ１Ｓ前电网电流厂、，ｉＯｌＯＯＯ１２５７５ＯＯ５０ＯＯ２５００Ｏ０Ｏ～２５０Ｏ～５０００—７５００ｌＯＯ．Ｏ０６００ＯＯ４００．ＯＯ２００．ＯＯ０．ＯＯ２００Ｏ０—４００．Ｏ０—６００ＯＯ４０ＯＯ２０Ｏ０ＯＯＯ一２０．０Ｏ一４０ＯＯ一６０Ｏ０Ｏ１５ＯＯ１７５０２００ｔ／ｓ（ｃ）Ｏｌ加２ｓ供电臂电流隅丁¨ｔ／ｓ（ｄ）０ｌ加．２Ｓ电网电流ＩＩＯ２ＯＯ．２２Ｏ２４０２６０２８０３Ｏｔ／ｓ（ｅ）Ｏ２加３Ｓ供电臂电流０－２ＯＯ２２０．２４０２６０２８０３０Ｕｓ（ｆ）Ｏ２＂－０．３Ｓ电网电流图５综合补偿系统治理前后供电臂及电网电流波形Ｆｉｇ．５Ｃｕｒｒｅｎｔｗａｖｅｆｏｒｍｓｏｆｓｕｐｐｌｙａｒｍａｎｄｔｈｅｇｒｉｄｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｐｕｔｔｉｎｇｔｈｅｄｅｖｉｃｅｉｎｔｏｏｐｅｒａｔｉｏｎ电流不平衡度达到１００％。投入ＲＰＣ后，电流波形如图５（ｃ）和图５（ｄ）。２７．５ｋＶ侧ａ相与ｂ相供电臂电流基本相等，约为１４５Ａ，且ｂ供电臂电流滞后ａ供电臂电流６０。；２２０ｌ，Ｖ侧Ａ相、Ｂ相电流约为１８Ａ，电网Ｃ相电流约为３６Ａ，电流不平衡度降低至５０％左右。在０．２Ｓ时投入ＴＳＣ及ＴＣＲ补偿ａ相与ｂ相供电臂的无功电流，２７．５ｋＶ侧与２２０ｋＶ侧电流波形如图５（ｅ）和图５（０。由图中可知，ＴＳＣ及ＴＣＲ的投入改变了ａ相与ｂ相供电臂电流的相位关系，ｂ相供电臂电流滞后ａ相１２０。，同时改善了电流治理效果；在２２０ｋＶ侧，三相电流幅值约为２２Ａ，相位相差约６０。，三相电流不平衡度接近于０。３．２谐波抑制能力由于高速铁路牵引供电系统的谐波危害主要体现在中低频谐波上，本文仅针对３次、５次、７次谐波进行分析。５００ＯＯ４００００３０００Ｏ２００００１０００００ＯＯ３００００２５００Ｏ２００ＯＯｌ５ＯＯＯ１ＯＯＯＯ５０ＯＯ０ＯＯ２５００Ｏ２０００Ｏｌ５０ＯＯ１００００５０００ＯＯＯ——＾为００．００ｌＯ０．Ｏ０２００、００３００．００４００．００５００，００６００．００ｆ／Ｈｚ（ａ）补偿前２７５ｋＶ侧供电臂电流频谱．，，札ｉ。ｆ／Ｈｚ（ｂ）仅投入ＲＰＣ时２７５ｋＶ侧供电臂电流频谱Ｊ，ｌｔ００００（ｃ）综合补偿装置投入后２７５ｋＶ侧供电臂电流频谱图６综合补偿装置治理前后供电臂电流频谱Ｆｉｇ．６Ｃｕｒｒｅｎｔｓｐｅｃｔｒｕｍｏｆｓｕｐｐｌｙａｒｍｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｐｕｔｔｉｎｇｔｈｅｄｅｖｉｃｅｉｎｔｏｏｐｅｒａｔｉｏｎ如图６可知，在对模拟牵引系统进行治理前，２７．５ｋＶ侧３次、５次、７次谐波电流分别为３７Ａ、１０Ａ、３Ａ；在０．１～０．２Ｓ间，投入ＲＰＣ进行电能治理，３次、５次、７次谐波电流降低至ｌ３Ａ、８Ａ、５电力系统保护与控制Ａ；在０．２～０．４Ｓ间，ＲＰＣ与ＴＣＲ及ＴＳＣ联合进行电能治理，３次、５次、７次谐波电流降低至５Ａ、４Ａ、３Ａ左右。４实验研究为验证高速铁路综合补偿系统的补偿效果，搭建１／１００容量实验样机平台，样机总体设计结构如图７所示。实验样机平台采用三相３８０Ｖ低压电网３８０Ｖ，容量均为１００ｋ＼的单相干式变压器模拟Ｖ／ｖ牵引变压器，ａ相供电臂和ｂ相供电臂通过两个变比均为１：１的单相降压变压器与ＲＰＣ相连，实现电气隔离；ＴＳＣ和ＴＣＲ分别挂接在ａ相供电臂和ｂ相供电臂下；牵引电力机车采用ＰＷＭ整流方式的电阻负载模拟。ＲＰＣ由有源部分、２个单相全桥电路组成；数字控制系统选用主频１５０ＭＨｚ的数字信号处理器ＴＭＳ３２０ＤＳＰ２８３３５实现综合补偿系统的模拟高速铁路三相供电网，两台原边电压等级为下位机控制。ｒｌＡ，Ｂ、●』ｂＬ＝０ＢＡｉＩ、、、…（。』…ｌ．］图７综合实验平台Ｆｉｇ．７Ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｐｌａｔｆｏｒｍ在上述实验平台上测得的补偿装置投入前后好的综合补偿效果。的实验电流波形如图８所示。从图８Ｃａ）可以看出，补偿前由于ａ供电臂有负载而ｂ供电臂无负载，在电网侧Ａ相电流与Ｃ相电流约为６０Ａ且含有一定谐波，此时负序电流含量很大。ＲＰＣ投入后，Ａ相、Ｂ相电流约为３０Ａ且相位相差约６０。，Ｃ相电流约为６０Ａ且相位滞后于Ａ相电流约２１０。，三相电流不平衡度降低且相对ＲＰＣ治理前，电流波形更为平滑，谐波电流得到了很好的抑制，如图８（ｂ）。ＲＰＣ与ＴＳＣ和ＴＣＲ联合治理后三相电流基本平衡，谐波含量少，电网侧电流波形如图８（ｃ）。实验结果表明，新型补偿系统具有良（ａ）补偿前３８０Ｖ侧电流波形孟金岭，等适用于高速电气化铁路的低成本电能质量综合补偿装置．．７９．．兰．ｎ三ｆｂ）仅投入ＲＰＣ补偿时３８０Ｖ侧电流波形（Ｃ）综合补偿装置投入后３８０Ｖ侧电流波形图８实验电流波形Ｆｉｇ．８Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｃｕｒｒｅｎｔｗａｖｅｆｏｒｍｓ５结论（１）新型高速电气化铁路综合补偿装置，采用ＴＣＲ补偿轻载供电臂，多组ＴＳＣ补偿重载供电臂，ＲＰＣ补偿负序电流和谐波电流，并提供小额无功功率以ＴＳＣ实际补偿容量，在保证补偿效果的同时，有效降低ＲＰＣ有源部分容量。（２）仿真分析与实验结果表明本文所提新型高速电气化铁路综合装置能有效补偿系统的负序电流，降低三相不平衡度，有效抑制电网谐波，从而证明本文无功分配策略的正确性和装置进行电能质量综合补偿的有效性。（３）新型补偿结构降低了ＲＰＣ单独补偿的成本，负序及谐波补偿能力强，易于工程应用，具有推广价值。参考文献［１］徐永海，刘书铭，朱永强，等．并联型有源滤波器的补偿策略研究［Ｊ］．电力系统保护与控制，２０１０，３８（８）：—７１７４．——ＸＵＹｏｎｇｈａｌ，ＬＩＵＳｈｕ－ｍｉｎｇ，ＺＨＵＹｏｎｇｑｉａｎｇ，ｅｔａ１．Ｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｓｈｕｎｔａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｆｉｌｔｅｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｓｔｒａｔｅｇｙ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１０，—３８（８）：７１７４．［２］ＬＵＯＡｎ，ＭＡＦｕ－ｊｕｎ，ＷＵＣｈｕａｎ－ｐｉｎｇ，ｅｔａ１．Ａｄｕａｌ・ｌｏｏｐｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｏｆｒａｉｌｗａｙｓｔａｔｉｃｐｏｗｅｒｒｅｇｕｌａｔｏｒｕｎｄｅｒ～ｅｌｅｃｔｒｉｃｔｒａｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｐｏｗｅｒｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ—ＴｒａｎｓＯｉｌＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１１，２６（７）：２０７９２０９１．［３］刘勇，杨仁刚，冯小明．三相不平衡电流补偿控制器—的设计［Ｊ］．电力系统保护与控制，２００９，３７（４）：７０７２．ＬＩＵＹｏｎｇ，ＹＡＮＧＲｅｎ－ｇａｎｇ，ＦＥＮＧＸｉａｏ－ｍｉｎｇ．Ｄｅｓｉｇｎｏｆｕｎｂａｌａｎｃｅｄｃｕｒｒｅｎｔｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ［Ｊ］．Ｐｏｗｅｒ—ＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２００９，３７（４）：７０７２．［４］卢志海，厉吉文，周剑．电气化铁路对电力系统的影—响［Ｊ］．继电器，２００４，３２（１１）：３３３６．—ＬＵＺｈｉ－ｈａｉ，ＬＩＪｉｗｅｎ，ＺＨＯＵＪｉａｎ．Ｔｈｅｉｍｐａｃｔｏｆｅｌｅｃｔｒｉｆｉｅｄｒａｉｌｗａｙｏｎｅｌｅｃｔｒｉｃｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｒｅｌａｙ，２００４，３２（１１）：３３－３６．——［５］ＨｏｓｎｙＷＰａｒｋＨａｎＥｏｌ，ＳｏｎｇＪｏｏｎｇＨｏ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎｏｆｓｈｕｎｔａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｆｉｌｔｅｒｓｉｎｒａｉｌｗａｙｓｙｓｔｅｍｓ，ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ［Ｃ］／／ＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＰｏｗｅｒＱｕａｌｉｔｙａｎｄＵｔｉｌｉｓａｔｉｏｎ（ＥＰＱＵ）１ｌｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，２０１１：１．６．［６］姚金雄，张涛，林榕，等．牵引供电系统负序电流和谐波对电力系统的影响及其补偿措施［Ｊ］．电网技术，２００８，３２（９）：６１・６４．ＹＡＯＪｉｎ－ｘｉｏｎｇ，ＺＨＡＮＧＴａｏ，ＬＩＮＲｏｎｇ，ｅｔａ１．Ｉｍｐａｃｔｓｏｆｎｅｇａｔｉｖｅｓｅｑｕｅｎｃｅｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｈａｒｍｏｎｉｃｓｉｎｔｒａｃｔｉｏｎｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍｆｏｒｅｌｅｃｔｒｉｆｉｅｄｒａｉｌｗａｙｏｎｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍａｎｄｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｍｅａｓｕｒｅｓ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍ—Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００８，３２（９）：６１６４．—１７］ＷＵＣｈｕａｎｐｉｎｇ，ＬＵＯＡｎ，ＳＨＥＮＪ，ｅｔａ１．Ａｎｅｇａｔｉｖｅ—ｓｅｑｕｅｎｃｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎａｔｗｏｐｈａｓｅｔｈｒｅｅ・－ｗｉｒｅｃｏｎｖｅｎｅｒｆｏｒａｈｉｇｈ－－ｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙｔｒａｃｔｉｏｎｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＩＥＥＥＴｒａｎｓｏｎＰｏｗｅｒ—Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，２０１２，２７（２）：７０６７１７．［８］赵伟，涂春鸣，罗安，等．适用于电气化铁路的单相注入式混合有源滤波器［Ｊ］．中国电机工程学报，２００８，２８（２１、：５１－５６．—ＺＨＡＯＷｅｉ，ＴＵＣｈｕｎｍｉｎｇ，ＬＵＯＡｎ，ｅｔａ１．Ａｎｏｖｅｌｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅｈｙｂｒｉｄａｃｔｉｖｅｆｉｌｔｅｒａｐｐｌｉｅｄｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｒａｉｌｗａｙｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＣＳＥＥ，２００８，２８（２１）：５１－５６．１９］ＬＵＯＡｎ，ＦＵＱｉｎｇ，ＷＡＮＧＬｉ－ｎａ，ｅｔａ１．Ｈｉｇｈ・ｃａｐａｃｉｔｙｈｙｂｒｉｄｐｏｗｅｒｆｉｌｔｅｒｆｏｒｈａｒｍｏｎｉｃｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎａｎｄｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｉｎｔｈｅｐｏｗｅｒｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＣＳＥＥ，２００４，２４（９）：１１５－１２３．．８Ｏ一电力系统保护与控制［１０］王果，田铭兴，任恩恩．降低电气化铁路混合有源补偿装置有源支路容量的分析［ＪＪ．电力自动化设备，２０１０，３０（９）：１８－２３．——ＷＡＮＧＧｕｏ，ＴＩＡＮＭｉｎｇｘｉｎｇ，ＲＥＮＥｎｅｌ１．Ｒｅｄｕｃｅｄａｃｔｉｖｅｐａｒｔｒａｔｉｎｇｏｆｈｙｂｒｉｄａｃｔｉｖｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｆｏｒｅｌｅｃｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｒａｉｌｗａｙ［Ｊ］．ＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＡｕｔｏｍａｔｉｏｎＥｑｕｉｐｍｅｎｔ，２０１０，３Ｏ（９）：１８－２３．［１１］焦明明，杨仁刚，牛焕然．配电网高低压综合电压无功优化方法【Ｊ］＿电力系统保护与控制，２０１０，３８（２４）：１３７－１７７．——ＪＩＡＯＭｉｎｇｍｉｎｇ，ＹＡＮＧＲｅｎｇａｎｇ，ＮＩＵＨｕａｎ－ｒａｎ．Ｖｏｌｔａｇｅａｎｄｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍｉｎｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓ￣ｍ—ＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１０，３８（２４）：１３７１７７．［１２］唐敏，李群湛，贺建闽．牵引变电所无功谐波综合补偿方案研究［Ｊ］．电网技术，２００４，２８（２）：４７．５２．ＴＡＮＧＭｉｎ，ＬＩＱｕｎ－ｚｈａｎ，ＨＥＪｉａｎ．ｍｉｎ．Ｓｔｒｕｃ￣ｒｅｏｆｈｙｂｒｉｄｐｏｗｅｒｆｉｌｔｅｒｆｏｒｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒａｎｄｈａｒｍｏｎｉｃｃｕｒｒｅｎｔｓｉｎｔｒａｃｔｉｏｎｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙ￣ｅｍ—Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００４，２８（２）：４７５２．［１３］赵伟，罗安，曹一家，等．三相．两相牵引变电所用无功动态补偿与谐波治理混合系统的研究【Ｊ】．中国电机工程学报，２００９，２９（２８）：１０７．１１３．ＺＨＡＯＷｅｉ，ＬＵＯＡｎ，ＣＡＯＹｉ－ｊｉａ，ｅｔａ１．Ｈｙｂｒｉｄｖａｔａｎｄｈａｒｍｏｎｉｃｄｙｎａｍｉｃｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｔｏｔｈｒｅｅ－ｔｗｏｐｈａｓｅｔｒａｃｔｉｏｎｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＣＳＥＥ，２００９，２９（２８）：１０７－１１３．［１４］董祥，李群湛，黄军，等．适用于电气化铁路的无功谐波电流检测方法研究［Ｊ］．电力系统保护与控制，２００９，３７（６）：３２－３５．ＤＯＮＧＸｉａｎｇ，ＬＩＱｕｎ－ｚｈａｎ，ＨＵＡＮＧＪｕｎ，ｅｔａ１．Ｄｅｔｅｃｔｉｎｇｍｅｔｈｏｄｓｏｆｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒａｎｄｈａｒｍｏｎｉｃｃｕｒｒｅｎｔｉｎｅｌｅｃｔｒｉｆｉｅｄｒａｉｌｗａｙｓｙｓｔｅｍｓ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙ￣ｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２００９，３７（６）：３２．３５．—收稿日期：２０１２－０９２８；修回Ｅｌ期：２０１２－１１－３０作者简介：孟金岭（１９８６一），男，硕士，研究方向为电力系统谐波治理与无功补偿技术、电气节能技术。Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｉｎｌｉｎｇ＿ｍｅｎｇ＠１６３．ｃｏｍ