电气化铁道供电系统与设计「性价比高的日系车排行」

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湖南大学电气与信息工程学院的研究人员王鹏程、李勇、安柏楠、张志文、王姿雅，在2019年第21期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“基于不对称接线平衡变压器的电气化铁路电能质量混合调节系统”），针对电气化铁路电能质量调节系统存在的补偿容量大、系统造价高等问题，提出了一种由铁路功率调节器（RPC）和感应滤波变压器（IFRT）组成的混合补偿系统。IFRT二次侧滤波绕组可在低压侧对供电臂侧特定次谐波进行滤除，同时补偿无功功率，显著降低有源系统容量。

首先，基于系统拓扑结构详细分析了电气化铁路电能质量混合调节系统（ACBT-HPQCS）的工作原理。然后，对某牵引变电所实测负荷数据进行分析，给出了滤波支路设计方法，并采用阻尼注入式无源控制方法对变流器进行控制。最后，分别对所提系统进行仿真及实验分析。结果表明，ACBT-HPQCS在显著降低有源系统容量的同时具有良好的电能质量治理效果。

电气化铁路特殊的供电方式及电力机车的固有特性给牵引供电系统带来了负序、谐波电流和无功功率等电能质量问题，威胁铁路安全运行的同时又增加铁路部门运营成本。

目前，我国的牵引变电所主要采用换相接入公共电网的方式缓解负序电流的影响，但由于牵引负荷随机波动，效果并不理想。供电臂上安装单相静止同步补偿器（Static Synchronous Compensator, STATCOM）相对于高压侧安装三相STATCOM可降低其电压等级，但不能提供两相负载有功功率平衡通路。

早期的牵引供电系统采用静止无功补偿器（Static Var Compensator, SVC）对无功功率进行动态补偿，但过高的电压等级使其投资过高而未能大量应用。日本学者提出的铁路功率调节器（Railway static Power Conditioner, RPC）结构简单且通用性强，对电气化铁路存在的电能质量问题具有较好的治理效果，但补偿容量大导致的高投入问题限制了推广应用。

已有学者在RPC基础上进行了诸多改进，有学者提出了一种无辅助变压器的绕组补偿结构，取消了辅助变压器可节省一定成本。有学者采用磁控静止无功补偿器（Magnetic Static Var Compensator, MSVC）与RPC混合补偿结构，虽降低了RPC容量但控制难度增加。有学者采用晶闸管控制3次滤波器与RPC并联连接，有效降低RPC容量，但控制系统响应速度及稳定性难以保证。平衡变压器有较好的抑制负序电流的能力，可降低RPC容量，是一种较为理想的牵引变压器。

为充分发挥RPC的优势，降低补偿系统成本，本文提出一种基于不对称接线平衡变压器的电气化铁路电能质量混合调节系统（Asymmetrical Connection Balance Transformer based Hybrid Power QualityControl System, ACBT-HPQCS），如图1所示。

该系统中不对称接线平衡变压器（Asymmetrical Connection Balance Transformer, ACBT）作为主牵引变压器，引入感应滤波变压器（Inductively FilteredRectifier Transformer, IFRT）[13-14]代替普通隔离降压变压器，不仅隔离了供电臂与补偿装置间的电气连接，降低负荷电流冲击对系统稳定性的影响，而且可在变压器二次侧实现特定次谐波抑制，降低系统损耗。

此外，调谐支路（FilterTuned branches, FT）还具有无功补偿的功能。RPC与IFRT的混合式结构可实现动态综合补偿，显著降低有源器件的容量及损耗，降低投资成本并延长补偿系统使用寿命。

图1 ACBT-HPQCS拓扑结构

图6 系统控制框图

图9 实验系统

本文提出一种基于平衡变压器的混合补偿系统。分析了牵引供电系统电能质量问题产生的机理，给出了补偿系统相量图，采用IFRT代替传统隔离变压器，在滤波的同时补偿无功功率。基于实测负荷数据的分析，给出了无源器件容量设计方法，在保证补偿效果的同时降低了系统造价；采用阻尼注入式无源控制方式对交流量进行快速跟踪，保证系统的稳定性。

最后，对某牵引变电所算例的仿真与实验结果表明，所提系统可显著降低有源部分容量，在不降低补偿效果的同时，显著提高HPQCS的性价比，具有重要的工程应用价值。