电铁功率融通型电能质量综合治理技术
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电铁功率融通型电能质量综合治理技术
周方圆，龚 芬，邱文俊，吕顺凯
（株洲变流技术国家工程研究中心有限公司，湖南株洲 412001）
摘要：针对高速电气化铁路特有供电模式和复杂电力机车运行工况导致牵引供电系统负序、电压波动和谐波等电 能质量问题，以 V/v 接线变压器的牵引变电所为背景，提出一种基于降压变压器次边绕组多重化、多个背靠背 H 桥功率单元并联接入的功率融通型电能质量综合治理技术，介绍了主电路拓扑结构和运行原理，分析其等效电气 模型，详细论述了有功融通、无功和谐波参考电流计算以及基于 dq 解耦控制方法，所研制的 27.5kV/2*4MVA 功 率融通型电能质量综合治理装置在某牵引变电所实现挂网运行，该装置投入后：110kV 侧三相电压和电流保持同 相位，电压波动小，电压不平衡度基本控制在 0.2%左右；谐波电流满足国标要求，系统功率因数提高至 0.95 以 上；从而验证了该装置主电路参数、控制保护系统等的正确性和可行性。 关键词：铁路运输；高速铁路；功率融通；负序电流；无功补偿；解耦控制
3
重载桥臂补偿一定的容性无功电流， 使电流超前该桥臂电压 π/ 6， 而在另一桥臂补偿一定的感性无功电流， 使电流滞后该桥臂电压 π/ 6。此时，两个牵引供电臂有功、无功电流目标信号可表示为：
iap I ap Ibp 2
sin ຫໍສະໝຸດ Baidu 6
（4）
ibp
I ap Ibp 2
2 系统补偿电流检测
2.1 补偿目标
图 1 中，设 UA、U B、U C 为 V/V 牵引系统原边侧三相电压，Ua、Ub 为副边电压；设 A 相电网电压
u A t sin t ，则 u t sin t ， u t sin t ；牵引供电臂负载电流 i L 和 i L 用傅里叶 6 2
2
受控电压源 V，只需控制其大小，即可实现与电源之间的功率交换。
T1 iam1 uam1 T2 T3 Udc1 C T4
i
Us
L
ωLi
－＋
R
V ＋－
图 2 功率单元拓扑结构
图 3 等效电路
通过 dq 变换，将单相交流量变换成直流量，便于电流的解耦控制和有功无功的独立调节。在单相供 电臂电网电压平衡条件下，交流侧的电压平衡关系可以表示为：
（3）
式中， I pL 和 I pL 分别为两个牵引供电臂负载电流的有功分量幅值； I n 和 I n 分别为两个牵引供电臂 n 次谐波电流； n 和 n 为 n 次谐波电流相角。因此，该装置不仅需要消除变压器原边的负序电流，且需 提供功率因数及补偿主要次谐波。 在补偿前，两桥臂分别有有功机车负载电流，首先通过功率融通型电能质量综合治理装置将两牵引臂 有功电流差值 1/2，从轻载侧转移到重载侧，此时两桥臂电流的幅值相等，相角相差 π/ 3。在此基础上，在
级数表示为：
i L I pL sin t I n sin nt n 6 n2
（2）
i L I pL sin t I n sin nt n 2 n2
1 装置系统结构及原理
1.1 系统主电路构成
考虑到 V/v 牵引变压器结构简单、容量利用率高等优点，目前国内高速铁路供电系统广泛采用，故本 文的研究对象为 V/v 型牵引供电系统。功率融通型电能质量综合补偿系统主电路拓扑结构如图 1 所示。设 V/v 变压器副边左端为 a 相供电臂，另一边为 b 相供电臂。该装置通过 2 个单相多重化变压器的原边分别 与两供电臂连接，次边分别接至 H 桥功率模块，两功率模块采用背靠背布置，两直流侧电容间设计有二次 谐波 LC 滤波支路。该功率融通型电能质量综合补偿装置充分考虑了设备容量的合理性设计，能将有功功 率从一供电臂转移至另一供电臂，同时还能进行无功补偿和谐波抑制，达到提高牵引变压器容量利用率和 牵引网电压水平的效果，大大提高了工程应用可行性。
图 1 装置一次系统
1.2
等效电气模型分析
该装置功率单元拓扑结构如图 2 所示，由 4 个 IGBT 和直流侧电容构成。Udc1 为电容 C 两端的电压； uam1 为功率单元端口输出电压；iam1 为功率单元端口输出电流。通过控制 IGBT 通断状态，可在交流侧 输出 0、Udc1、-Udc1 三种电压。为了深入分析功率融通型电能质量综合治理装置的有功转移和无功补偿 原理，并考虑到两供电臂结构对称性，建立其单相供电臂等效电气模型，如图 3 所示。该装置等效为一个
sin t 2
（5）
2 I ap Ibp iaq tan sin t 6 2 3 I ap Ibp ibq tan sin t 2 6
（6）
（7）
因此，补偿后的两供电臂电流 iL ' 和 i L ' 分别与牵引变压器一次侧电流 i A 和 i B 重合，相角相差 120 ，原 边侧三相电流完全对称。
2.2
负序补偿电流计算
由于牵引负荷波动较大， 对装置的动态响应要求较高， 因此补偿电流计算实的时性和精确性至关重要。 考虑到对 a 供电臂和 b 供电臂的检测完全相同，因此以 a 供电臂为例进行分析。控制系统通过检测三相交 流侧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。在 式（2）的左右两端同时乘 sin wt ，式（3）的左右两端同时乘 sin wt ，然后将其叠加后通过截止
Research on Power Quality Comprehensive Suppression and Power Transfer in Electric Railway
ZHOU Fangyuan, GONG Fen, QIU Wenjun, LV Shunkai
(Zhuzhou National Engineering Research Center of Converter Co., Ltd., Zhouzhu 412001, China) Abstract: The power quality problems of negative sequence current, voltage fluctuations and harmonic in traction power supply system was caused by the high-speed electric railway’s unique power mode and complex electric locomotive operating conditions. As the background of traction substation with V/v connection transformer, the technology of power quality comprehensive suppression and power transfer was proposed, which introduced the technology of step-down transformer secondary windings multiplexed and some back-to-back H-bridge power units parallel accessed. The main circuit topology, operating principle and equivalent electrical model was analyzed, the reference value calculation of active current, reactive current, harmonic and decoupling control method based on dq were discussed too. The device(27.5kV / 2 * 4MVA) is running in a traction substation, after input, three-phase voltage and current of 110kV side keep the same phase, voltage fluctuation is small, voltage unbalance is in about 0.2%; harmonic current meets the national standard, system power factor is increased to 0.95; which shows the device’s main circuit parameters, control and protection system are accurate and feasible. Keywords: railage, high-speed railway; power transfer; negative sequence current; reactive power compensation; decoupling control 随着高速铁路的大规模建设和行车密度的不断增大， 因其独特的供电方式和机车负载特性， 造成负序、
did L U d U m Liq Vd dt L diq U 0 Li V q d q dt
（1）
式中，U d 、U q 和 id 、 iq 分别为电网基波电压和基波电流的d轴、q轴分量；Vd 、Vq 分别为装置交流侧基波 电压V的d轴、q轴分量；L为交流侧电感值， 为系统角频率。通过控制V与Us的幅值和相角来控制其和牵 引网之间的功率交换，从而保证两个牵引供电臂输出电流幅值相等且均为有功电流，则牵引变压器原边侧 三相电流完全对称。
作者简介： 周方圆， 男， 高级工程师， 研究方向为中高压电能质量控制装置的开发与系统设计； E-mail： gongfen1@csrzic.com 1
无功、谐波以及电压波动等电能质量问题，严重影响了上级电力系统和牵引供电系统本身的供电质量[1-2]。 针对这一问题，国内外学者已进行了大量研究。文献[3]采用大容量的静止同步补偿器（SVG）来补偿 无功和负序电流，但其装设在三相高压侧，装置成本高。日本学者赤木泰文提出的铁路功率调节器 [4] （Railway Static Power Conditioner，RPC）能实现电气化铁路电能质量问题的综合治理，安装在牵引变压 器二次侧，能对无功功率、负序和谐波进行综合补偿，受到世界电铁行业青睐。另外我国在此领域展开了 大量研究，取得了一系列研究成果。文献[5]采用混合型有源滤波器对牵引供电网的谐波电流进行补偿，并 兼作一定容量的无功补偿；文献[6]提出采用小容量多绕组变压器隔离型 SVG 和多组大容量晶闸管投切电 容器（thyristor switched capacitors，TSC）构成的混合治理装置，成本低且补偿效果好，但无法实现有功融 通。 文献[7]中提出一种基于半桥结构的新型高速铁路功率调节器， 该方案不需降压变压器直接接入 27.5kV 侧，级联模块数量多，控制保护设计复杂，实用性不强。2011 年，西南交通大学等单位合作研制的多重化 同相供电系统在四川眉山牵引变电所进行了试验， 试验结果均验证了 RPC 及其结合接触网改造形成的同相 供电系统具备对负序、无功和谐波的综合补偿功能。湖南大学于 2011 年研制了国内首台容量 60kVA RPC 实验样机，通过搭建高速铁路补偿系统模块实验平台进行实验验证[8]。 随着交－直－交电力机车的推广，无功和谐波治理所需容量会进一步降低，而负序治理所需容量会进 一步增加，综合考虑补偿效果和经济效益，因此，本文提出一种功率融通型电能质量综合治理装置。
周方圆，龚 芬，邱文俊，吕顺凯
（株洲变流技术国家工程研究中心有限公司，湖南株洲 412001）
摘要：针对高速电气化铁路特有供电模式和复杂电力机车运行工况导致牵引供电系统负序、电压波动和谐波等电 能质量问题，以 V/v 接线变压器的牵引变电所为背景，提出一种基于降压变压器次边绕组多重化、多个背靠背 H 桥功率单元并联接入的功率融通型电能质量综合治理技术，介绍了主电路拓扑结构和运行原理，分析其等效电气 模型，详细论述了有功融通、无功和谐波参考电流计算以及基于 dq 解耦控制方法，所研制的 27.5kV/2*4MVA 功 率融通型电能质量综合治理装置在某牵引变电所实现挂网运行，该装置投入后：110kV 侧三相电压和电流保持同 相位，电压波动小，电压不平衡度基本控制在 0.2%左右；谐波电流满足国标要求，系统功率因数提高至 0.95 以 上；从而验证了该装置主电路参数、控制保护系统等的正确性和可行性。 关键词：铁路运输；高速铁路；功率融通；负序电流；无功补偿；解耦控制
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重载桥臂补偿一定的容性无功电流， 使电流超前该桥臂电压 π/ 6， 而在另一桥臂补偿一定的感性无功电流， 使电流滞后该桥臂电压 π/ 6。此时，两个牵引供电臂有功、无功电流目标信号可表示为：
iap I ap Ibp 2
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（4）
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2 系统补偿电流检测
2.1 补偿目标
图 1 中，设 UA、U B、U C 为 V/V 牵引系统原边侧三相电压，Ua、Ub 为副边电压；设 A 相电网电压
u A t sin t ，则 u t sin t ， u t sin t ；牵引供电臂负载电流 i L 和 i L 用傅里叶 6 2
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受控电压源 V，只需控制其大小，即可实现与电源之间的功率交换。
T1 iam1 uam1 T2 T3 Udc1 C T4
i
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L
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V ＋－
图 2 功率单元拓扑结构
图 3 等效电路
通过 dq 变换，将单相交流量变换成直流量，便于电流的解耦控制和有功无功的独立调节。在单相供 电臂电网电压平衡条件下，交流侧的电压平衡关系可以表示为：
（3）
式中， I pL 和 I pL 分别为两个牵引供电臂负载电流的有功分量幅值； I n 和 I n 分别为两个牵引供电臂 n 次谐波电流； n 和 n 为 n 次谐波电流相角。因此，该装置不仅需要消除变压器原边的负序电流，且需 提供功率因数及补偿主要次谐波。 在补偿前，两桥臂分别有有功机车负载电流，首先通过功率融通型电能质量综合治理装置将两牵引臂 有功电流差值 1/2，从轻载侧转移到重载侧，此时两桥臂电流的幅值相等，相角相差 π/ 3。在此基础上，在
级数表示为：
i L I pL sin t I n sin nt n 6 n2
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1 装置系统结构及原理
1.1 系统主电路构成
考虑到 V/v 牵引变压器结构简单、容量利用率高等优点，目前国内高速铁路供电系统广泛采用，故本 文的研究对象为 V/v 型牵引供电系统。功率融通型电能质量综合补偿系统主电路拓扑结构如图 1 所示。设 V/v 变压器副边左端为 a 相供电臂，另一边为 b 相供电臂。该装置通过 2 个单相多重化变压器的原边分别 与两供电臂连接，次边分别接至 H 桥功率模块，两功率模块采用背靠背布置，两直流侧电容间设计有二次 谐波 LC 滤波支路。该功率融通型电能质量综合补偿装置充分考虑了设备容量的合理性设计，能将有功功 率从一供电臂转移至另一供电臂，同时还能进行无功补偿和谐波抑制，达到提高牵引变压器容量利用率和 牵引网电压水平的效果，大大提高了工程应用可行性。
图 1 装置一次系统
1.2
等效电气模型分析
该装置功率单元拓扑结构如图 2 所示，由 4 个 IGBT 和直流侧电容构成。Udc1 为电容 C 两端的电压； uam1 为功率单元端口输出电压；iam1 为功率单元端口输出电流。通过控制 IGBT 通断状态，可在交流侧 输出 0、Udc1、-Udc1 三种电压。为了深入分析功率融通型电能质量综合治理装置的有功转移和无功补偿 原理，并考虑到两供电臂结构对称性，建立其单相供电臂等效电气模型，如图 3 所示。该装置等效为一个
sin t 2
（5）
2 I ap Ibp iaq tan sin t 6 2 3 I ap Ibp ibq tan sin t 2 6
（6）
（7）
因此，补偿后的两供电臂电流 iL ' 和 i L ' 分别与牵引变压器一次侧电流 i A 和 i B 重合，相角相差 120 ，原 边侧三相电流完全对称。
2.2
负序补偿电流计算
由于牵引负荷波动较大， 对装置的动态响应要求较高， 因此补偿电流计算实的时性和精确性至关重要。 考虑到对 a 供电臂和 b 供电臂的检测完全相同，因此以 a 供电臂为例进行分析。控制系统通过检测三相交 流侧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。在 式（2）的左右两端同时乘 sin wt ，式（3）的左右两端同时乘 sin wt ，然后将其叠加后通过截止
Research on Power Quality Comprehensive Suppression and Power Transfer in Electric Railway
ZHOU Fangyuan, GONG Fen, QIU Wenjun, LV Shunkai
(Zhuzhou National Engineering Research Center of Converter Co., Ltd., Zhouzhu 412001, China) Abstract: The power quality problems of negative sequence current, voltage fluctuations and harmonic in traction power supply system was caused by the high-speed electric railway’s unique power mode and complex electric locomotive operating conditions. As the background of traction substation with V/v connection transformer, the technology of power quality comprehensive suppression and power transfer was proposed, which introduced the technology of step-down transformer secondary windings multiplexed and some back-to-back H-bridge power units parallel accessed. The main circuit topology, operating principle and equivalent electrical model was analyzed, the reference value calculation of active current, reactive current, harmonic and decoupling control method based on dq were discussed too. The device(27.5kV / 2 * 4MVA) is running in a traction substation, after input, three-phase voltage and current of 110kV side keep the same phase, voltage fluctuation is small, voltage unbalance is in about 0.2%; harmonic current meets the national standard, system power factor is increased to 0.95; which shows the device’s main circuit parameters, control and protection system are accurate and feasible. Keywords: railage, high-speed railway; power transfer; negative sequence current; reactive power compensation; decoupling control 随着高速铁路的大规模建设和行车密度的不断增大， 因其独特的供电方式和机车负载特性， 造成负序、
did L U d U m Liq Vd dt L diq U 0 Li V q d q dt
（1）
式中，U d 、U q 和 id 、 iq 分别为电网基波电压和基波电流的d轴、q轴分量；Vd 、Vq 分别为装置交流侧基波 电压V的d轴、q轴分量；L为交流侧电感值， 为系统角频率。通过控制V与Us的幅值和相角来控制其和牵 引网之间的功率交换，从而保证两个牵引供电臂输出电流幅值相等且均为有功电流，则牵引变压器原边侧 三相电流完全对称。
作者简介： 周方圆， 男， 高级工程师， 研究方向为中高压电能质量控制装置的开发与系统设计； E-mail： gongfen1@csrzic.com 1
无功、谐波以及电压波动等电能质量问题，严重影响了上级电力系统和牵引供电系统本身的供电质量[1-2]。 针对这一问题，国内外学者已进行了大量研究。文献[3]采用大容量的静止同步补偿器（SVG）来补偿 无功和负序电流，但其装设在三相高压侧，装置成本高。日本学者赤木泰文提出的铁路功率调节器 [4] （Railway Static Power Conditioner，RPC）能实现电气化铁路电能质量问题的综合治理，安装在牵引变压 器二次侧，能对无功功率、负序和谐波进行综合补偿，受到世界电铁行业青睐。另外我国在此领域展开了 大量研究，取得了一系列研究成果。文献[5]采用混合型有源滤波器对牵引供电网的谐波电流进行补偿，并 兼作一定容量的无功补偿；文献[6]提出采用小容量多绕组变压器隔离型 SVG 和多组大容量晶闸管投切电 容器（thyristor switched capacitors，TSC）构成的混合治理装置，成本低且补偿效果好，但无法实现有功融 通。 文献[7]中提出一种基于半桥结构的新型高速铁路功率调节器， 该方案不需降压变压器直接接入 27.5kV 侧，级联模块数量多，控制保护设计复杂，实用性不强。2011 年，西南交通大学等单位合作研制的多重化 同相供电系统在四川眉山牵引变电所进行了试验， 试验结果均验证了 RPC 及其结合接触网改造形成的同相 供电系统具备对负序、无功和谐波的综合补偿功能。湖南大学于 2011 年研制了国内首台容量 60kVA RPC 实验样机，通过搭建高速铁路补偿系统模块实验平台进行实验验证[8]。 随着交－直－交电力机车的推广，无功和谐波治理所需容量会进一步降低，而负序治理所需容量会进 一步增加，综合考虑补偿效果和经济效益，因此，本文提出一种功率融通型电能质量综合治理装置。