铁路配电所外部电源电能质量控制技术研究

闫小伟

0 引言

铁路电力供配电系统需要从地方电网接引外部电源，由于地方变电站通常距离铁路配电所较远，较长的供电距离造成铁路配电所受电端电压质量变差，集中表现在电压偏低及电压波动率大，导致负荷端的供电电压偏差超出规范要求的质量标准范围，影响沿线生产和生活设备设施的正常运行。针对该类问题，迫切需要研究开发高性价比、高可靠性、高质量、切实有效的技术装备来提升外部电源电能质量。

1 外部电源存在的问题及影响分析

铁路配电所电能质量由地区变电所馈出电压、输电导线参数、铁路配电所负载特性共同决定。假设地区变电所馈出的电源为理想电压源，则只需要考虑铁路配电所负载特性和输电回路电缆特性对配电所接入点电能质量的影响。

铁路配电所负载的基波电流、谐波电流、无功电流与地区变电站到铁路配电所输电线路参数按照欧姆定律变换后，对配电所入口电压造成影响。因此，输电线路参数是铁路配电所入口电压的主要影响因素。输电线路在空载时，配电所入口处电压（负载侧电压）应等于地区变电所馈出电压（电源侧电压）。然而由于输电线路对地的等效电容效应存在，容性泄漏电流不可避免。下文对容性负载对负载侧电压的影响进行分析。

为方便分析，采用集中参数模型，在负载端空载时，从电源侧到负载侧的电路如图1 所示。

图1 供电系统模型

其中：ω为系统频率；Us为电源侧电压；Uc为负载侧电压；Ul为线路等效电感所产生的压降；Ur为线路等效电阻所产生的压降；I为线路电流；r为线路等效电阻；l为线路等效电感。

比较负载侧电压和电源侧电压，有

从上式可以看出，当不考虑负载侧电流时，负载侧电压Uc与系统谐振频率ω0相关。当ω0远大于ω时，负载侧电压Uc接近于电源侧电压Us；当ω0趋近于ω时，负载侧电压Uc逐渐高于电源侧电压Us；当ω0等于ω时，系统发生谐振，电压Uc为无穷大。在负载侧带载时，从电源侧到负载侧电缆的电阻将导致电压下降。表1 所示为在相同供电容量下（额定功率6 000 kW）不同供电距离和不同电缆截面时电压损失计算结果。

表1 10 kV 电缆电压损失计算结果

按照表1 计算结果，在负载功率确定时，应尽可能选择大截面电缆以减少电压损失。

按照TB 10008—2015《铁路电力设计规范》要求，10（20、6）kV 及以下供配电线路，电压应为额定值的±7%[2]。由于电缆分布参数的影响，随着负载实际运行功率的变化，供电电压出现电压偏低及波动率较大的情况，将导致铁路配电所后端的负荷接入端供电电压偏差超出规范要求范围，影响生产和生活设施的正常运转。基于以上情况，迫切需要研究开发高性价比、高可靠性、高质量、切实有效的技术装备来治理目前存在的电压波动大、电压低等问题。

2 解决配电网低电压问题的常见方法

目前，解决配电网低电压问题常见方法如下：

（1）调整主变压器分接头。由于变电站出线的各配电线路长度及负荷水平不同，通过该方式很难照顾周全，另外调整分接头的范围有限，很难解决长线路末端的低电压问题，并且也无法解决电压波动问题，具有一定的局限性。

（2）在负载侧接入点加装并联补偿电容器。电容器需要远方或就地自动投切，增加系统的复杂程度及安装工作量，且存在日常维护难度大、可靠性差等问题。同时，为达到其他装置同样的调压效果，并联补偿电容器的容量大，造价高；再者，根据电容器的特性：电容器的补偿效果与电压平方成正比，在低电压时补偿效果反而下降；电容器的频繁投切本身就会引起电压波动，严重情况下会造成过电压和无功倒送等问题，调压效果并不理想。

（3）在线路中串联有载调压变压器。该方式存在问题：有载调压变压器为有触头调压，动作频繁，可靠性差，维护工作量大，安全管理难度高，设备自身的有功、无功损耗将会增大线路的网损；其过载能力差，需要加装额外的开关及保护设备对其进行保护，需要停电检修，可靠性差；当线路的无功不足时，调压效果反而更差；安装灵活性差，不宜沿线路分布式安装。

（4）在线路中串联电容器。配电线路短路故障的客观存在可能会导致串接电容器出现过电压并引起电容损坏，因此在实施电容串联补偿时必须充分考虑相关保护措施，导致其控制和保护系统较为复杂。

（5）新建变电站或更换粗导线、缩短供电半径。该方案属于系统性工程改造，投资大，经济性较差、施工建设周期长，施工难度大，且需要停电，同时需占用现有土地资源。

3 串联型电压优化装置

基于以往传统电压优化装置的问题，提出一种利用耦合变压器串联的三电平三相半桥拓扑结构的流控电压源型电压优化装置。

3.1 系统拓扑及基本工作原理

该装置以串联的方式接入电网和负载之间，实时检测电网电压与负载电压的大小，通过最优补偿算法计算所需要补偿的电压缺口，利用流控电压源型电力电子补偿设备输出所需的补偿电压差值，达到稳定负载电压的目的，由于其具有自动识别线路阻抗特性的功能，能够补偿由容性阻抗、感性阻抗、纯阻性引起的电压质量问题。装置系统结构如图2所示。

图2 串联型电压优化装置系统结构

在图2中：QF1为旁路开关，QF2为输入开关，QF3 为输出开关，T1 为串并联变压器，T2 为耦合变压器，A1 为瞬时保护装置。在一般情况下，QF1开关分断，QF2、QF3 开关闭合。

受线路分布参数影响，配电所入口电压波动如图3（a）所示，图2 所示的串联型电压优化装置实时检测该输入电压Us，并与设定额定电压进行比较，提取电压偏差量Uc，控制由AD-DC-AC 电路组成的变流器通过T2 输出电压-Uc，使得输出电压UL=Us+Uc保持稳定，从而实现对电压的优化控制。

图3 串联型电压优化装置电压补偿波形

3.2 三电平三相半桥背靠背拓扑结构变流器

自日本长冈科技大学的A.Nabae 等人提出三电平结构逆变器[3]以来，在大功率高电压应用中，多电平逆变器以其相对于传统的两电平逆变器的诸多优点，迅速成为研究热点。多电平逆变器优点：输出电压波形包含多个电平台阶，其包络更接近正弦波，电压谐波含量小，所需的滤波LC 小，有利于降低系统成本和损耗；开关损耗小，效率高；开关所承受的电压应力低，可选用成本较低的晶体管。

多电平概念提出至今，涌现了大量拓扑结构，可以归纳为3 类：二极管钳位型、飞跨电容型和级联型[4]。三相二极管钳位型三电平电路又称为NPC三电平电路或Ⅰ型三电平电路，其拓扑结构如图4左或右半部分所示，输入侧通过2 个相同的电容Cdc1、Cdc2 分压，将输入电压分为3 个电平，即+0.5UPV，0，-0.5UPV；每相通过1 组二极管实现对开关管电压的钳位功能，使得开关管上的压降为0.5UPV。该电路的研究较为成熟，在工业领域应用非常广泛[5]。图4 中，UPV 为直流母线电压。

图4 三电平三相半桥背靠背拓扑结构变流器

串联型电压优化装置采用2 套三电平半桥电路背靠背连接，共用直流母线，组成三电平三相半桥背靠背拓扑结构变流器。该结构变流器可以实现能量的双向流动，作为串联型电压优化装置的核心电路，通过对输出侧的电压、相位和特定次电压幅值的控制，实现对10 kV 系统电压的调节。

在控制方面，2 个三电平半桥结构相互独立解耦，通过直流母线形成背靠背的连接方式，构成系统的串联和并联两部分，每个部分的控制器独立设计，指令信号及通信部分通过高速光纤连接，增加抗干扰能力。2 个控制器增加系统的控制能力及响应速度，从而能够较好地实现对电压波动、电压谐波、无功功率的综合治理。

控制系统中通过调整虚拟阻抗增加输出阻抗的校正自由度，对逆变器输出阻抗的模值和相位进行校正，以匹配电网和负荷之间的阻抗特性，可以同时兼顾鲁棒性和抗扰性能的要求，使得逆变器在电网存在宽范围变化的电网阻抗和严重背景谐波时，仍然能够稳定工作。

3.3 负载侧短路的影响及保护装置

如图2 所示，由于串联型电压优化装置在10 kV 主回路中串联有耦合变压器，当铁路配电所的馈出线路出现短路情况时，系统电压降全部施加在耦合变压器上，同时在耦合变压器低压侧将出现瞬间大电流，远远超过图4 所示变流器承受能力，在瞬间即可造成变流器硬件永久损坏[6]。

为了避免变流器因受短路电流冲击而损坏，在耦合变压器低压侧连接保护装置，如图2 中A1，该保护装置由双向电子开关和机械开关并联组成。双向电子开关由反向并联的晶闸管及其触发电路组成。

在配电所馈出线路出现短路情况时，触发电路将检测到变流器输出电流的异常增大，立即（在半个周波内）将晶闸管导通，使短路电流通过晶闸管流动，然后将机械开关接通，进一步增加保护装置的载流能力，直至短路电流消失或上级开关跳闸。

为了保证在短路故障期间变流器的正常运行，变流器具有最大电流限制功能。保护装置动作时，变流器的输出被短路并工作于最大电流输出状态。

4 控制算法

作为常见的延时控制器，重复控制器能够以比较简单的结构实现多次谐波的抑制，易于数字控制实现[7]。图5 所示为串联型电压优化装置所使用的直接并联重复控制器。

采用经典的电压外环及电流内环双环控制方法，其中对于负载电压的控制为直接闭环控制，即基于内膜原理的重复控制。由内膜原理可知，对于一个闭环控制系统，如果其反馈环节中包含有与外部系统相同的数学模型，则整个系统能够无静差地跟踪输入信号，即使在误差信号减小至零或接近零的情况下。串联侧采用该重复控制策略可控制装置为负载提供精准的正弦电压[8，9]。

电压源对谐波电流的阻抗为零，装置并联侧为负载电流提供通路，因此串联侧采用直接电流控制，从而保证网侧电流的正弦度。在系统设计时，考虑到系统电压谐波对负载电压的影响，运用电压源和电流源相结合的方式，利用电流源对谐波电压的阻抗作用，即隔离了电网谐波对负载电压的影响。

5 运行试验

依据上述理论和方法制造了串联电压优化装置样机在变配电所进行运行试验，装置输入和输出侧的实时电压如图6 和图7 所示。

图6 输入侧电压

图7 输出侧电压

连续4 天对输入和输出电压的监测结果表明，电压波动范围[(最大 - 最小)/平均值]从7%降至1%以内，装置对输入电压波动抑制效果明显。

6 结语

本文针对较长的供电距离造成铁路配电所受电端电能质量较差的问题，提出了串联型电压优化装置。通过在接入电压中注入附加电压，实现对电压水平的有源控制，有效抑制了输入电压波动，切实改善了配电所外部电源电能质量，提升了供电可靠性。