摘要：随着我国电气化高速铁路的发展,牵引供电系统对电网带来的负面影响不容忽视。本文所研究的新型补偿器，其不仅能够对牵引变电所不同桥臂上的负荷进行有效的平衡,同时可以消除负序电流，并且可以借助于补偿器完成牵引站的动态无功补偿等工作。
关键词：电铁牵引；变电站负荷；平衡补偿器
引言
电气化高速铁路在运行过程中会产生冲击负荷，使牵引变电器带不平衡电荷把负序电流注入电网，导致不好的影响。我国在电气化列车负序电流问题的解决上，采取了很多国际上常用的方案，一定程度上减轻了负序电流带来的不好影响。这里提出的新性直挂式补偿器是不需要升压的变压器，主要是在串联技术的基础上结合虚拟三相系统的控制策略，基本上就可以解决现有的问题。
1、新型直挂式补偿器的基本原理
如图是基于串联方式的直挂式补偿装置原理图。α和β分别代表的是牵引变电器的两相桥臂，其中字母N所表征的是铁轨，补偿器主要借助于交流侧三相负荷平衡原理进行工作。此外，通过对不同桥臂间的有功功率进行有效的交换，进而可以α与β两相桥臂之间有功功率的平衡，同时还可以利用此装置改变牵引变压器的电压。组件和组件之间采取的是均压控制的方式串联形成的补偿器的每个桥，现代电子信息技术发展形势一片大好，现有的技术已经可以做到让这类换流补偿装置直挂在牵引变压器的低压侧了。
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1.1数学模型
为了对补偿器上的牵引负荷进行平衡控制，要求重新定义一个虚拟三相系统。在此虚拟三相系统中，三相分别使用α以及β、Ｎ进行重新的定义，把中性点定义为O，系统侧三相电压定义为ｕｓαＯ、ｕｓβＯ、ｕｓＮＯ，此外，还要将补偿器三相电压定义成ｕｍαＯ以及ｕｍβＯ、ｕｍＮＯ；对于三相补偿电流来说，要将其定义成ｉｍα，ｉｍβ以及ｉｍＮ，同时还要将ｕｓαＯ、ｕｓβＯ、ｕｓＮＯ进一步组合成空间矢量ｕｓ，ｕｍαＯ、ｕｍβＯ以及ｕｍＮＯ组合为空间矢量ｕｍ，具体计算工作中，工作人员通过一系列的算式变换换流补偿器的数学模型可表示成Ｌｉｍ＝ｕｓ－ｕｍ。
1.2控制策略
以往的空间矢量算术方法适用于虚拟三相系统中的数学模型，分析虚拟三相系统中各个量之间的关系及数学模型，我们可以想到把每一相用单独的系统来分别控制，对补偿器的α、β和 Ｎ 三相桥臂分别用三个系统来控制行控制触发，这样就可以实现牵引变压器两相桥臂上有功电流达到平衡无功电流而得以控制的效果，还可以使换流器直流侧的电压维持在原来状态。其中，图中所表示的udc表征的是直流电压,udc*所表征的是直流电压参考值。此外，iｐα*是所表征的是平衡有功负荷电流。最后，图中所涉及的iＱα*代表的是α相要求补偿的无功电流。从图中数据可以清晰的看出，β相能够达到对直流电压的有效控制、α相桥臂可以使有功电流达到平衡，N相桥臂作为两相的共用相还兼有维持中性点电流的功能。
整个系统电压的由供电端的PT测量能够得知， 所使用的补偿器电流以及供电臂电流能够分别由自身CT进行有效的测量，并且换流补偿器直流电压可以从高压直流电压传感器中进行相应的测量。
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2、仿真验证
本节主要应用相应的算例对上文所提出的新型换流补偿器对于平衡电铁牵引站两相桥臂负荷的有效性进行检验，并且主要应用了PSCAD作为基本的仿真工具。仿真图如图３所示。
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在上述的算例中，电铁牵引系统电压达到了27.5kV左右，并且这一过程中的直流电压参考值设定为70ｋV，主要应用了100μF直流电容器。
图４到图６是电铁牵引站加装补偿器之后所得到的相应的仿真结果。从图中可以看出：在初始时刻,α相的有功负荷电流有效值能够达到600Ａ左右，并且β相处于空载状态，其电流是零；此外，在补偿器工作之前，所使用的换流器补偿其电流值是零， 并且直流电压主要保持在70ｋV左右。等到时间ｔ＝0.55ｓ时，由于应用了相应的补偿器， 从数据方面可以得到补偿器三相桥臂上的电流ｉｍαｉｍβ ｉｍＮ不再是零，并且补偿器α相传输有功。
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图５主要是对α相、β相的无功补偿进行模拟。在初始时刻，牵引变侧α相以及β相的电流分别达到了300A以及150A，并且两者都是纯无功电流。从表中数据可以看出，在ｔ＝0.15s以及0.25s时，系统侧不再进行无功电流的供应。
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图６中主要对补偿器α相β相进行模拟，并且对α相补偿无功进行模拟。在初始时间，牵引变α相以及β相主要承担了约为300A左右的无功电流，并且承担了约为600A的有功电流。为了能够对效果进行方便的描述与观测，工作人员在启动时间方面进行了调整。在ｔ＝1.05s是，对补偿器无功补偿功能进行了启动，之后再由补偿器α相提供约为300A无功电流。同时，降低α相无功电流ｉｓα降到相对较小的数值，之中完成对α相的无功补偿，这一过程中对于β相并没有造成严重的影响。经过几个周波之后，进行有功功率平衡控制的启动，并且这一过程中牵引变α相以及β相有功电流都能够达到300A左右，并且牵引变两相桥臂有功负荷可以得到有效的均衡。
仿真结果表明，上文中所提到的补偿器能够很好的进行牵引变低压侧两相桥臂负荷平衡，并且可以消除牵引变对三相系统所带来的负序电流注入等问题。此外，其还具有动态无功功率补偿等相应的功能。
3、结束语
近几年来，国内的铁路电气化建设质量得到有效提升。但是，这一过程中由于牵引供电系统所导致的负序等问题不能被忽视。本文主要研究的是新型的直挂式补偿器及其应用。通过应用这一设备，不仅可以省去升压变压器，同时能够有效的减少补偿装置的造价问题，并且能够尽可能的少占地。此外，本文还对分相控制策略进行了相应的研究与探讨。它的应用不仅能够显著平衡牵引变电所不同桥臂上的负荷问题，同时可以有效消除负序电流问题，并且能够应用补偿器对牵引站进行有效的动态无功补偿。
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论文作者:郭宏伟,陈健雯
论文发表刊物:《电力设备》2018年第22期
论文发表时间:2018/12/12
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