摘要：电气化铁路牵引负荷具有非线性、不对称和波动性的特点，向电力系统注入谐波和负序电流，会严重影响电力系统的安全运行。本文介绍了电气化铁路的负荷特性，对典型电力机车韶山SS4型电车做了仿真分析，提出了一种针对电气化铁路负荷的三相无功补偿方案。
关键字：电气化铁路；静止无功补偿器（SVC）；电力机车
引言
电气化铁路以其高速、重载、节约一次能源减轻环球污染等优点已被广泛应用。同时由于电气化铁路负荷具有典型的非线性、不对称性和波动性，也给电力车系统带来了重的谐波和负序电流，严重危害着电力系统的稳定、可靠运行。静止无功补偿器（本文特制TCR+FC型SVC）以其较好的动态特性，较高的电压范围以及较好的补偿效果，在高电压等级的无功补偿上得到较广泛的应用【1】。
1 电气化铁路牵引供电系统的负荷特性
电气化铁路的单相工频电力机车牵引负荷具有如下特性【2】：
（1）阶跃式冲击负荷。
（2）流动性非均衡负荷。
（3）不对称负荷。
（4）谐波严重。
（5）功率因数低。
综上所述，电化铁路负荷状态是极其恶劣的，它使牵引供电系统电能质量严重恶化并成电能的巨大浪费，所以必须采取补偿措施。
2 电气化铁路负载的仿真分析
我国铁道牵引系统采用的牵引变压器主要有四种，即Y，d11接线的普通三相变压器，我国自行研制的阻抗匹配平衡变压器，V，v接线的三相变压器组和T型接线的斯考特（Scott）变压器。
韶山IV（SS4）型电力机车是国内电气化铁路上广泛使用的机车，可以作为典型机车负载作以分析，本论文针对SS4型电车做典型电车负载做以研究。
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SS4型电力机车主电路图【4】如图1所示，变压器原边电压u（t）为机车输入电压25KV，副边三绕组（a-b、b-z、c-n）空载额定电压分别为347.7V、347.7V与695.4V，则Ud=1390V，为副边三绕组和，其工作过程分3段，依次按表1所示3段工作。
用MATLAB下的Simulink搭建图1机车主电路，机车由第一阶段运行依次间隔0.1s进入下一阶段，得到机车三段运行过程机车变压器原边电压（U（t））电流（i（t））仿真波形和整流桥输出电压（Ud）电流（id）仿真波形。
利用PSB/POWERGUI对列车变压器原边电流（i（t））进行谐波分析，得到列车运行时的谐波电流含量，其中三次谐波最高，达28%，根据仿真得到的各次谐波含量，结合电车负载容量，可推算出各次谐波电流的含量，从而确定各次滤波器的容量，从而合理设置滤波器组，解决谐波问题。
结合牵引供图，机车采用SS4型机车的模型，利用MATLAB搭建该电气化铁路系统，得到系统母线上电压电流，电流为实际电流的100倍，仿真中机车负载在bc相之间运行，可见各相电流随着机车阶段运行的切换逐渐增大，三相电流严重不平衡且a相成容性，b相、c相成感性，必须对其进行无功补偿。由电流波形也可看出谐波十分严重，必须加滤波器予以滤除。
3 针对电气化铁路的三相TCR+FC型SVC
传统电气化铁路的无功补偿采用单相SVC进行补偿，虽然其能够较好的解决功率因数问题，但无法解决电力机车负载引入的负序电流问题，一般针对负序电流的抑制作用都是通过合理设计牵引变压器、合理分配机车等方法，但仍然不能很好解决。
TCR（Thyristor phase Controlled Reactor）+FC（Fixed Capacitor）型SVC，整个系统由控制器，TCR和FC三部分组成。
控制器是整个系统的核心，它主要完成对母线电压，母线电流以及TCR电流等补偿计算所需参数的检测，并经过相量识别，坐标变换，采用对称分量法计算出指令电流。指令电流作为控制部分的输入，经过一定的控制过程产生触发角度，触发电路根据不同的触发角度
发出相应的触发脉冲以触发TCR的晶闸管。FC吸收容性无功并且兼有滤波器的作用，吸收相控的TCR所产生的谐波。TCR随着触发角度的不同吸收不同的感性无功，这样，通过调节触发角度就可以使TCR和负载吸收的感性无功与FC吸收的容性无功达到平衡，起到无功补偿的作用。
基于对称分量的向量识别补偿法能够有效的解决三相不平衡负荷的无功检测方法。该方法由对称分量法推导出理想补偿器电纳表达式.
通过对基波电压、电流的向量识别得到基波电流的峰值、相角及基波电压值，从而推出各相电流的实部及虚部，推导出各项补偿电纳，结合补偿角同电纳关系可推出各组电抗器的触发角，从而实现动态无功补偿。由于向量识别是基于基波电压电流来采样计算的，故在电压电流采样中加入带通滤波器，得到系统的基波电压电流，从而进行向量识别和补偿电纳计算。
通过上述方法设计TCR+FC型SVC，将其并联在110KV母线上运行，结合机车模型在MATLAB下Simulink对其仿真，由第三节仿真得到的电车负载的谐波含量结合电车容量设计滤波器（FC），并在0时刻投入，在0.1S启动电车负载，在0.2S投入TCR2。
由图2（a）可见，0.2S之前由于滤波器的投入，电流超前电压，系统为容性，0.3S投入TCR，投入后系统三相电压电流同相位基本相同且基本平衡，并有效的减小了母线电流（消除了母线无功电流），由图2（b）可见，0.1S电车运行后系统三相无功功率出现严重的不平衡，且随着电车运行阶段切换逐渐增加，0.3S投入TCR后，三相无功功率基本为零，可见对称分量的向量识别补偿法能够较准确的检测系统无功电流，达到较好的补偿效果，平衡了母线电流，结合滤波器组FC（FC容量第三节电车模型仿真得到的谐波含量值确定），有效的滤除了各次谐波，达到了补偿效果。
4 结论
4.1本文在以下几个方面做了一些研究，并得出相关结论：
4.1.1 分析了电气化铁路牵引供电系统的负荷特性，提出对其无功补偿的必要性，分析得出对其进行无功补偿的除功率因数以外最要针对谐波问题和三相不平衡问题。
4.1.2 对电气化铁路牵引供电系统及SS4型典型电力机车做了仿真，得出其电压电流波形并对其进行谐波分析，从而为滤波器的设计作出参考。
4.1.3 提出了针对电气化铁路的三相无功补偿方法，通过仿真验证了该方法能够较好的补偿电气化铁路这种高谐波、三相严重不平衡的负载。
从仿真同样也得出该方法的一些缺陷，即滤波器及TCR电感容量较大，而且补偿在高压侧，电压等级较高，实际系统成本较高。
参考文献：
[1]T.J.E.米勒主编，胡国根译，何仰赞校.电力系统无功功率控制[M].北京：水利电力出版社.
[2]解绍锋.电气化铁道谐波过程分析与推荐限值制定思路研究[D].成都：西南交通大学，2004年
[3]王立文，经济多段桥谐波分析，机车电传动.株州电力机车研究所，1986
论文作者:魏巍
论文发表刊物:《电力设备》2017年第18期
论文发表时间:2017/11/2
标签：电流论文; 电气化铁路论文; 谐波论文; 电压论文; 机车论文; 电力机车论文; 负荷论文; 《电力设备》2017年第18期论文;