V/v牵引供电所混合式电能质量控制系统非对称补偿设计
中国电工技术学会主办，2017年8月19-21日在北京铁道大厦举办，本届大会主题为“能源大变革时代——电工装备行业创新与发展之路”。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
湖南大学电气与信息工程学院、湘潭大学信息工程学院、温州大学物理与电子信息工程学院的研究人员马茜、罗培、戴瑜兴，在2017年第4期《电工技术学报》上撰文，针对V/v牵引供电所功率因数低、负序及谐波含量大等问题，结合有源和无源优势，提出一种由多重化背靠背双向变流器和非对称无源补偿滤波支路构成的大容量、低成本、混合式、综合补偿系统。
研究了两臂无源补偿滤波支路对有源部件容量的正负效应现象，分析了系统非对称补偿原理和容量设计方法，降低了装置有源部件容量和总成本。通过对比分析工程样机投运前、后主要电能质量参数，验证了所提方法的可行性和有效性。
随着我国电气化铁路的迅速发展，由电气化铁路负荷特性和牵引变压器接线形式等引起的负序、无功、谐波等电能质量问题日益突出[1,2]。这对电网和电力机车的安全、稳定、经济运行带来了很大挑战。因此，研究相应的治理技术显得尤为重要[3-6]。
目前，国内外改善电气化铁路电能质量的方法主要有机车就地治理、高压电网侧治理和低压供电侧治理。机车就地治理采用在机车上加装晶闸管投切电容器（ThyristorSwitched Capacitors, TSC）和单调谐滤波器，改善功率因数并就地治理谐波，其缺点是投资利用率低，无法解决负序问题。
高压电网侧治理主要包括轮流换相接入方式和加装三相高压静止同步补偿器（Static synchronous Compen-sators, STATCOM），轮流换相接入方式可以减少负序电流对电网的影响，简单易行，但无法解决功率因数和谐波问题，而且由于牵引负荷随机波动，所以这种方式在工程实际中难以达到理想的治理效果[7]；三相STATCOM可以实现综合治理，但由于其直接接入高压电网，工程难度大，而且无法稳定牵引网电压[8,9]。
低压供电侧治理是目前主要治理方式，其中固定电容（Fixed Capacitor, FC）可以实现无功补偿并滤除特定次数谐波，结构简单，投入少，但在负荷波动时补偿性能较差；静止无功补偿器（Static VarCompensator, SVC）应用广泛，可动态补偿无功，稳定牵引网电压，但这种方法只能补偿部分负序电流[10]；两相式STATCOM即铁路功率调节器（Railway staticPower Conditioner, RPC）可平衡系统电压、提高功率因数、抑制电压波动和滤除谐波，是一种有效的综合治理手段[11-13]。
2009年，由清华大学和荣信公司研制的RPC在上海南翔顺利通过了测试，2011年世界上首套基于RPC的同相供电装置在四川眉山投入试运行[14,15]，这些测试结果完全证实了RPC的综合治理能力。由于RPC由IGBT构成，成本较高，制约了其工业推广应用。为了减少RPC安装容量，提高性价比，许多学者提出了基于有源部件和无源部件的混合拓扑结构。
无源部件一般以晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled Reactor, TCR）[16,17]、磁控静止无功补偿器（Magnetic StaticVar Compensation，MSVC）[18,19]和FC[20]为主。TCR可动态补偿无功，但自身会产生较大的谐波，增加了滤波器的容量和装置损耗。
与TCR相比，MSVC输出谐波含量小，但由于其采用饱和电抗器技术，存在损耗较大和噪声大等问题。而且，由于TCR（或MSVC）与RPC的动态性能差异较大，在牵引负荷波动剧烈的情况下，存在有源/无源协调控制问题，这无疑增加了控制系统的复杂度和难度。
由于FC结构简单、控制方便、性价比高，因此，从工程应用考虑，采用FC作为无源器件比较合适。但是FC只能提供固定无功补偿，而且V/v变压器二次侧两供电臂对补偿功率的性质和容量有不同的需求。因此，在V/v牵引供电系统中如何配置RPC和FC的容量，实现低成本、大容量的稳定、可靠和综合补偿成为急需解决的问题。
本文研制了一套由多重化RPC和非对称FC组成的V/v牵引供电所混合式电能质量控制系统（V/v-AsymmetricPower Quality Control System，V/v-APQCS）。采用FC配合RPC对电能质量进行综合治理，显著减少了RPC容量；对两臂FC采用非对称补偿设计进一步降低了装置成本。对V/v- APQCS的运行原理和非对称补偿设计进行了详细叙述，并将V/v-APQCS在某V/v牵引变电所进行了工程验证。
图4 工程样机
结论
本文研制了一种由多重化RPC和非对称FC组成的V/v牵引变电所混合式电能质量综合控制装置。RPC实现有功功率动态平衡和无功功率动态补偿，FC实现无功功率固定补偿和主要次谐波治理。混合式结构显著减少了有源容量，实现了大容量、低成本动态综合补偿。根据三相V/v变压器一次、二次电气量的相量关系，提出了FC非对称容量设计方法，进一步减少了装置容量，降低了装置总成本。
工程应用表明该系统能有效改善V/v牵引供电系统的功率因数、负序和谐波等电能质量问题，具有较好的推广价值。