基于RPC的铁路供电系统供电质量研究

【摘 要】 本文分析了高速铁路电力系统中电能存在负序、谐波等问题，及其引发的危害，使用了RPC对供电系统的供电质量的控制，完全消除三相电流的负序电流，并控制谐波电流。

【关键词】 高速铁路 负序 谐波 PRC

众所周知，铁路供电系统由牵引供电系统和电力供电系统两部分组成。牵引供电系统是从电力系统接引电源，经过降压转换后提供给电力机车供电的电力网络，主要是由牵引变电所与接触网两部分组成。而电力系统是三相高压供电系统。牵引变电所是将电力供电系统的高压输电线输送的电能，按照对电流和电压不同的电力牵引要求，转换为适合电力牵引的电能，再输送给沿线上架设的接触网，提供给沿线行驶的电力机车。

1 铁路供电系统存在的问题分析

铁路供电系统的自耦变压器（AT）以单相供电方式供电，势必在牵引所的高压三相侧产生电流不平衡，并输入负序电流给上一层电力系统。该负序电流的大小因此和牵引变压器相关。牵引变压器是一种将三相高压交流电转化为较低压的单相交流电的变压器。铁路供电系统中的三相高压电力系统的负序电流大小由牵引变压器和电力机车运行情况两个方面决定。

目前，高速铁路电力系统的电能存在负序、谐波等两个主要问题，从而危害电力设备的正常运行并增加损耗，以至于造成电力事故，使得牵引供电系统本身和上级电力系统的安全得不到保障。负序电流使同步电机附加损耗和转子发热增大，而且引起附加震动。一旦负序电流偏大，以负序分量启动的电力系统继电保护装置将出现误工作，引起三相电流不平衡，同时出现不平衡的三相电流，并出现一相电流最大额度限制变压器的额定处理，从而是的变压器的有效利用率降低，而且，会增加变压器的漏磁和局部过热。当该电流流过电力网络，也使得电能损耗，增加线损，造成电网的电能输送质量降低。而谐波将增加电线的损耗，缩短输电线的正常使用时间；电力电容器出现谐振，损坏电力电容器，从而增加旋转电机与变压器的损耗。

因此，我们采用实效的电能质量控制技术，综合治理谐波和负序两个主要问题，从而提高铁路电力系统的电能质量具有非常重要的经济意义。

2 RPC原理

铁路功率调节器（Railway Static Power Conditioner，简称RPC）采用两个电压源变流器背靠背结构，交流侧分接于变电所两供电臂和直流侧共用电容。该调节器具有平衡功率，补偿无功，稳定电压和有源滤波等功能。RPC在抑制电压波动，平衡系统电压，以及过滤谐波都具有良好的效果，并且在无功补偿的同时能实现有功功率的转移，而且有有源滤波的功能。RPC的结构如图1所示。

RPC的结构含四个单相逆变H桥，其中的两个H桥共用一个直流电容，形成了背靠背结构，类似若干个H桥结构并联，通过降压变压器和输出电感接入三相V/v牵引变压器的两个二次输出端。RPC属于有源装置，其对两个H桥进行合适控制，能够达到负序补偿，无功补偿和抑制谐波抑制。RPC调节器转移三相V/v变压器的二次侧两供电臂有效功率，使部分负荷有功功率从功率大的一端转移到功率偏小的一端供电臂，实现了两供电臂具有相等的有功负荷，而且为了达到补偿负序电流的作用，在两供电臂会出现补偿部分无功功率。RPC调节器通过产生谐波来消除谐波来实现谐波抑制。

3 铁路电力系统RPC的运用

RPC中要实现铁路电力系统中的负序和谐波补偿，就需要使得调节器中两变流器跟踪负序和谐波电流补偿这两个参考量。当两变流器获得稳定的直流侧电压时，才能正常工作。RPC的两个变流器单元都有无功补偿、抑制谐波和整流的功能，它们通过一个直流电容链接起来，一定程度上，可以理解为两个单独的变流器。RPC调节器的直流侧电压通过这两个变流器共同释放或补充有功。两变流器在直流电压比参考电压低时，共同给RPC充电；两变流器在直流侧电压比参考电压高时，会向电网释放电能，这样使直流侧电压得到稳定。两供电臂一起承担了功率模块开关损耗，从而确保了RPC两变流器两侧功率相等，最终实现三相电流的对称。

4 RPC的功能分析

RPC的补偿参考电流是在最初负序和谐波参考电流的基础上，累加一个直流侧电压和有功电流分量。直流侧电压的误差经过调节后，在RPC有功指令下，和负序和谐波补偿电流指令累加，得到RPC实际电流参考指令。为了确保两变流器的两侧功率平衡，需要通过直流侧电压和两变流器共同维持，功率损耗由两臂分担。为了实现两变流器有较快的速度，RPC调节器选用了环控制方法。RPC实际上需要采用电流内环和直流侧电压外环的双闭环控制策略。开关控制信号在电流跟踪误差较大时，会出现信号变化频繁。而跟踪误差在环宽较大时也相应较大。RPC调节器在两供电臂功率不等时，应当合理设置滞环环宽，采用的方式是通过比较合适的功率调整，使得两供电臂的功率调整为相同值，最终达到抑制两供电臂谐波和消除三相电流负序电流的目的，因此补偿效果明显。

5 结语

铁路电力系统中采用RPC可以通过平衡两供电臂的功率，包括有功和无功功率，完全消除三相电流的负序电流。实际上，RPC对对高次谐波的抑制较弱，而对低次谐波的抑制较好。

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