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序言

車(chē)輛生產(chǎn)廠(chǎng)作為生產(chǎn)廠(chǎng)家牽引供電線(xiàn)路眾多，試驗及維修車(chē)型號不一，用電設備多種多樣。車(chē)輛生產(chǎn)廠(chǎng)牽引供電為110kV/10kV變壓器降壓到10kV，再由一臺10MVA牽引用單相升壓變壓器提供25kV單相電源供車(chē)輛試驗使用。這種供電方式存在的主要問(wèn)題是：在車(chē)輛試驗時(shí)，10kV母線(xiàn)存在大量諧波電流。中車(chē)青島四方機車(chē)車(chē)輛股份有限公司曾對10kV供電電源諧波進(jìn)行過(guò)測試，結果10kV母線(xiàn)中電流畸變率約50%（THD），諧波次數主要有3次、5次、7次、41次、43次等諧波。車(chē)輛試驗時(shí)經(jīng)常造成廠(chǎng)內開(kāi)關(guān)電源、數控機車(chē)等設備器件損壞，10kV側配置的容電感諧振諧波吸收裝置效果不明顯。

另外，牽引供電電源直接從電網(wǎng)的A,B相取電，C相處在空載狀態(tài)，會(huì )造成電網(wǎng)的三相負載不平衡。

鑒于上述情況，需對交流牽引供電電源進(jìn)行改造，來(lái)達到真正的三相平衡補償，并且運行時(shí)注入電網(wǎng)的諧波滿(mǎn)足電網(wǎng)的電磁兼容中規定的諧波限值。

目前，對電氣化鐵路電能質(zhì)量治理的思路，主要從兩個(gè)方面：一是從電源供電改進(jìn)，另外一種思路就是增加補償裝置，如無(wú)功補償裝置、電力濾波器。

機車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)供電系統運行方式非常靈活，系統參數復雜。取諧波消除電源方案，將復雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化處理，將微網(wǎng)技術(shù)理念應用到治理中，使得牽引供電與系統既隔離又聯(lián)系，使微網(wǎng)內的問(wèn)題不上傳不擴大，同時(shí)共享系統保護，可靠穩定運行。

1基于諧波消除裝置的供電系統組成

如圖1電源系統示意圖

本方案利用原有系統的三相10kV電網(wǎng)及單相10kV變25kV升壓變壓器，增加軌道交通單相電源。三相10kV電網(wǎng)作為電源多繞組變壓器的輸入側電源；變壓器的二次側輸出18組單相660V交流電源，變壓器二次側輸出給功率單元進(jìn)行三相全橋整流濾波及單相逆變。18個(gè)功率單元輸出串聯(lián)疊加后形成10kV單相交流電源，經(jīng)輸出濾波器后輸出高品質(zhì)的正弦交流電源供用戶(hù)使用。電源系統結構組成如圖2所示。

圖2系統結構組成

該裝置利用城市供電線(xiàn)路的三相電源作為輸入，變頻功率單元為成熟的交-直-交整流電路-逆變電路。整流側為二極管整流，逆變側為基本的IGBT模塊H橋單相逆變。通過(guò)對IGBT逆變橋進(jìn)行正弦SPWM控制，可以得到正弦單相交流輸出。

圖3功率單元主回路圖

2控制系統

         電壓環(huán)與電流環(huán)雙閉環(huán)反饋控制方法，用參考的]電壓給定值與輸出電壓反饋有效值進(jìn)行比較得出電壓誤差，電壓誤差信號經(jīng)過(guò)PID調節器后的輸出量作為電流控制的給定量；電流最大值給定與輸出電流瞬時(shí)反饋值進(jìn)行比較得到電流的誤差量，電流誤差信號經(jīng)過(guò)PID調節器，該調節器輸出的信號與電壓調節器輸出信號乘積與三角波比較產(chǎn)生各單元的PWM脈沖信號。系統控制框圖如圖所示。

         采用這種控制方式的電源具體控制系統簡(jiǎn)單、輸出電壓失真度小、動(dòng)調響應速度快等優(yōu)點(diǎn)。電壓外環(huán)監控輸出電壓，解決由于電網(wǎng)電壓波動(dòng)、直流母線(xiàn)電壓波動(dòng)和輸出電流波動(dòng)對輸出電壓的影響，提高了逆變電源的動(dòng)調性能。電流閉環(huán)可以限制電源最大允許電流輸出，可以限制電源輸出電流，防止因負載波動(dòng)導致的故障停機及功率器件損壞。

圖4：閉環(huán)控制框圖

3關(guān)鍵技術(shù)

因牽引電源的負載全部為交流整流型負載，在整流設備中加入了儲能元件（濾波電容和濾波電感），從而使閥電壓提高，加重了諧波的產(chǎn)生量，電流畸變嚴重。電源裝置輸入變壓器采喲多重化模塊設計，以達到降低輸入諧波電流的目的。變壓器的18個(gè)二次繞組采喲延邊三角形連結。分為6個(gè)不同的相位，形成36脈沖二極管整流電流結構，理論上可以消除35次以下的所有諧波。輸出電流波形接線(xiàn)正弦波，總諧波失真度低于2%.變壓器同一相位的二次繞組給三個(gè)功率單元供電。這種變壓器不用加任何濾波器就可以滿(mǎn)足供電部分對電壓和電流諧波失真的要求。由于采用二極管整流負載側的無(wú)功功率有單元直流母線(xiàn)電容提供，輸入側功率因數穩定，基本可以保持在0.98以上。

逆變輸出采用多電平移相式SPWM技術(shù)，功率單元可以采用較低的開(kāi)關(guān)頻率，降低開(kāi)關(guān)損耗，而等效的總輸出載波很高，輸出電平數多，大大改善了輸出波形，降低輸出諧波。功率單元具有自動(dòng)旁路功能，在某個(gè)單元故障后，自動(dòng)進(jìn)行旁路。

輸出載波移相不連續后，會(huì )造成相鄰單元母線(xiàn)電壓異常，控制中加入載波自動(dòng)重新分配功能。當某個(gè)單元故障旁路后，更改載波的移相角度使單元間的相位差增大，達到載波平均分配的目的。

為進(jìn)一步降低由于負載功率波動(dòng)造成的電源輸入側諧波增大，單元直流母線(xiàn)加入穩壓儲能元件，使在負載快速變化時(shí)，單元直流母線(xiàn)的波動(dòng)不大于10V，增加該環(huán)節能夠有效改善輸入側的電流不平衡和電流失真度。同時(shí)在輸入電壓善變時(shí)，直流儲能能夠保證功率單元正常工作，不會(huì )降低牽引供電的品質(zhì)。

4電源的主要技術(shù)參數

1）額定容量10MVA

2）輸入電源電壓：輸入三相10kV±10%

3）輸出電壓：?jiǎn)蜗?0kV±5%

4）輸出頻率穩定度：頻率變化率小于0.1%

5）電源效率：大于96%

6）工作方式：連續

7）過(guò)載能力：150%   60S

8）輸出電壓諧波小于2%

9）輸入功率因數 不小于0.96

10）輸入電流不平衡小于 5%

5改造效果測量

改造后，對10kV側電源質(zhì)量進(jìn)行監測，數據為輸入側電流諧波在3%，輸入電流平衡度為0.97，輸入功率因數0.99。滿(mǎn)足系統設計要求，應用電源裝置后電網(wǎng)諧波電壓諧波電流降低明顯，不再影響同一電源供電的先進(jìn)機床等設備的使用。

結束語(yǔ)

諧波吸收裝置電源在機車(chē)單相供電應用中，屬于全隔離型電源設備。該技術(shù)可以應用于直接輸出27.5kV的系統中，解決供電電源不平衡及諧波問(wèn)題，具有廣泛的推廣應用前景。