摘 要：针对牵引供电系统的特点，提出了一种利用混合补偿器进行牵引变电所无功和谐波综合补偿的新方案。混合补偿器由有源滤波器、无源滤波器及一种新型的可调无功补偿装置构成，其特点是有固定的滤波通道且初期投资较少。分析了该可调无功补偿装置的工作原理，讨论了谐波及无功电流检测方法与混合补偿器的控制策略。以某实际的牵引变电所为对象，利用MATLAB提供的Simulink仿真平台建立了仿真模型，仿真结果表明所提出的综合补偿方案有良好的无功、谐波补偿效果。
关键词：电气化铁道；谐波补偿；无功补偿 ；有源电力滤波器；混合补偿器
1 引言
交－直型电力机车的大量使用使得我国电气化铁道负荷功率因数低、谐波含量高的问题尤为突出。我国电气化铁道的惯用方法是在牵引变电所安装不可调并联电容补偿装置（兼滤3次谐波）。这种方法具有安装容量较小、投资少、结构简单、运行可靠及维修方便的优点，但是存在以下问题：①其滤波特性受系统参数的影响大，并可能与系统发生谐振或谐波放大，危及系统安全；②只能消除极少数特定次的谐波，其滤波效果远不能满足要求；③由于电力牵引负荷变化剧烈，无功功率和电流随机波动，不可调补偿装置的跟随效果不佳，在运量小、无负荷和轻负荷概率较大的区段过补偿严重，当采用“反送正计”的无功计量方法时，功率因数大幅下降。
电气化铁道严重的无功和谐波污染引起了电力部门的高度重视。随着我国电力市场运作的日渐规范，电力部门采用新的计量标准并充分利用经济杠杆对电网无功和谐波进行更加严格的管理。目前，电力部门采用的无功“反送正计”的方法已经使得部分牵引变电所遭受了每年近百万元甚至更高额的罚款。由于大量的交—直型电力机车在若干年内仍将是我国电力机车的主力，所以，为适应形势的需要，必须提出一种安全、有效、经济的新方案对电气化铁道的无功、谐波污染进行综合治理。
对于无源滤波器PPF（Passive Power Filter）来说，问题①～③都存在。因此，为了解决好电气化铁道的谐波问题，必须引入有源滤波器APF（Active Power Filter）。由于有源滤波器的成本较高，本文提出将APF与PPF以及可调无功补偿装置结合，组成混合补偿器治理电气化铁道无功和谐波污染的方案。其中可调无功补偿装置对负荷无功进行动态跟踪补偿，PPF滤除电流中含量较高的某些次谐波（主要是3、5、7 次）及高次谐波，用APF弥补PPF滤波能力的不足，并防止PPF与系统发生谐振。
2 并联混合补偿器的结构
本文所提方案为在牵引供电系统27.5kV侧的两相分别安装并联混合补偿器，对电力牵引负荷产生的谐波、无功进行就地补偿。其单相系统构成如图1所示。
混合补偿器由APF、PPF及可调无功补偿装置组成。APF与PPF的配合方案有很多种，其中以APF串在PPF下部组成并联混合滤波器的方案较为经济合理[1,2]，其组成结构如图1。由于在电力牵引负荷的谐波中，3、5、7次谐波占了很大的比重，所以设计PPF由3、5、7次及高通滤波支路构成，其滤波支路固定。PPF能承担绝大部分的基波电压，在降低APF容量的同时还担负着固定无功补偿的任务。串在PPF下部的小容量的APF用来补偿PPF滤波能力的不足，吸收剩余谐波，防止PPF过载。T0是耦合变压器，可以降低APF的电压等级。L0、R0、C0构成低通滤波器。图1中和固定无功补偿装置配合的是一种新型可调无功补偿装置，即低压晶闸管可调无功补偿装置[2]。可调无功补偿装置用于牵引负荷波动时，吸收PPF产生的多余无功。它用低压晶闸管开合无功负载，用分接开关无载调节电压，这能充分利用分接开关的机械寿命（一般比电气寿命长10倍以上），适用于频繁调节的场合。其调节过程如下：装置投入运行时，由测控系统检测电网无功功率及电压，在需要调整无功时，封锁晶闸管的触发脉冲，晶闸管在其电流过零点切除，分接开关在无载的情况下调节固定并联电抗器的输出功率；然后在母线电压过零点令晶闸管重新导通，完成一次无功调整。调整无功时，装置自身不产生谐波。该方案的特点是：①PPF采用固定滤波支路，而且直接接在高压母线上，因而有稳定的滤波通道和良好的滤波特性，能够保证整套装置的滤波效果；②需要的APF的容量小，而且用成本较低的低压晶闸管开关实现可调无功补偿，因而初期投资较低。
图2是该可调无功补偿装置的工作原理图。图中，T1为图1所示降压变压器的理想模型，T2为图1所示调压变压器稳态下的理想模型。L1表示降压变压器的漏感，L2表示包括并联电抗器电感和调压变压器漏感的等效电感。
式中 Ui为高压母线电压；k1为降压变压器的变比；k2为调压变压器的变比，k2的取值范围为1/k1～1。
解式（1）得
由式（2）可以看出，该低压晶闸管可调无功补偿装置实际上构造了一个并联在母线上的可调电抗。通过调节调压变压器的变比k2就能调节这个电抗的大小，从而达到调节系统无功功率的目的。
3 混合补偿器的控制
混合补偿器的控制包括APF的控制和可调无功补偿装置的控制。APF是混合补偿器的关键环节，它担负着增强滤波和防止谐振的重任。同时，APF的容量也是影响混合补偿器成本的重要因素。因此，采用合理的控制策略对APF进行控制，对提高混合补偿器的滤波性能、降低其成本尤为重要。合理的控制策略亦能使可调无功补偿装置及时对负荷无功进行跟踪补偿，并最大限度地减少分接开关的动作次数，从而延长分接开关寿命。
（1）谐波及无功电流检测
谐波及无功电流检测是混合补偿器控制的重要环节。由于系统电源频偏将导致PPF的滤波能力下降或放大谐波，此时保证APF的滤波能力就显得尤为重要。所以，应该保证谐波及无功电流检测方案不受电源频偏的影响。另外，由于电力牵引负荷变化剧烈，所以对APF的谐波及无功电流检测的实时性要求比较高。本文采用图3所示的方案进行谐波及无功电流检测
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