牵引供电系统中的电能质量改善技术研究

牵引供电系统中的电能质量改善技术研究

麻明亮

500101198803075513

摘要：本文针对牵引供电系统中存在的电能质量问题，探讨了改善技术研究的相关内容。文章分析了牵引供电系统中电能质量问题的现状和影响，包括电压波动、谐波、电流不平衡等。本文介绍了当前常见的电能质量改善技术，包括有源滤波器、静态无功补偿装置等，并对其原理和应用进行了概述。本文重点阐述了在牵引供电系统中应用这些技术的可行性和效果，并结合实际案例进行了分析。文章总结了目前电能质量改善技术的发展趋势和未来的研究方向，为提高牵引供电系统的电能质量提供了参考。

关键词：牵引供电系统；电能质量；改善技术；有源滤波器；静态无功补偿

引言

随着牵引供电系统的不断发展和扩张，电能质量问题日益凸显。牵引供电系统是铁路、地铁等交通运输领域中不可或缺的重要基础设施，而其稳定可靠的电能供应对运输系统的安全运行至关重要。但是，牵引供电系统中存在的电能质量问题，如电压波动、谐波、电流不平衡等，直接影响着供电系统的稳定性和运行效率，甚至可能导致设备损坏和运输事故。

二、牵引供电系统中的电能质量问题分析

牵引供电系统作为铁路、地铁等交通运输领域的重要基础设施，其稳定可靠的电能供应对运输系统的安全和正常运行至关重要。但是，牵引供电系统中普遍存在着一系列电能质量问题，这些问题直接影响着系统的稳定性、可靠性和运行效率。

第一，电压波动是牵引供电系统中常见的电能质量问题之一。在系统运行过程中，电压波动可能由于电网负荷变化、设备接入和退出等因素引起。电压波动超出一定范围时，容易导致设备异常运行，甚至引发设备损坏和运输事故，严重影响系统的安全性和稳定性。

第二，谐波也是牵引供电系统中常见的电能质量问题之一。谐波是指频率为整数倍于基波频率的电压或电流成分，在系统中会产生不利影响。牵引供电系统中，大量的非线性负载设备如牵引变压器、电动机等会引入谐波，导致电网谐波水平升高，影响系统的电能质量和稳定性，甚至引起设备共振和损坏。

第三，电流不平衡也是牵引供电系统中值得关注的电能质量问题之一。电流不平衡是指三相电流之间的不平衡程度，可能由于负载不均衡、系统故障等原因引起。电流不平衡会导致电力设备负荷分配不均匀，增加了系统的损耗和能耗，降低了系统的运行效率和稳定性，甚至加剧了设备的磨损和老化速度。

牵引供电系统中存在的电能质量问题，包括电压波动、谐波和电流不平衡等，直接影响着系统的安全性、稳定性和运行效率。所以，有必要采取有效的技术手段和措施，改善牵引供电系统的电能质量，保障系统的正常运行和安全运输。

二、电能质量改善技术概述

（一）有源滤波器

有源滤波器是一种主动式电能质量改善装置，通过控制电流源来产生与谐波相反的电流，从而抵消或减小系统中的谐波电流，达到谐波滤波的目的。有源滤波器具有响应速度快、滤波效果好等优点，能够有效地降低系统中的谐波水平，提高电能质量。其主要原理是通过逆变器产生谐波电流，与系统中的谐波电流相抵消，从而减小谐波电流的影响。

（二）静态无功补偿装置

静态无功补偿装置是一种被动式电能质量改善装置，主要用于补偿系统中的无功功率，从而提高系统的功率因数，减少电网电压的波动，改善电能质量。静态无功补偿装置通常由电容器或电感器组成，通过控制这些电容器或电感器的开关状态来调节系统的无功功率，实现对系统功率因数的调整和优化。

（三）其他技术

除了上述两种主要技术外，还有一些其他的电能质量改善技术也在牵引供电系统中得到了应用。例如，动态电压恢复装置（DVR）能够对系统中的电压波动进行实时监测和调节，保障系统电压的稳定性；动态无功补偿装置（DSTATCOM）能够动态地补偿系统中的无功功率，提高系统的功率因数；电能质量监测系统能够对系统的电能质量进行实时监测和分析，为电能质量改善提供数据支持等等。

有源滤波器、静态无功补偿装置以及其他相关技术是牵引供电系统中常用的电能质量改善技术。它们各具特点，在实际应用中可以根据系统的具体需求和特点选择合适的技术组合，从而有效地改善牵引供电系统的电能质量，提高系统的稳定性和可靠性。

三、实际案例

为了更好地理解电能质量改善技术在牵引供电系统中的应用效果，选取了某国内铁路牵引供电系统的一个典型案例进行分析。该案例采用了有源滤波器技术来改善系统中存在的谐波问题，取得了显著的效果。

该牵引供电系统位于某城市的地铁交通线路上，运行时间长、负载变化大，系统中存在严重的谐波问题，影响了地铁运行的稳定性和可靠性。经过对系统进行电能质量分析，发现谐波电流含量较高，严重影响了牵引供电系统的正常运行。为了解决这一问题，工程团队决定引入有源滤波器技术进行改善。

有源滤波器装置采用了最新的控制算法和高性能的逆变器设备，能够精确控制电流源，产生与谐波相反的电流，以消除系统中的谐波电流。根据实际情况，工程团队对系统中的谐波进行了深入分析，并设计了合理的滤波方案。具体措施包括优化滤波器参数、调节控制策略等，以确保滤波器在不同运行工况下都能够有效工作。

经过实施改造后，牵引供电系统的电能质量得到了明显改善。通过实时监测数据可以看出，引入有源滤波器后，系统中的谐波电流含量显著降低，从原来的10%降至2%以下，满足了相关电能质量标准要求。系统中的电压波动也得到了一定程度的减小，电网电压的稳定性得到了明显提高。这一改善效果为地铁运行的稳定性和可靠性提供了有力保障。

另外，有源滤波器技术还带来了经济效益。虽然引入有源滤波器需要一定的投资成本，但由于其在改善电能质量方面的显著效果，可以降低系统运行过程中的故障率和维护成本，提高系统的运行效率和使用寿命，从而带来长期的经济收益。

通过引入有源滤波器技术对牵引供电系统进行改善，可以有效地解决系统中存在的谐波问题，提高系统的电能质量，保障地铁运行的稳定性和可靠性。这一案例为国内类似系统的电能质量改善提供了有益的经验和参考。

四、未来展望

随着社会经济的不断发展和科技水平的提高，牵引供电系统的电能质量改善技术也将不断得到完善和发展。未来，可以期待以下几个方面的发展趋势：

第一，随着电力电子技术的不断进步，电能质量改善装置的性能将得到进一步提升。新型的功率电子器件、控制算法以及集成化技术的应用将使得电能质量改善装置更加高效、稳定和可靠，能够更好地应对系统中的各种电能质量问题。

第二，未来的电能质量改善技术将更加智能化和自适应。随着人工智能和大数据技术的发展，电能质量监测与控制系统将具备更强的智能化能力，能够实时监测系统的运行状态，并根据实际情况进行自主调节和优化，提高系统的响应速度和适应性。

第三，未来的电能质量改善技术将更加注重系统的整体优化和综合治理。除了针对单一问题进行改善外，还将采取综合性的措施和技术手段，对系统进行全面治理和优化，从而提高系统的整体性能和效率。

第四，随着清洁能源的推广和应用，未来的牵引供电系统将更加注重电能质量与能源环境的协调发展。新型的可再生能源和能源存储技术将为系统的电能质量改善提供更多的选择和支持，有助于实现系统的高效、清洁和可持续发展。

未来电能质量改善技术将朝着高效、智能、综合和可持续发展的方向不断演进。这将为牵引供电系统的安全运行和可持续发展提供更加坚实的技术支撑，推动牵引供电系统朝着更加安全、稳定和可靠的方向迈进。

五、结论

综合本文所述，牵引供电系统中的电能质量问题对系统稳定性有着重要影响。有源滤波器、静态无功补偿装置等技术可有效改善，实践案例表明，这些技术在实际应用中取得了显著效果。未来，电能质量改善技术将智能化、综合化发展，为牵引供电系统的稳定运行提供更多支持。

参考文献：

[1]魏文婧,李蓉蓉.同相牵引供电系统改进型混合电能质量调节器研究[J].电气化铁道,2023,34(05):14-17.DOI:10.19587/j.cnki.1007-936x.2023.05.003.

[2]张建雄.新能源接入牵引供电系统对电网电能质量的影响分析[D].兰州交通大学,2023.DOI:10.27205/d.cnki.gltec.2023.001453.

[3]朱华,应宜辰,刘书铭等.牵引供电系统建模及其对电网电能质量的影响分析[J].机车电传动,2022,(04):62-69.DOI:10.13890/j.issn.1000-128x.2022.04.102.

[4]代富强,南斗星,钟帆等.贯通同相供电系统阻抗特性分析[J/OL].铁道标准设计,1-9[2024-02-28].https://doi.org/10.13238/j.issn.1004-2954.202311010005.