電氣化鐵路特殊的供電方式及電力機車的固有特性給牽引供電系統(tǒng)帶來了負序、諧波電流和無功功率等電能質(zhì)量問題，威脅鐵路安全運行的同時又增加鐵路部門運營成本。

目前，我國的牽引變電所主要采用換相接入公共電網(wǎng)的方式緩解負序電流的影響，但由于牽引負荷隨機波動，效果并不理想。供電臂上安裝單相靜止同步補償器（Static Synchronous Compensator, STATCOM）相對于高壓側(cè)安裝三相STATCOM可降低其電壓等級，但不能提供兩相負載有功功率平衡通路。

早期的牽引供電系統(tǒng)采用靜止無功補償器（Static Var Compensator, SVC）對無功功率進行動態(tài)補償，但過高的電壓等級使其投資過高而未能大量應(yīng)用。日本學(xué)者提出的鐵路功率調(diào)節(jié)器（Railway static Power Conditioner, RPC）結(jié)構(gòu)簡單且通用性強，對電氣化鐵路存在的電能質(zhì)量問題具有較好的治理效果，但補償容量大導(dǎo)致的高投入問題限制了推廣應(yīng)用。

已有學(xué)者在RPC基礎(chǔ)上進行了諸多改進，有學(xué)者提出了一種無輔助變壓器的繞組補償結(jié)構(gòu)，取消了輔助變壓器可節(jié)省一定成本。有學(xué)者采用磁控靜止無功補償器（Magnetic Static Var Compensator, MSVC）與RPC混合補償結(jié)構(gòu)，雖降低了RPC容量但控制難度增加。有學(xué)者采用晶閘管控制3次濾波器與RPC并聯(lián)連接，有效降低RPC容量，但控制系統(tǒng)響應(yīng)速度及穩(wěn)定性難以保證。平衡變壓器有較好的抑制負序電流的能力，可降低RPC容量，是一種較為理想的牽引變壓器。

為充分發(fā)揮RPC的優(yōu)勢，降低補償系統(tǒng)成本，本文提出一種基于不對稱接線平衡變壓器的電氣化鐵路電能質(zhì)量混合調(diào)節(jié)系統(tǒng)（Asymmetrical Connection Balance Transformer based Hybrid Power QualityControl System, ACBT-HPQCS），如圖1所示。

該系統(tǒng)中不對稱接線平衡變壓器（Asymmetrical Connection Balance Transformer, ACBT）作為主牽引變壓器，引入感應(yīng)濾波變壓器（Inductively FilteredRectifier Transformer, IFRT）[13-14]代替普通隔離降壓變壓器，不僅隔離了供電臂與補償裝置間的電氣連接，降低負荷電流沖擊對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，而且可在變壓器二次側(cè)實現(xiàn)特定次諧波抑制，降低系統(tǒng)損耗。

此外，調(diào)諧支路（FilterTuned branches, FT）還具有無功補償?shù)墓δ?。RPC與IFRT的混合式結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)動態(tài)綜合補償，顯著降低有源器件的容量及損耗，降低投資成本并延長補償系統(tǒng)使用壽命。

圖1 ACBT-HPQCS拓撲結(jié)構(gòu)

圖6 系統(tǒng)控制框圖

圖9 實驗系統(tǒng)

結(jié)論

本文提出一種基于平衡變壓器的混合補償系統(tǒng)。分析了牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量問題產(chǎn)生的機理，給出了補償系統(tǒng)相量圖，采用IFRT代替?zhèn)鹘y(tǒng)隔離變壓器，在濾波的同時補償無功功率。基于實測負荷數(shù)據(jù)的分析，給出了無源器件容量設(shè)計方法，在保證補償效果的同時降低了系統(tǒng)造價；采用阻尼注入式無源控制方式對交流量進行快速跟蹤，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

最后，對某牽引變電所算例的仿真與實驗結(jié)果表明，所提系統(tǒng)可顯著降低有源部分容量，在不降低補償效果的同時，顯著提高HPQCS的性價比，具有重要的工程應(yīng)用價值。