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电气化铁路负序与谐波综合补偿策略及应用研究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着全球经济的快速发展和城市化进程的加速，交通运输需求日益增长。电气化铁路作为一种高效、环保的运输方式，在现代交通运输体系中占据着越来越重要的地位。近年来，我国电气化铁路发展迅猛，截至2024年底，全国铁路营业里程16.2万公里，其中高铁4.8万公里，电化率达75.8%，电气化铁路里程逾12万公里。电气化铁路具有速度快、容量大、能耗低、噪音小等显著优点，能够有效缓解交通压力，促进区域经济发展。

然而，电气化铁路的广泛应用也带来了一系列电能质量问题，其中负序与谐波问题尤为突出。电气化铁路的电力机车通常采用单相整流负荷，这种负荷特性使得其在运行过程中会向电力系统注入大量的负序电流和谐波电流。负序电流会导致发电机转子发热、振动加剧，降低发电机的效率和使用寿命；还会影响继电保护装置的正常动作，威胁电力系统的安全稳定运行。而谐波电流则会使电力设备的损耗增加，引起变压器、电动机等设备的过热，降低设备的可靠性；谐波还会对通信系统产生干扰，影响通信质量。此外，负序与谐波问题还会对铁路自身的设备和系统造成损害，如导致牵引变压器过热、绝缘老化，影响列车的正常运行。

因此，研究电气化铁路负序与谐波的综合补偿方法具有重要的现实意义。通过有效的综合补偿，可以降低负序电流和谐波电流对电力系统和铁路自身的危害，提高电力系统的电能质量和稳定性，保障铁路的安全可靠运行；还能减少设备损耗，降低运营成本，提高能源利用效率，促进电气化铁路的可持续发展。

1.2国内外研究现状

在电气化铁路负序与谐波综合补偿领域，国内外学者和工程技术人员开展了大量的研究工作，并取得了一系列成果。

国外方面，日本学者率先提出了铁路功率调节器（RPC），它能够对负序、谐波和无功进行就地综合补偿，适用于对高速铁路突出的负序和谐波问题进行综合治理。此外，德国、法国等国家也在电气化铁路电能质量治理方面进行了深入研究，提出了多种补偿方案和技术，如采用有源滤波器、静止无功补偿器等设备进行补偿。

国内在该领域的研究也取得了显著进展。西南交通大学的科研团队在同相供电领域进行了大量研究，提出了基于YNd变压器与静止无功发生器（SVG）的电气化铁路同相供电综合补偿方案及控制策略，能够实现公共连接点处因牵引负荷引起的负序问题的治理，并且可兼顾治理公共连接点处牵引负荷带来的谐波问题。还有学者提出了序导纳法进行无功负序补偿，利用序导纳矩阵来计算补偿导纳，用晶闸管控制电抗器（TCR）与电容器并联来实现此补偿导纳，从而构成负序无功补偿装置，通过实例分析表明该方法补偿效果好。

然而，现有研究仍存在一些不足之处。部分补偿方法在实际应用中存在成本高、可靠性低等问题；一些研究成果未能充分考虑电气化铁路负荷的动态变化特性，导致补偿效果不理想；不同补偿方法之间的协同配合研究还不够深入，难以实现负序与谐波的全面、高效补偿。因此，如何进一步改进和完善电气化铁路负序与谐波综合补偿技术，仍是当前亟待解决的问题。

1.3研究内容与方法

本文主要研究内容包括以下几个方面：首先，深入分析电气化铁路负序与谐波的产生原因，从电力机车的负荷特性、牵引变压器的接线方式等角度进行剖析，明确其产生的内在机制。其次，详细探讨负序与谐波对电力系统和铁路自身设备的影响，通过理论分析和实际案例，阐述其危害的具体表现。再者，研究各种负序与谐波综合补偿方法，对比分析不同方法的优缺点和适用范围，如铁路功率调节器（RPC）、静止无功补偿器（SVC）、有源滤波器（APF）等。最后，提出一种优化的综合补偿方案，并通过仿真模拟验证其有效性和可行性。

在研究方法上，主要采用以下几种：一是理论分析，运用电力系统分析、电力电子技术等相关理论，对电气化铁路负序与谐波的产生、影响及补偿原理进行深入分析；二是案例研究，结合实际的电气化铁路工程案例，对负序与谐波问题进行具体分析和研究，总结经验教训；三是仿真模拟，利用MATLAB/Simulink等仿真软件，搭建电气化铁路供电系统模型，对不同补偿方法和方案进行仿真分析，对比其补偿效果，优化补偿策略。

二、电气化铁路负序与谐波产生机制

2.1负序产生原因及分析

2.1.1牵引供电系统结构与原理

电气化铁路牵引供电系统主要由牵引变电所和牵引网两大部分组成。牵引变电所的主要作用是将电力系统提供的三相高压交流电（通常为110kV或220kV）变换为适合电力机车使用的单相交流电（一般为27.5kV或55kV）。其核心设备是牵引变压器，常见的牵引变压器接线方式有单相接线、V/V接线、三相YNd11接线、Scott接线以及阻抗匹配平衡接线等。

以三相YNd11接线牵引变压器为例，其一次侧接成星形（Y），二次侧接成三角