高速和重載電氣化鐵路V型接線牽引變壓器負序補償研究

夏焰坤，李群湛，解紹鋒，易 東，郭 鍇

（西南交通大學 電氣工程學院，四川 成都 610031）

0 引言

我國電氣化鐵路采用單相工頻交流供電方式，該方式具有供電系統(tǒng)結(jié)構簡單、供電電壓高的特點，但相對于三相電力系統(tǒng)是一種不對稱供電方式，存在負序問題。電力機車負荷是大功率非線性負載，存在功率大、無功含量高、諧波大的特點。因此負序、無功和諧波是電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)早期面臨的三大問題[1-2]。

隨著現(xiàn)代電力電子技術的發(fā)展，我國通過引進-消化-吸收-再創(chuàng)新的辦法，目前已開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權的大功率交直交型和諧號高速動車組和和諧號重載機車。交直交型機車具有功率因數(shù)高（接近1）、低次諧波含量少的特點，極大改善了電氣化鐵路的電能質(zhì)量問題。然而，隨著大功率機車的投入運營，負序問題將會長期存在。負序能夠引起電力系統(tǒng)發(fā)電機轉(zhuǎn)子過熱、振動，引起繼電保護裝置誤動等一系列問題[3-4]。

負序大小與牽引變壓器接線形式有關[1，5]，為改善負序變電所廣泛采用三相-兩相平衡變壓器（scott、阻抗匹配平衡變）和三相-兩相非平衡變壓器（Vv、YN，d11）。其中由兩單相變壓器通過外部連接組合成Vv、Vx接線牽引變壓器，因其結(jié)構簡單、投資小，在我國高速和重載電氣化鐵路中得到廣泛應用。因此有必要研究V型接線變壓器的負序特點。

目前國內(nèi)外對電氣化鐵路引起的負序、無功和諧波等問題的治理進行了研究和工程應用[6-10]，主要分無源治理和有源治理。無源治理以三相SVC裝置為代表，通過動態(tài)投入電容和電抗，在補償負序的基礎上，兼補無功、諧波等，但存在動態(tài)響應慢、補償裝置容量大、占地面積大等問題；有源治理以三相靜止同步補償器（STATCOM）和單相潮流控制器（PFC）為代表，是目前提出的一種先進的治理方式，具有動態(tài)響應快、補償裝置容量小、占地面積小的特點，世界上多個國家進行了工程試驗。但是針對我國鐵路廣泛采用的V型接線牽引變壓器供電方式[11-12]，目前研究較少。

本文著重分析了我國電氣化鐵路采用的V型接線牽引變壓器供電方式，在此基礎上分析了負序產(chǎn)生機理及治理措施。針對機車負載單相供電的特點，提出基于PFC的補償結(jié)構，并探討了其異相和同相補償結(jié)構及檢測方法。最后，針對所提出的補償結(jié)構和方法進行了相關仿真驗證。

1 V型接線變壓器供電方式

目前V型接線牽引變壓器構成的牽引供電系統(tǒng)主要包含3種供電方式：直供方式、55kV自耦變壓器（AT）供電方式、2×27.5 kV AT供電方式，如圖 1所示。

圖1（a）為直接供電方式，其中T為牽引網(wǎng)，R為鋼軌，F(xiàn)為回流線。回流線與鋼軌并聯(lián)能起到降低鋼軌電位、減小對外界干擾的作用。該接線方式結(jié)構簡單、投資小，在我國普速電氣化鐵路中有大量應用。

圖1（b）和圖 1（c）分別為 55 kV AT 供電方式和2×27.5 kV AT供電方式，AT采用中點抽頭。二者的主要差別在于變壓器的次邊結(jié)構，2×27.5 kV AT供電方式將變壓器次邊作中點抽頭，省去55 kV AT變電所內(nèi)的第一個AT。目前這2種AT供電方式在我國高速和重載電氣化鐵路上均有應用。

圖1 V型接線供電方式Fig.1 V-connection power supply mode

2 V型接線變壓器負序產(chǎn)生原理及補償

2.1 負序產(chǎn)生及補償分析

由上節(jié)V型接線供電方式可以看出，直接供電方式和55 kV AT供電方式變壓器端口接線相同，都可稱作Vv接線形式，主要差別在于端口電壓不同。而2×27.5 kV AT供電方式變壓器次邊包含中心抽頭，常稱作Vx接線形式，負載側(cè)功率計算與前2種有差別。本文先分析Vv接線負序機理，Vx接線形式特點將在第2.4節(jié)討論。

如圖1（a）所示，不考慮高速鐵路交直交型機車負載諧波含量，功率因數(shù)假定為1。以電力系統(tǒng)三相側(cè)A相電壓為基準，次邊兩臂電流分別為：

其中，Ia、Ib為供電臂電流基波有效值。則相應的系統(tǒng)原邊側(cè)電流為：

其中，K為變壓器變比?？傻迷吅痛芜呺妷汉碗娏魇噶筷P系如圖2所示。

圖2 電壓和電流矢量圖Fig.2 Vector diagram of voltage and current

由圖2可以看到，次邊兩相電流矢量相角差別為60°，次邊三相電流不平衡，始終存在負序分量。

根據(jù)文獻[13]，次邊兩相電流在原邊引起的正、負序電流大小分別為：

將a相接線角ψa=30°和b相接線角ψb=90°代入上式，則得到電流不平衡度：

由式（4）可得到Vv接線變壓器電流不平衡度曲線，如圖3所示，橫坐標為兩臂電流比n=Ia/Ib，取值范圍為 0～3。

圖3 電流不平衡度曲線Fig.3 Curve of current unbalance degree

由圖3可得出結(jié)論：Vv接線變壓器引起的負序在兩臂電流Ia=Ib時，有最小值0.5，其中任一相電流為0時，有最大值1。因此補償系統(tǒng)的最低要求應使兩臂有功電流平衡，并要在此基礎上補償感性和容性無功功率：，使得三相側(cè)負序分量為0，補償量為，如圖 4所示，其中已經(jīng)令Ia=Ib。

針對V型接線變壓器存在的負序問題，根據(jù)牽引變電所內(nèi)是否取消電分相環(huán)節(jié)，可以從2個方面進行治理：異相供電結(jié)構負序補償（保留電分相）和同相供電結(jié)構負序補償（取消電分相）。

圖4 補償矢量關系及負序圖Fig.4 Compensation vector and negative sequence diagram

2.2 異相供電補償結(jié)構和原理

異相供電補償即在現(xiàn)有變壓器次邊兩相供電方式基礎上增加綜合補償裝置，見圖5。系統(tǒng)原有結(jié)構不改變，次邊兩相間（變電所內(nèi)）分相裝置仍然存在。圖5給出了一種基于PFC的補償結(jié)構，PFC通過背靠背結(jié)構連接2個供電臂。PFC由降壓變壓器、開關管和直流側(cè)電容組成，能夠?qū)崿F(xiàn)兩供電臂之間有功功率的雙向流動，并能在兩供電臂端口分別補償無功功率。

圖5 異相供電時補償系統(tǒng)結(jié)構Fig.5 Structure of compensation system in out-phase power supply mode

由第2.1節(jié)可知，補償?shù)那疤嵩谟谑紫葯z測負載兩端口電流大小，計算出平均電流，然后在此基礎上補償相應無功分量，即可消除負序。系統(tǒng)電流檢測方法如圖6所示。

圖6 異相供電時負序電流檢測框圖Fig.6 Block diagram of negative sequence current detection in out-phase power supply mode

檢測方法基本原理如下。

以原邊A相電壓為基準，變壓器次邊兩供電臂電壓為：

不考慮次邊無功和諧波電流分量，則兩供電臂電流為：

根據(jù)單相瞬時功率理論，容易得到兩單相系統(tǒng)有功電流之和為：

上式包含直流分量和2次諧波分量。經(jīng)過低通濾波器（LPF）后，2次諧波分量被濾除，再乘以0.5，即得到兩臂電流平均值。

上式兩臂電流包含有功電流和相應的無功電流分量，相應的補償電流指令為：

PFC裝置在計算出補償電流ica和icb后，經(jīng)過電流跟蹤控制算法和開關調(diào)制方式，及時補償三相系統(tǒng)中的負序分量，使得三相側(cè)電流完全對稱，從而消除了負序，裝置控制原理見圖7。圖7中采用直接電流控制方式[14-15]，在電流檢測基礎上增加了PFC直流側(cè)電壓控制環(huán)節(jié)和電流閉環(huán)PI比較環(huán)節(jié)。直流側(cè)電壓Ud通過PI環(huán)節(jié)實時跟蹤指令電壓Udref以維持直流側(cè)電壓穩(wěn)定。同理，變流器輸出的補償電流通過PI實時跟蹤補償電流指令，以得到系統(tǒng)需要的補償電流，跟蹤后的電流誤差通過三角載波控制方式，產(chǎn)生PFC需要的驅(qū)動信號。

圖7 異相供電時控制框圖Fig.7 Block diagram of control in out-phase power supply mode

2.3 同相供電補償結(jié)構和原理

由于牽引變壓器次邊兩供電臂電壓相位不同，需要安裝電分相裝置，變電所之間分區(qū)所也存在電分相環(huán)節(jié)。電分相是電氣化鐵路接觸網(wǎng)中的供電死區(qū)，也是薄弱環(huán)節(jié)。列車經(jīng)過電分相時，總要經(jīng)過減速、斷電等一系列過分相操作，引起列車速度損失，同時存在過電壓、過電流等不安全因素。近年來隨著高速電氣化鐵路的發(fā)展，對取消變電所內(nèi)的電分相環(huán)節(jié)、實現(xiàn)同相供電方式方面，鐵路領域相關專家進行了深入研究。由Vv接線變壓器構成的同相供電系統(tǒng)結(jié)構如圖8所示。

圖8 同相供電時補償系統(tǒng)結(jié)構Fig.8 Structure of compensation system in co-phase power supply mode

圖8中變壓器次邊a相不直接與牽引網(wǎng)相連，a相和b相接PFC裝置，整個牽引網(wǎng)直接連接在一起。顯然，除牽引網(wǎng)取消電分相之外，從補償系統(tǒng)角度看來，同相供電方式只是異相補償方式的一種特殊情況，是iaL=0的情況，相應兩臂平均電流為b相負載電流的一半，即a相側(cè)通過PFC裝置實時傳遞負載有功電流的一半給b相，并要在兩臂補償相應無功分量。在圖6基礎上令iaL=0，得到同相供電時系統(tǒng)電流檢測框圖如圖9所示。

圖9 同相供電時負序電流檢測框圖Fig.9 Block diagram of negative sequence current detection in co-phase power supply mode

兩供電臂補償電流指令為：

同相供電時補償系統(tǒng)控制結(jié)構與圖7類似，亦采用電壓和電流環(huán)閉環(huán)控制方式。

2.4 Vx接線補償分析

Vx接線變壓器次邊繞組采取中心抽頭的方法，次邊電流分配比Vv接線變壓器復雜，次邊結(jié)構如圖10所示。忽略AT漏抗，假定機車端電壓為27.5 kV，兩機車取流均為100A，容易得到圖中電流分配關系。

圖10 Vx接線次邊電流分配Fig.10 Secondary current distribution for Vx-connection

顯然在第1個AT段內(nèi)，相當于直接供電方式，靠近變壓器側(cè)F線不流過電流。在第2個AT段內(nèi)，供電方式與55 kV AT供電方式相當，認為第1個AT內(nèi)鋼軌R中無電流流過。這樣，Vx接線變壓器次邊負載總功率為27.5IT+27.5IF（kW）。因此在計算Vx接線變壓器兩臂電流有效值時，要同時檢測T線和F線電流。變壓器負序特性和Vv接線相同，當PFC裝置接在兩臂T和F段進行異相和同相供電補償時，相應的檢測電流部分需要作出修正，補償系統(tǒng)結(jié)構和檢測方法與Vv接線類似，在此不再贅述。

3 仿真分析

為驗證本文所分析負序補償原理和檢測方法的正確性，在MATLAB/Simulink平臺上進行了仿真驗證。其中電力系統(tǒng)側(cè)電壓為220 kV，牽引網(wǎng)額定電壓27.5 kV，PFC裝置采用單相背靠背結(jié)構，降壓變壓器電壓比為27 500∶930，中間直流側(cè)電壓設定為3000 V，控制系統(tǒng)采用電壓電流雙閉環(huán)結(jié)構，電壓環(huán)PI參數(shù)中比例系數(shù)為0.4，積分系數(shù)為10，電流環(huán)PI參數(shù)中比例系數(shù)為0.3，積分系數(shù)為400，三角載波頻率選用1000 Hz。機車負載采用恒功率源表示。

下面分別就異相供電補償和同相供電補償進行仿真分析。

3.1 異相供電補償仿真

圖11給出了a相機車負荷有功功率為5 MW、b相機車負荷有功功率為10 MW時的仿真結(jié)果。在未補償?shù)那闆r下，原邊220 kV三相電流不對稱，其不對稱度達到57.7%，存在大量負序電流分量注入到電力系統(tǒng)。同樣負荷條件下變電所采用PFC補償后，原邊電流平衡，負序電流得到治理。此時補償后原邊電流比未補償時小。

圖11 異相供電時補償前后原邊電流Fig.11 Primary current before and after compensation in out-phase power supply mode

3.2 同相供電補償仿真

圖12給出了同相供電時機車負荷有功功率為10MW時的仿真結(jié)果。在未補償?shù)那闆r下，原邊220 kV三相電流不對稱，其不對稱度達到100%，存在大量負序電流分量注入到電力系統(tǒng)。同樣負荷條件下變電所采用PFC補償后，PFC從a相傳遞功率給b相，系統(tǒng)原邊電流平衡，負序電流得到治理。

圖12 同相供電時補償前后原邊電流Fig.12 Primary current before and after compensation in co-phase power supply mode

通過上述2種情況下仿真分析可知，PFC裝置能夠很好地治理V型接線變壓器引起的負序電流，為高速和重載電氣化鐵路電能質(zhì)量治理提供了一種良好的解決途徑，同時也驗證了本文理論的正確性。

4 結(jié)論

a.針對Vv型接線牽引變壓器在異相和同相供電模式情況下，提出補償方案和電流檢測方法。從補償角度看，同相補償只是異相補償?shù)奶乩?/p>

b.討論了Vx接線變壓器次邊電流分配情況，并提出相應電流檢測措施。

c.仿真結(jié)果驗證了本文所提負序補償方案和檢測方法的有效性，為我國高速電氣化鐵路今后進行負序治理提供參考。