電氣化鐵路牽引變電所輸出功率靈活調(diào)控分析

郝佐霖，許根才，吳麗然，胡 亮

（1.神華新朔鐵路有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 010300；2.株洲中車時代電氣股份有限公司， 湖南 株洲 412001）

0 引言

近些年，我國電氣化鐵路得到快速發(fā)展，尤其是高速鐵路、重載鐵路發(fā)展迅速，促進了國民經(jīng)濟發(fā)展[1]。電氣化鐵路中的牽引負(fù)荷作為大功率單相負(fù)荷，具有不對稱供電、波動性大等特點，所引起的諧波、無功、負(fù)序給電氣化鐵路及電力網(wǎng)帶來不利的影響[2-3]。這些問題的產(chǎn)生都與牽引網(wǎng)的供電能力或供電容量有關(guān)，即與供電制式有關(guān)。我國電氣化鐵路接觸網(wǎng)采用單相單邊供電方式，通過牽引變壓器使電網(wǎng)三相電降壓，變?yōu)檫m合電力機車或動車組負(fù)荷的單相電，且通常在變電所饋線出口處及兩牽引變電所之間的分區(qū)所（供電臂末端）設(shè)置電分相裝置[4-5]。

隨著鐵路運載量逐年增加，牽引網(wǎng)供電能力與性能越來越受到大家的關(guān)注[6]。日本學(xué)者于1993 年提出鐵路功率調(diào)節(jié)器（railway power conditioner, RPC），其通過在牽引變壓器兩繞組間增設(shè)交直交變流器來抑制負(fù)序電流，從而提高了電能質(zhì)量[7-8]；但RPC 未解決大負(fù)荷下的供電能力問題，即對供電能力提升效果不佳。文獻[9-12]對RPC 的基本功能原理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制方法等作了相關(guān)闡述，但多以治理負(fù)序為主要目標(biāo)，未考慮到RPC 對供電能力的影響。

針對上述問題，本文首先介紹了以RPC 為主的牽引變電所平衡供電原理，然后針對變電所兩臂負(fù)荷不均衡及變壓器容量不能被高效利用的問題，提出一種采用平衡供電技術(shù)調(diào)節(jié)輸出能力的方法。其實時檢測兩個供電臂的負(fù)荷水平，當(dāng)某一供電臂負(fù)載較大時，通過RPC從輕載供電臂吸收能量，向重載供電臂釋放能量，從而實現(xiàn)相鄰供電臂負(fù)荷的動態(tài)削峰填谷。該方法可被等效視為是從牽引變壓器兩輸出繞組共同向某一供電臂輸出電能，從而達(dá)到提升供電能力的目的，其可為我國電氣化鐵路牽引供電的高效、安全運行提供參考。

1 變電所平衡供電

1.1 供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電氣化鐵路從公用電網(wǎng)接受電能，通過牽引變電所的變壓器將電能從三相110 kV（或220 kV，330 kV）變換成單相27.5 kV 或2×27.5 kV（AT 供電），并向鐵路上、下行兩個方向的牽引網(wǎng)供電[13-14]?；谧冸娝胶夤╇娂夹g(shù)，通過在變電所增設(shè)平衡供電裝置（即RPC）來實現(xiàn)牽引能量的靈活調(diào)度，電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。其中，ITa,ITb為牽引變壓器向兩供電臂的輸出電流；ILa,ILb分別為兩供電臂的負(fù)載電流；Ica,Icb為平衡供電裝置的兩端輸入電流；RPC 主要由單相變壓器(Ta, Tb)和交直交變流器構(gòu)成。

圖1 變電所平衡供電系統(tǒng)Fig. 1 Balanced power supply system in substation

平衡供電裝置中的交直交變流器可采用多種拓?fù)湫问?，圖2 為典型的兩電平變流器結(jié)構(gòu)，此外還可以采用三電平變流器、模塊化多電平變流器等。平衡供電裝置實時采集兩臂負(fù)荷，實現(xiàn)兩供電臂能量的雙向流動，既可以抑制系統(tǒng)負(fù)序和無功，也可以均衡兩臂負(fù)荷，實現(xiàn)牽引變壓器容量利用率的提升，即等效提升供電能力。

圖2 兩電平平衡供電裝置示意Fig. 2 Diagram of two-level balanced power supply device

1.2 工作原理

變電所平衡供電裝置兩臺變壓器分別連接至兩個供電臂，通過采集供電臂電壓和負(fù)荷電流，計算得到交直交變流器的補償電流，再經(jīng)過電壓、電流雙閉環(huán)控制，實現(xiàn)對兩臂有功功率、無功功率的靈活控制（圖3）。其中，電壓和電流控制器一般選用傳統(tǒng)的PI 控制器、PR 控制器等。

圖3 控制系統(tǒng)框圖Fig. 3 Block diagram of the control system

平衡供電用于抑制負(fù)序電流，其工作原理與牽引變壓器的連接形式有關(guān)。以V/v 接線變壓器為例，若僅供電臂a 帶負(fù)載電流ILa，則此時高壓側(cè)B 相空載（即IB=0），負(fù)序較嚴(yán)重，如圖4（a）所示。采用平衡供電裝置后，將從空載或輕載供電臂向重載供電臂轉(zhuǎn)移有功電流ΔI，輸出一定無功電流Iq，即可實現(xiàn)牽引變壓器輸出電流大小相等（ITa=ITb）以及電網(wǎng)側(cè)三相負(fù)荷對稱，如圖4（b）所示。

圖4 平衡供電系統(tǒng)采用V/v 牽引變壓器時的工作原理矢量圖Fig. 4 Working principle vector diagram of the balanced power supply system with V/v traction transformer

2 輸出功率調(diào)控策略

相鄰供電臂獨立供電，且受車輛數(shù)量、載重量及線路坡道等因素影響，每個供電臂的負(fù)荷分布不相同，分別為該供電臂所有負(fù)載之和，如式（1）和圖5 所示。如圖6 所示，在實際運行中經(jīng)常在同一時間出現(xiàn)為一個供電臂空載、另一個供電臂帶載（工況1），或一個供電臂輕載、另一供電臂重載（工況2）。通常，牽引變壓器被按照最大負(fù)荷設(shè)計容量，且兩繞組之間不能相互支援，造成牽引變壓器單個繞組容量配置偏大而整體容量經(jīng)常不能被充分利用。

圖5 相鄰供電臂負(fù)荷分布Fig. 5 Load distribution of adjacent power supply arms

圖6 相鄰供電臂典型負(fù)荷Fig. 6 Typical load of adjacent power supply arms

若采用變電所平衡供電裝置實現(xiàn)牽引變壓器輸出功率的靈活調(diào)控，則需根據(jù)兩臂負(fù)荷計算得到兩臂功率，由此決定平衡供電裝置兩側(cè)輸出電流。定義影響因子λ，具體如式（2）所示。

式中：Pa，Pb——供電臂a 和供電臂b 的功率；Plim——功率限制。

功率限制Plim的選取較靈活，一般根據(jù)兩供電臂負(fù)荷大小確定，原則是大于兩臂輕載負(fù)荷且小于重載負(fù)荷，如選擇為重載功率的20%～40%。

當(dāng)影響因子λ為1，即某一供電臂功率大于限值時，平衡供電裝置按照一定能力轉(zhuǎn)移負(fù)荷，即由輕載臂吸收能量，向重載臂饋出能量，實現(xiàn)有功功率轉(zhuǎn)移；否則，平衡供電裝置空載運行，輸入和輸出功率均為0。

如圖7 所示，根據(jù)牽引變電所兩個供電臂的母線電壓（UTa,UTb）、負(fù)荷電流（ITa,ITb）和功率因數(shù)（cosφa, cosφb），可計算出兩供電臂的實時功率，如式（3）所示。

圖7 平衡供電裝置輸出參考電流Fig. 7 Output reference current of the balanced power supply device

由式（2）計算影響因子，當(dāng)λ=0 時，認(rèn)為兩臂負(fù)荷都很小，平衡供電裝置空載運行；當(dāng)λ=1 時，平衡供電裝置調(diào)節(jié)輸出功率，實現(xiàn)由輕載臂向重載臂供電的功能，此時功率參考值如式（4）所示。

3 算例分析

為了驗證本文方案，以某高速鐵路為例進行分析，其兩供電臂牽引電流如圖8 所示?？梢钥闯觯谕粫r刻兩臂電流差異性很大，經(jīng)常表現(xiàn)為一臂空載、一臂帶載，或一臂輕載、一臂重載。

圖8 兩供電臂負(fù)荷電流Fig. 8 Load currents of adjacent power supply arms

設(shè)定功率限制Plim為12.4 MW，等效電流限值為450 A，采用變電所平衡供電裝置實現(xiàn)兩臂功率平衡后，兩臂負(fù)荷情況如圖9 所示?？梢钥闯?，采用變電所平衡供電裝置后，兩供電臂沖擊負(fù)荷峰值降低20%～40%，尤其是在原負(fù)荷電流較大工況下，效果更明顯，且兩臂負(fù)荷基本相同。

圖9 采用平衡供電裝置前后供電臂電流Fig. 9 Currents of power supply arms with and without the balanced power supply device

4 結(jié)語

針對電氣化鐵路牽引供電容量利用率低的問題，本文分析了變電所平衡供電技術(shù)的實現(xiàn)方式、功能原理，提出一種采用平衡供電技術(shù)調(diào)節(jié)牽引變電所輸出功率的方法。通過采用此平衡供電技術(shù)，可以均衡兩臂負(fù)荷，實現(xiàn)輸出功率靈活調(diào)控，在負(fù)載不變的條件下可以降低變壓器最大容量需求，對提高牽引供電能力具有重要意義。后續(xù)將研究平衡供電裝置供電能力提升和供電品質(zhì)提升的協(xié)調(diào)控制，實現(xiàn)多目標(biāo)的最優(yōu)控制，充分發(fā)揮該裝置靈活調(diào)控功率的能力。