一種新型同相供電系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

侯鵬飛，周方圓，吳麗然，李明林

（1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 611756；2.株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，株洲 412001）

電氣化鐵路中的牽引負(fù)荷具有非線性、沖擊性、波動性等特點(diǎn)，所引起的諧波、無功、負(fù)序等問題給電氣化鐵路及鐵路沿線電力用戶帶來不利影響，如增加設(shè)備和線路損耗、降低用電設(shè)備使用壽命等[1-3]。

目前，國內(nèi)外提出了大量改善供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的方法。輪流換相可在一定程度上減小負(fù)序電流對電網(wǎng)的影響，但負(fù)序治理效果不理想[4]；靜止無功補(bǔ)償器能動態(tài)調(diào)節(jié)無功，但該措施只能補(bǔ)償部分負(fù)序電流[5]；有源電力濾波器動態(tài)性能優(yōu)越，在諧波治理方面得到廣泛應(yīng)用[6]；鐵路功率調(diào)節(jié)器在負(fù)序抑制、諧波治理和無功補(bǔ)償方面效果顯著，能有效提高電能質(zhì)量[7]。

隨著我國高速和重載鐵路的迅速發(fā)展，牽引供電系統(tǒng)中電分相的存在給列車帶來牽引力和速度損失等諸多問題[8]。同相供電技術(shù)不僅可以取消電分相，還可提高供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，是較為理想的供電方式之一。德國、瑞士、奧地利等歐洲國家主要采用ABB 公司生產(chǎn)的二極管箝位級聯(lián)AC-DC-AC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變頻器實(shí)現(xiàn)三相-單相直接變換，但該方案存在成本高、需要特殊的單相輸入/輸出變壓器以及結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺點(diǎn)[9]；日本采用H-bridge 級聯(lián)多AC-DC-AC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電子變頻器實(shí)現(xiàn)三相-單相直接變換，但該方案中變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，器件多，成本較高[10-11]；文獻(xiàn)[12]首次提出同相供電理論，在取消變電所電分相的同時(shí)實(shí)現(xiàn)了諧波、負(fù)序和無功的綜合治理；文獻(xiàn)[13-16]采用潮流控制器與不同接線形式變壓器相結(jié)合構(gòu)成的同相牽引供電系統(tǒng)，在改善供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的同時(shí)取消了變電所電分相，但同相供電平衡補(bǔ)償裝置和牽引變壓器的結(jié)構(gòu)和容量上相互捆綁和依存，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

針對上述問題，本文提出一種適用于電氣化鐵路的新型同相供電系統(tǒng)。在分析新型同相供電系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，采用一種基于dq 變換的系統(tǒng)協(xié)同控制策略，并基于某牽引變電所的實(shí)測負(fù)荷數(shù)據(jù)仿真驗(yàn)證所提系統(tǒng)的有效性。相對于傳統(tǒng)的基于平衡變壓器的組合式同相供電，本文采用結(jié)構(gòu)更加簡單、制造簡單、價(jià)格低的V/v 變壓器。此外，本方案變壓器低壓繞組串聯(lián)，兩繞組的電壓較低，絕緣耐壓要求低。

1 工作原理

1.1 新型同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文提出的基于V/v 接線變壓器的新型同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。該系統(tǒng)由有源補(bǔ)償裝置和V/v 接線變壓器構(gòu)成，其中：V/v 接線變壓器在常規(guī)V/v 變壓器的基礎(chǔ)上，將網(wǎng)側(cè)三相110 kV（或220 kV）電壓變?yōu)? 個15.9 kV 的單相電壓，再將2 個次邊繞組ab、cb 串聯(lián)構(gòu)成單相繞組，為牽引負(fù)荷供電。有源補(bǔ)償裝置含有共用直流電容的2 個變流器VSC1 和VSC2，VSC1 和VSC2 通過單相降壓變壓器（T1、T2）分別接入V/v 接線變壓器的2 個次邊繞組，通過有源補(bǔ)償裝置補(bǔ)償牽引側(cè)無功和諧波，可實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)負(fù)序、諧波和無功的綜合治理，實(shí)現(xiàn)三相-單相平衡供電。

圖1 新型同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of novel co-phase power supply system

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是：VSC1 和VSC2 可實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)負(fù)序、無功、諧波的綜合補(bǔ)償。三相系統(tǒng)無需換相連接，且V/v 變壓器只需提供負(fù)載所需的有功功率，可有效提高變壓器的利用率，降低變壓器容量，相對于傳統(tǒng)的基于平衡變壓器的組合式同相供電，本文采用結(jié)構(gòu)更加簡單、制造簡單、價(jià)格低的V/v 變壓器。此外，本方案變壓器低壓繞組串聯(lián)，兩繞組的電壓較低，絕緣耐壓要求低。

1.2 補(bǔ)償原理分析

本文將V/v 接線變壓器次邊繞組串聯(lián)實(shí)現(xiàn)三相輸入和單相輸出。通過有源補(bǔ)償裝置在牽引側(cè)補(bǔ)償無功和諧波可實(shí)現(xiàn)三相不平衡治理、負(fù)載無功補(bǔ)償和諧波治理的功能。

對有源補(bǔ)償裝置投入前該系統(tǒng)所產(chǎn)生的負(fù)序電流進(jìn)行計(jì)算。以A 相電壓為基準(zhǔn),則有

式中：UA、UB、UC分別為ABC 三相系統(tǒng)相電壓；UAB、UCB分別為原邊繞組AB、CB 的線電壓；Uab、Ucb分別為次邊繞組ab、cb 的線電壓；UL為負(fù)載端口電壓；K 為變壓器變比。

設(shè)負(fù)荷電流為iL，負(fù)載功率因數(shù)為1，則次邊繞組電流iab=icb=|iL|ej60°，變壓器原邊三相電流為

利用對稱分量法可求得正、負(fù)、零序電流為

將式（4）代入式（5）可得負(fù)序電流為

有源補(bǔ)償裝置投入后，設(shè)變壓器次邊繞組ab兩端補(bǔ)償容性無功電流iCq，繞組cb 兩端補(bǔ)償感性無功電流iLq，則

根據(jù)式（4）、式（5）和式（7）可得補(bǔ)償裝置所產(chǎn)生的負(fù)序電流為

為了完全消除負(fù)序電流，則式（6）和式（8）大小相等，方向相反，可求得所需的容性無功電流和感性無功電流的大小分別為

當(dāng)功率因數(shù)為1 時(shí)，有源補(bǔ)償裝置VSC1、VSC2 分別補(bǔ)償次邊繞組容性無功電流iCq和感性無功電流iLq，使得次邊繞組電流iab相位與電網(wǎng)A相電壓UA一致，icb相位與電網(wǎng)C 相電壓UC一致，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)三相電流平衡。當(dāng)功率因數(shù)不為1時(shí)，有源補(bǔ)償裝置VSC1、VSC2 的補(bǔ)償電流、分別為iCq、iLq與補(bǔ)償負(fù)載無功的補(bǔ)償電流icq的矢量和，補(bǔ)償系統(tǒng)矢量如圖2 所示，圖中，iA、iB、iC分別為變壓器原邊三相電流，通過有源補(bǔ)償裝置可實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)負(fù)序電流和負(fù)載無功的綜合治理。

圖2 補(bǔ)償系統(tǒng)矢量Fig.2 Vectors of compensation system

當(dāng)不考慮諧波和無功時(shí)，有源補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償容量為

2 新型同相供電系統(tǒng)協(xié)同控制策略

新型同相供電系統(tǒng)的協(xié)同控制策略如圖3 所示。采用傳統(tǒng)成熟的控制算法來驗(yàn)證所提系統(tǒng)的有效性，控制策略主要由參考電流檢測、參考電流跟蹤、直流電壓穩(wěn)壓及中點(diǎn)電位平衡控制等部分構(gòu)成。參考電流的精確、快速檢測是保證系統(tǒng)補(bǔ)償效果的關(guān)鍵，鑒相法具有跟蹤性能好、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，在單相交流系統(tǒng)得到大量應(yīng)用[16]，本文采用鑒相法對負(fù)載電流中各電流分量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。

圖3 新型同相供電系統(tǒng)的協(xié)同控制策略Fig.3 Collaborative control strategy for novel co-phase power supply system

設(shè)電氣化鐵路牽引網(wǎng)電壓表達(dá)式為

負(fù)荷電流表達(dá)式為

式中：I1p和I1q分別為負(fù)載的基波有功分量和基波無功分量；ih（t）為諧波電流。

將負(fù)荷電流iL（t）分別乘以電壓同步的單位正余弦信號，其乘積的2 倍分別經(jīng)低通濾波器濾波后可求出基波有功分量I1p和基波無功分量I1q，再分別乘以單位正余弦信號，可得基波有功電流i1p和基波無功電流i1q，用負(fù)載電流分別減去基波有功電流和基波無功電流即可得到諧波電流ih（t）。

參考電流的生成是補(bǔ)償?shù)那疤?，為?shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)負(fù)序、無功和諧波的完全補(bǔ)償，根據(jù)第1.2 節(jié)計(jì)算的補(bǔ)償電流大小和相位，加上檢測到的諧波電流ih（t）得到變流器VSC1 和VSC2 的參考指令電流為和，即VSC1 和VSC2 應(yīng)補(bǔ)償?shù)膮⒖茧娏鞣謩e為

交流側(cè)電流和直流側(cè)電壓采用電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)雙閉環(huán)控制，電壓外環(huán)通過PI 控制維持變流器直流側(cè)電壓穩(wěn)定，并采用基于滯環(huán)比較的中點(diǎn)電位控制方法，通過開關(guān)脈沖組合轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)中點(diǎn)電位平衡控制，電流內(nèi)環(huán)通過PI 控制實(shí)時(shí)跟蹤參考電流指令，得到系統(tǒng)所需補(bǔ)償電流，跟蹤后的電流誤差通過三角載波控制方式產(chǎn)生開關(guān)驅(qū)動信號，實(shí)現(xiàn)對參考電流的快速無差跟蹤控制。采用圖3 的控制系統(tǒng)可充分利用電力電子型有源補(bǔ)償裝置動態(tài)特性優(yōu)越的特點(diǎn)，提高整個系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，滿足牽引負(fù)荷波動性大的要求，同時(shí)控制系統(tǒng)中采用成熟的控制算法，技術(shù)成熟、模型簡單、易于工程實(shí)現(xiàn)。

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提新型同相供電系統(tǒng)的有效性，由某牽引變電所典型實(shí)測數(shù)據(jù)，得到負(fù)荷大小及諧波特征，通過阻感性負(fù)載和諧波源等效模擬該負(fù)荷特性，諧波源參數(shù)根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)中的諧波電流大小來給定，本文模擬牽引負(fù)荷含3、5、7、11 和13 次諧波，在Simulink 平臺進(jìn)行仿真驗(yàn)證。原理如圖1 所示，V/v接線變壓器由2 個容量20 MV·A、110 kV∶15.877 kV 的單相變壓器次邊繞組串聯(lián)構(gòu)成，以合成電壓27.5 kV 為負(fù)載供電，仿真參數(shù)如表1 所示。

表1 仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters

圖4 為有源補(bǔ)償裝置投入前牽引負(fù)載在牽引工況下的仿真結(jié)果，負(fù)載率因數(shù)為0.95。從圖中可以看出，變壓器原邊三相電流不平衡，且含有大量諧波。圖5 為有源補(bǔ)償裝置投入后牽引負(fù)載在牽引工況下的仿真結(jié)果。由圖5 可以看出，有源補(bǔ)償裝置投入后，變壓器原邊三相電流基本平衡，三相電流不平衡度ε 小于7%，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近1，網(wǎng)側(cè)三相電流的總諧波失真THD（total harmonic distortion）均小于5%，補(bǔ)償效果理想。在t=1.0 s 時(shí)負(fù)載增大一倍，所提系統(tǒng)能快速恢復(fù)平衡，說明所提系統(tǒng)動態(tài)性能和補(bǔ)償效果均很好。

圖4 補(bǔ)償裝置投入前牽引工況仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results under traction condition without compensation device

圖5 補(bǔ)償裝置投入后牽引工況仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results under traction condition with compensation device

圖6 為有源補(bǔ)償裝置投入前牽引負(fù)載再生工況下的仿真結(jié)果，從圖中可以看出，有源補(bǔ)償裝置投入前三相電流含有大量的負(fù)序和諧波分量。圖7為有源補(bǔ)償裝置投入后牽引負(fù)載在再生工況下的仿真結(jié)果，從圖7 可以看出，補(bǔ)償后三相系統(tǒng)基本平衡，三相電流不平衡度ε 小于7%，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近-1，網(wǎng)側(cè)三相電流的THD 均小于5%，實(shí)現(xiàn)了負(fù)序和諧波的綜合補(bǔ)償。在t=1.0 s 時(shí)再生功率減小，系統(tǒng)能快速恢復(fù)穩(wěn)定，表明所提系統(tǒng)在負(fù)載再生工況下依然具有良好的動態(tài)性能和補(bǔ)償性能。

圖6 補(bǔ)償裝置投入前再生工況仿真結(jié)果Fig.6 Simulation results under regenerative condition without compensation device

圖7 補(bǔ)償裝置投入后再生工況仿真結(jié)果Fig.7 Simulation results under regenerative condition with compensation device

2 種工況下有源補(bǔ)償裝置投入前后的三相電流諧波含有率、功率因數(shù)和電流不平衡度如表2 所示，從表中可以看出，補(bǔ)償后網(wǎng)側(cè)各項(xiàng)指標(biāo)都有很大的改善，三相電流不平衡度由50%降低到7%以下，電流諧波含量由大于18%減少到5%以下，補(bǔ)償效果顯著。

表2 補(bǔ)償裝置投入前后補(bǔ)償效果Tab.2 Compensation effect with and without compensation device

4 結(jié)語

本文提出一種基于V/v 接線變壓器的新型同相供電系統(tǒng)，通過改進(jìn)V/v 接線變壓器，并結(jié)合有源補(bǔ)償裝置實(shí)現(xiàn)了三相-單相平衡變換，在取消變電所電分相的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)負(fù)序電流、無功和諧波的綜合治理，并且改進(jìn)V/v 接線變壓器兩繞組的電壓較低，絕緣耐壓要求低。根據(jù)實(shí)測負(fù)荷數(shù)據(jù)仿真驗(yàn)證了所提新型同相供電系統(tǒng)牽引負(fù)載在牽引和再生2 種工況下均具有良好動態(tài)性能和補(bǔ)償性能。