基于組合式變換器的川藏鐵路貫通供電方案電氣性能仿真分析

夏焰坤,任俊杰

(西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院，四川 成都 610039)

0 引 言

川藏鐵路全長近1514 km，是本世紀(jì)中國乃至世界最偉大的鐵路工程項目之一，也是迄今為止建設(shè)難度最大、風(fēng)險最高的重點鐵路工程，號稱“高原過山車”。川藏鐵路自東向西依次經(jīng)過五大地貌單元，穿越6條構(gòu)造邊界斷裂和8條全新世活動斷裂帶，翻越21座海拔4000m以上山峰，跨越14條江河，線路8起8伏，嶺谷相對高差達(dá)1500～3000 m，屬典型的多“V”型高山峽谷地貌。牽引供電系統(tǒng)是川藏鐵路的唯一動力來源，其供電質(zhì)量的優(yōu)劣將對保障列車安全、可靠、高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生重大影響。川藏鐵路牽引方面目前主要存在著高海拔、坡度大、自然環(huán)境惡劣、沿線電網(wǎng)薄弱等問題[1-3]。尤其是處于高原地帶外部電源(西藏電網(wǎng))十分薄弱地區(qū)，其電網(wǎng)架構(gòu)稀疏，供電系統(tǒng)短路容量小，供電能力弱，既有平原電氣化鐵路供電方案難以滿足川藏鐵路建設(shè)技術(shù)要求，主要體現(xiàn)在以下方面的挑戰(zhàn)：

1)既有供電方案下各供電臂相互獨立，供電半徑較短，沿線需建設(shè)大量牽引變電所，由于外部電源薄弱和匱乏，無法滿足大規(guī)模供電需求。較小的系統(tǒng)短路容量導(dǎo)致較大的電力系統(tǒng)電壓損失，使得牽引網(wǎng)末端電壓可能低于電力機(jī)車車載變流器最低工作電壓，引起低電壓閉鎖。

2)系統(tǒng)短路容量較小使得電力系統(tǒng)承受的負(fù)序能力低，電氣化鐵路產(chǎn)生的負(fù)序[4-7]通過公共連接點注入電力系統(tǒng)，將對系統(tǒng)電能質(zhì)量造成嚴(yán)重“污染”。

3)山區(qū)、高原地區(qū)海拔落差大，大長坡道區(qū)段較多，列車爬坡速度低，列車下坡里程長。這常常使得牽引供電臂一臂處于再生制動狀態(tài)、另一臂處于空載或牽引狀態(tài)，牽引供電臂能量得不到有效支援和利用，占用牽引供電系統(tǒng)供電容量，惡化負(fù)序水平，同時影響行車安全。

上述問題的解決，將對促進(jìn)高原鐵路的順利建設(shè)和可靠運(yùn)行具有重要的工程現(xiàn)實意義。

近年來興起的同相供電技術(shù)[8-15]，將大功率的電力電子變流器引入到牽引變電所來補(bǔ)償負(fù)序，并能取消所內(nèi)電分相。國內(nèi)開展了同相供電技術(shù)的相關(guān)工程實踐，取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會效益，但主要側(cè)重于單個牽引變電所負(fù)序改善，線路分區(qū)所處依然保留有電分相環(huán)節(jié)，未能實現(xiàn)線路的全線貫通[16-21]。

在上述研究基礎(chǔ)上，提出了一種適用于川藏鐵路牽引供電系統(tǒng)的貫通供電方案。該方案在牽引變電所采用單相變壓器來實現(xiàn)供電同相位，通過大功率變換器來實現(xiàn)三相之間功率平衡，消除單相負(fù)荷引起的負(fù)序影響。下面首先分析了所提系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理，再介紹了變換器控制方法；最后，在仿真平臺上進(jìn)行了不同列車追蹤時間下的仿真。仿真結(jié)果表明所提方案電氣性能指標(biāo)能較好地滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 基于組合式變換器的貫通供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于組合變換器的集中式貫通供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1所示。圖1中給出了4個牽引變電所，每個變電所均采用單相變壓器TT作為牽引變壓器，選取其中一個變電所安裝大功率電力電子變換器(power flow controller，PFC)。該變換器輸入側(cè)為一個三相變壓器T1，輸出側(cè)為一個單相變壓器T2，兩臺變壓器組合構(gòu)成一個等效平衡變壓器。變換器實現(xiàn)從三相系統(tǒng)中A相取電，傳遞功率到牽引網(wǎng)所在相(B、C相)。

圖1 基于變換器的貫通同相牽引供電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1.2 組合式變壓器平衡原理

由三相變壓器和單相變壓器構(gòu)成的等效平衡變壓器端口電壓相量關(guān)系見圖2所示。三相電壓分別為UA、UB和UC，等效的兩單相電壓分別為uα和uβ。一相對應(yīng)三相系統(tǒng)線電壓，一相對應(yīng)三相系統(tǒng)相電壓，二者剛好在相位上相差90°，即uα超前uβ90°。

圖2 組合變壓器電壓相量

單相背靠背連接的變換器兩端口與組合式變壓器連接在一起，如圖3所示。變換器實現(xiàn)uα和uβ兩個端口之間的功率融通，以最大限度消除負(fù)序。

圖3 變換器結(jié)構(gòu)

變換器平衡補(bǔ)償原理如下：

忽略諧波影響，變換器端口電壓可假設(shè)為

(1)

式中：U1為基波電壓有效值；ω為角頻率。

貫通線路等效負(fù)載電流為

(2)

式中：N為變電所數(shù)；Im、φn為第n個變電所電流有效值、電流阻抗角；I、φ分別為等效負(fù)載電流有效值、電流阻抗角。

則等效負(fù)載瞬時功率為

s(t)=uβ(t)i(t)=U1Icosφ-U1Icos 2ωt

(3)

式中，U1Icosφ為負(fù)載有功功率。

如果變換器剛好能從uα傳遞負(fù)載一半的有功功率到uβ，并在uβ側(cè)補(bǔ)償無功功率，則從平衡變壓器次變兩個端口看來，兩個端口輸出的有功功率完全相同，此時變換器兩端輸出的補(bǔ)償容量分別為

(4)

2 變換器控制策略

變換器由大功率電力電子器件構(gòu)成，器件通常組成橋式結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)交流-直流-交流的變換。其控制方式靈活多樣，主要有直接電流控制、間接電流控制、瞬態(tài)電流控制和直接功率控制等。直接功率控制是一種標(biāo)量控制方法，具有實現(xiàn)簡單、控制穩(wěn)定等優(yōu)點，近年來得到快速發(fā)展。這里的變換器采用直接功率控制方法來實現(xiàn)功率指令的閉環(huán)跟蹤。以ua側(cè)為例，構(gòu)造對稱的電壓uα和uβ，對稱的電流為iα和iβ，此時單相側(cè)瞬時有功和無功功率為

(5)

對式(5)進(jìn)行求導(dǎo)，可得

(6)

變換器端口列寫基爾霍夫電壓方程為：

(7)

(8)

式中：ucα和ucβ為變流器端口電壓；L為電感。

整理式(5)—式(8)可得到變換器端口輸出電壓表達(dá)式為

(9)

式中： dp=pref-p，dq=qref-q；pref與qref分別為有功指令和無功指令。

在計算得到變換器端口輸出電壓之后，利用SPWM調(diào)制技術(shù)，分別得到單相橋式結(jié)構(gòu)4個開關(guān)管驅(qū)動信號，變換器控制結(jié)構(gòu)見圖4所示。從圖中可以看出，uα側(cè)以電壓為控制外環(huán)，功率為控制內(nèi)環(huán)；uβ側(cè)只有功率環(huán)。功率為穩(wěn)定的直流分量，方便控制環(huán)路的設(shè)計。

圖4 變換器控制框

3 建模與仿真分析

為驗證所提基于組合式變換器的貫通同相供電系統(tǒng)電氣性能，在Matlab仿真軟件上搭建了圖1相關(guān)電氣模型，假設(shè)貫通線路3個變電所互聯(lián)在一起。系統(tǒng)包含三相電網(wǎng)、3個單相牽引變壓器、組合式變換器等。與川藏電網(wǎng)供電實際情況相接近，三相系統(tǒng)電壓取115 kV，系統(tǒng)短路容量設(shè)置為1500 MVA，牽引變壓器容量設(shè)置為30 MVA，模擬3個變電所構(gòu)成一個貫通線路分區(qū)，每個所供電線路長為40 km，牽引變壓器額定電壓為27.5kV，變換器安裝在第2個牽引變電所，變換器采用單相背靠背變流器結(jié)構(gòu)，隔離變壓器低壓側(cè)為930 V，變換器采用直接功率控制，方便對輸入和輸出進(jìn)行快速跟蹤。牽引網(wǎng)采用直接供電方式，阻抗設(shè)為0.21+j0.52 Ω/km。

動車組采用額定功率5 MW/列，分別對15 min和30 min追蹤列車間隔時間來分析貫通系統(tǒng)相關(guān)電氣性能。15 min和30 min追蹤列車間隔時間下列車在線路上的分布見圖5所示(圖中△和○分別代表15 min追蹤和30 min追蹤列車位置)，其中線路采用復(fù)線供電方式。

圖5 列車分布位置

1)電壓偏差分析

電壓偏差是牽引網(wǎng)供電電壓重要的指標(biāo)之一，規(guī)定牽引網(wǎng)最低電壓不能低于19 kV。圖6給出不同列車追蹤時間下的牽引網(wǎng)電壓分布情況。

圖6 不同追蹤列車間隔時間下的牽引網(wǎng)電壓分布

從圖6中可以看出，不同追蹤列車間隔時間下，牽引網(wǎng)電壓均接近額定值。未采用組合變換器牽引網(wǎng)最低電壓為27.52 kV，電壓偏差很小。采用組合變換器補(bǔ)償后，牽引網(wǎng)電壓最低為27.61 kV，電壓偏差僅為110 V。

2)負(fù)序和功率因數(shù)分析

負(fù)序和功率因數(shù)是電網(wǎng)對牽引供電系統(tǒng)考核的兩個重要指標(biāo)。表1給出了不同追蹤列車間隔時間下的系統(tǒng)指標(biāo)統(tǒng)計結(jié)果，同時圖7給出了指標(biāo)對比情況。

圖7 變換器投入前后(t=0.2 s投入)三相側(cè)負(fù)序和功率因數(shù)

表1 負(fù)序和功率因數(shù)對比

從表 1可以看出，采用組合變換器后，對負(fù)序改善較為明顯，沒有補(bǔ)償前負(fù)序最大為2.41%，大于國家標(biāo)準(zhǔn)2%限制要求。采用組合變換器補(bǔ)償后，負(fù)序最大僅0.21%，說明負(fù)序治理效果明顯。而功率因數(shù)主要受機(jī)車負(fù)載影響，因機(jī)車功率因數(shù)較高，系統(tǒng)側(cè)功率因數(shù)最小值均大于 0.95，高于國家標(biāo)準(zhǔn)值0.9的要求。此外，圖8給出了系統(tǒng)側(cè)三相電流在補(bǔ)償前后波形(0.2 s時投入補(bǔ)償)，從圖中可以看出三相電流在補(bǔ)償前嚴(yán)重不對稱，經(jīng)過變換器補(bǔ)償后三相電流大小基本對稱，峰值由400 A降至280 A，降低了30%。

圖8 變換器投入前后三相側(cè)電流波形

3)變壓器容量分析

傳統(tǒng)高速鐵路牽引變壓器容量一般都選50 MVA，并且三相系統(tǒng)短路容量較大，而川藏鐵路三相系統(tǒng)短路容量小得多，列車班次密度小。采用貫通供電模式后，牽引變壓器可如文中選取30 MVA，單個變電所短時負(fù)荷最大為10 MVA左右，這樣可減少牽引變壓器總?cè)萘客度耄瑥亩兄诮档拖到y(tǒng)容量電費(fèi)、安裝和運(yùn)營成本。

綜上所述，所提貫通供電系統(tǒng)電壓偏差、負(fù)序和功率因數(shù)等技術(shù)指標(biāo)，在投入組合變換器后均能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)要求。

4 結(jié) 論

上面提出了一種適用于高原鐵路的貫通供電系統(tǒng)方案，建立了相關(guān)仿真模型，模型仿真表明：采用組合式變換器構(gòu)成的貫通供電系統(tǒng)多項主要電氣指標(biāo)能達(dá)到相關(guān)指標(biāo)要求。15 min追蹤列車間隔時間下，電壓偏差僅110 V；采用組合變換器補(bǔ)償后，負(fù)序最大僅0.21%；三相系統(tǒng)功率因數(shù)均高于0.98。

該方案為實現(xiàn)工程設(shè)計和實施可提供理論借鑒和技術(shù)參考。