組合式同相供電設(shè)備工作原理及保護研究

郭培健 ，嵇世卿 ，劉娟 ，何晉偉 ，白洋 ，郭巖

（1.電氣傳動國家工程研究中心，天津 300180；2.深圳市寶安任達電器實業(yè)有限公司，廣東 深圳 518108；3.天津大學(xué)電氣自動化與信息工程學(xué)院，天津 300072；4.天津天傳電控設(shè)備檢測有限公司，天津 300180；5.空軍裝備部駐沈陽地區(qū)第一軍事代表室，遼寧 沈陽 110000）

目前，許多國家的遠距離電氣化鐵路使用27.5 kV單相交流電源。由于這種牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和負荷的特殊性，電力機車在運行中會產(chǎn)生大量的無功功率、諧波、過相和電網(wǎng)電壓不平衡等問題。同相供電技術(shù)是目前最為有效的解決方式之一，其不僅提高了電能質(zhì)量，還消除了牽引變電所出口處的電分相環(huán)節(jié)，對重載型和高速型的牽引都具有重大意義。

組合式同相供電系統(tǒng)是李群湛等專家提出的一種新型的供電技術(shù)，其中，同相供電設(shè)備是組合式同相供電系統(tǒng)實現(xiàn)無功補償、濾除諧波、平衡變換的核心部分，因此對該設(shè)備配置的繼電保護至關(guān)重要。文獻[1]分析了基于潮流變換器的同相供電系統(tǒng)的工作原理，文獻[2-4]研究了采用兩’背靠背?單相變流器結(jié)構(gòu)的潮流變換器的保護原則與整定計算。結(jié)合沙峪變電站的單-三相組合同相供電系統(tǒng)的繼電保護要求，本文介紹和分析了同相供電設(shè)備保護的理論基礎(chǔ)和設(shè)置計算原理。

1 單-三相組合式同相供電系統(tǒng)簡介

1.1 單-三相組合式同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1示意了電力牽引自耦變壓器（auto?transformer，AT）供電方式下，單-三相組合式同相供電系統(tǒng)方案。

圖1 單-三相組合式同相供電方案Fig.1 Single-three-phase combined co-phase power supply scheme

組合式同相供電變電站包括一個單相牽引變壓器（traction transformer，TT）和一系列的同相補償裝置（co-phase compensation device，CPD）。CPD包括高壓匹配變壓器（high voltage matching transfomer，HMT）、同相補償交直交變流器（ADDC-AC converter，ADA）和牽引匹配變壓器（traction matching transformer，TMT）。HMT 是基于 Ynd11接線方式的三相降壓變壓器；ADA是由IGBT組成的四象限D(zhuǎn)C-AC變換器；TMT是單相多繞組升壓變壓器，其一次繞組產(chǎn)生的電壓與牽引變壓器TT的相位和頻率相同，二次繞組的電壓幅值和相位與牽引變壓器TT相同，并與牽引總線相連。

1.2 單-三相組合式同相供電方案工作原理

牽引負載的計算電容等于單相牽引變壓器（TT）的計算電容與同相補償裝置（CPD）的計算電容之和，而CPD的計算電容是由引起三相電壓不平衡度超標部分的牽引負荷的容量來確定，TT的計算容量一般大于CPD的計算容量。

當牽引負荷功率小于或等于同相補償裝置容量的2倍時，牽引變壓器和同相補償裝置各提供牽引負荷功率的50%。此時，可以完全補償負序電流，產(chǎn)生的不平衡三相電壓為零。

當牽引負荷功率大于同相補償裝置容量的2倍時，同相補償裝置提供其最大容量功率，其余部分由牽引變壓器提供。這時，有未補償?shù)呢撔螂娏?，但這樣產(chǎn)生的三相電壓不平衡符合國家標準的要求。

1.3 同相供電設(shè)備結(jié)構(gòu)

同相供電設(shè)備是同相供電系統(tǒng)的核心模塊，其主電路圖如圖2所示。該設(shè)備實現(xiàn)了諧波濾波、功率因數(shù)校正和平衡轉(zhuǎn)換等功能。其中交直交變流器與有源濾波器結(jié)構(gòu)類似，但二者在功能上各有側(cè)重。交直交變流器主要功能是使系統(tǒng)三相對稱平衡，同時對諧波和無功功率進行補償。

圖2 同相供電設(shè)備主電路圖Fig.2 Main circuit diagram of the co-phase power supply equipment

實際運行中，考慮電力電子器件的耐壓程度，選擇15個交直交變流器ADA模塊串聯(lián)，每個模塊由兩個’背靠背?單相變流器構(gòu)成。多個模塊變流器的一側(cè)與TMT的660 V繞組相連，構(gòu)成多重并聯(lián)的逆變器。交流電抗器L配合同相補償變流器ADA在變流的過程中起到提升輸出電流質(zhì)量的作用。

1.4 系統(tǒng)平衡變換原理

在單-三相組合同相供電系統(tǒng)中，高壓匹配變壓器的兩個端口的連接角差±90°，該供電系統(tǒng)可等效為圖3所示電路。直流側(cè)的電壓因系統(tǒng)特性影響，會存在固有的100 Hz的波動，因此加入LC低通濾波器，能使系統(tǒng)直流電壓更加平穩(wěn)，進而提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。

圖3 同相供電系統(tǒng)等效電路Fig.3 Equivalent circuit of the co-phase power supply system

在設(shè)備運行過程中，單相變壓器與同相補償裝置各提供50%的負載功率，實現(xiàn)了負載功率的合理調(diào)配。

圖4為單-三相組合式同相供電平衡變換原理圖。圖中，主變壓器的變比為K1，Ynd11變壓器的變比為K2，先將高壓側(cè)的電壓降為500～2 000 V等級的電壓輸入到變流器，再將輸出電壓升壓到27.5 kV給負荷供電。A，B，C相電流分別為IA，IB，IC，規(guī)定流出為正，把負載當成一個純阻性負載。若三相電流IA，IB，IC之間相角相差大小相等，且與各自相電壓的相位夾角為0，則此時系統(tǒng)中無負序電流。

圖4 單-三相組合式同相供電平衡變換原理圖Fig.4 Single-three-phase combined balance transformation of co-phase power supply schematic

運用疊加原理，畫出向量圖，如圖5所示。

圖5 無負序電流系統(tǒng)向量合成圖Fig.5 Vector synthesis diagram of a nonnegative sequence current system

圖5所示的無負序電流系統(tǒng)向量合成圖要完全補償負序，必須要滿足以下條件：IA1，IA2向量合成的 IA與UA同相位，IB1，IB2合成的 IB與 UB同相位，且合成后的IA，IB，IC大小相等。

通過上述分析可得：

式中：Iα，Iβ分別為靜止坐標系下的α，β軸電流。因此，只要使得Iα和Iβ的比值與變壓器變比的比值相等，就可以完全補償系統(tǒng)的負序電流。

2 同相供電設(shè)備保護方案

本節(jié)在牽引變電所原有的保護控制基礎(chǔ)上，對同相補償裝置配置以下保護：變壓器保護、交直交變流器保護、同相補償裝置有功功率差動保護。

2.1 高壓匹配變壓器保護配置

HMT是一種基于Ynd11接線模式的三相變壓器，一般設(shè)有以下保護：差動速斷保護、變比制動和諧波制動的差動保護、過流保護、本體保護（包括重瓦斯、超溫、壓力釋放跳閘、輕瓦斯、油溫過高、低油位報警等信號）。其中，變壓器高壓側(cè)的斷路器設(shè)有熔斷器后備保護，包括啟動時的過流保護和失壓保護、兩段過負荷保護（一段告警、二段跳閘）、PT斷線告警等；低壓側(cè)斷路器設(shè)后備保護包括低壓啟動的過流保護、過負荷保護、PT斷線告警等。

2.1.1 過電流保護

如果變壓器油箱出現(xiàn)外部或內(nèi)部故障，或者高壓匹配變壓器和AC-DC-AC變換器之間的連接線出現(xiàn)故障，過電流保護可對其起到保護作用，同時，該保護可為變壓器差動保護以及交直交變流器的故障提供后備保護，一般配置在變流器的兩端。由于變壓器的低壓額定電流非常大，過電流保護可能無法滿足快速動作的靈敏度要求，因此經(jīng)常使用低電壓啟動的過電流保護。

低電壓啟動時過電流保護的動作電流常按照下式進行整定：

式中：IN為變壓器的額定電流；Krel為可靠性系數(shù)，通常為1.2～1.3；Kre為返回系數(shù)，一般取0.95。

當母線故障或者失電，使同相供電設(shè)備退出運行時，低壓保護動作。常根據(jù)母線運行的最低電壓對低電壓啟動的電壓值進行整定。當出現(xiàn)勵磁涌流時，過電流保護可能會發(fā)生錯誤動作，因此加入了二次諧波閉鎖功能。

變壓器高、低壓側(cè)的過電流保護原理基本相同，每一相都可獨立進行整定。A相過電流保護原理框圖如圖6所示，B相與C相原理與之類似。

圖6 高壓側(cè)A相過電流保護原理框圖Fig.6 Block diagram of high-voltage side A-phase overcurrent protection

圖6中，Uβ為低壓側(cè)β相電壓；Uset為低壓啟動的電壓整定值；iA1，iA2分別為所測A相電流的基波值和二次諧波值；Iset1為高壓側(cè)A相的過電流保護整定值；Tset為動作時限；系數(shù)K為二次諧波的閉鎖閾值，一般取15%～20%。

2.1.2 非電量保護

非電量保護主要包括重瓦斯、超溫、泄壓跳閘、輕瓦斯、高油溫和低油位報警等信號。其中，輕瓦斯對信號動作，可使工作人員迅速對故障進行處理；重瓦斯則對變壓器兩側(cè)斷路器動作，使之跳閘。

2.2 牽引匹配變壓器保護配置

對牽引匹配變壓器的保護設(shè)置與高壓匹配變壓器類似，一般配置過電流保護與本體保護即可。

2.3 交直交變流器保護配置

交直交變流器與有源濾波器的結(jié)構(gòu)相似，因此對于該模塊的保護，可以參考有源濾波器進行討論。為了提高整個裝置的可靠程度，外部保護和內(nèi)部保護共同構(gòu)成了總的保護系統(tǒng)。外部保護包括交流過電流保護、交流過電壓和欠電壓保護、直流過電壓和欠電壓保護、短路保護等；內(nèi)部保護包括過溫保護、模塊斷電（模塊通信故障）保護等。交直交變流器綜合保護策略如圖7所示。

圖7 交直交變流器綜合保護策略Fig.7 Comprehensive protection strategy for AC-DC-AC converters

2.3.1 過壓保護

過壓保護主要是對IGBT設(shè)置浪涌電壓保護。一般采取以下措施：對IGBT設(shè)置足夠裕量，對驅(qū)動電路合理調(diào)整，增設(shè)緩沖保護電路。

2.3.2 過流保護

過流保護一般分為短路電流保護和過載電流保護。前者短路電流值可達到額定電流的8～10倍；后者為1.2～1.5倍。因此兩者的保護電路響應(yīng)時間不同，但保護動作基本相似，即封鎖IG?BT的觸發(fā)脈沖，使變流器的輸出電流為零。

2.3.3 過溫保護

通常情況下，溫度傳感器對IGBT的外殼溫度進行檢測。當收集的信號超過溫度閾值時，變換器的脈沖被阻斷，以實現(xiàn)過熱保護。

2.4 同相補償裝置縱差保護

同相補償裝置縱差保護即對同相補償裝置設(shè)置系統(tǒng)級的功率差動保護。

由于同相供電設(shè)備基波輸入的有功功率值與其輸出的有功功率值相等，因此可對其配置有功功率差動保護，其原理框圖如圖8所示。其中，PCD為差動有功功率；Pα1，Pβ1分別為同相補償裝置的α口和β口的基波有功功率；Pset為有功功率差動保護的設(shè)定閾值；TP為動作時間限度。

圖8 有功功率差動保護原理框圖Fig.8 Active power differential protection principle block diagram

3 仿真結(jié)果

3.1 正常工況

同相供電時，正常工況下的仿真模型見圖2，合上所有的斷路器，仿真結(jié)果如圖9所示，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定運行，但系統(tǒng)電流中存在著較大的負序電流分量。

圖9 傳統(tǒng)同相供電系統(tǒng)電壓、電流波形Fig.9 Voltage and current waveforms of a conventional co-phase power supply system

采用單-三相組合式供電時，正常工況下的仿真模型見圖4，仿真結(jié)果如圖10所示。主變壓器一次側(cè)各相的電壓電流處于相同相位，實現(xiàn)了諧波濾除和無功補償功能，達到了三相平衡，使該系統(tǒng)中的單相和非線性負荷等同于電力系統(tǒng)中的純電阻三相平衡負荷。

圖10 實現(xiàn)同相供電的三相電壓、電流Fig.10 Realization of three-phase voltage and current of the co-phase supply

3.2 空載運行

同相供電設(shè)備空載運行時，負載電流接近于零，變流器兩端電流如圖11所示。仿真中加入了變流器脈沖封鎖保護，因此空載運行狀態(tài)下，兩變流器的補償電流均近似為零，此時同相補償裝置暫時失去補償效果。

圖11 變流器兩端電流Fig.11 Currents at both ends of the converter

3.3 交直交變流器內(nèi)部故障

仿真中暫不考慮交直交變流器內(nèi)部保護功能，0.1 s時，變流器內(nèi)部故障，過渡電阻取0.01 Ω，仿真結(jié)果如圖12、圖13所示。有功功率差動保護和過電流保護均可以作為交直交變流器內(nèi)部故障時的后備保護，但有功功率差動保護靈敏度更高。

圖12 交直交變流器輸出電流Fig.12 AC-DC-AC converter output current

圖13 差動有功功率Fig.13 Differential active power

交直交變流器內(nèi)部短路故障后，其α側(cè)與β側(cè)的輸出電流和輸出功率均變化明顯，在故障發(fā)生瞬間，兩側(cè)的有功功率差值會出現(xiàn)一個峰值，繼而下降，這是由于短路后交直交變流器無法及時正常進行功率交換所造成的。

4 結(jié)論

本文詳細介紹了單-三相組合式同相供電試運行系統(tǒng)，利用單相變壓器與Ynd11接線方式的三相變壓器的配合，與同相電源連接，實現(xiàn)同相供電。同相供電技術(shù)可以全面解決當前牽引供電系統(tǒng)中存在的負序、諧波、無功、過分相等諸多問題，是未來高速重載鐵路供電的一個重要研究方向。通過理論分析和仿真測試，本文研究了同相電源裝置的工作和保護原理。綜上所述，可得以下結(jié)論：

1）交直交變流器是同相供電設(shè)備中最主要的同相補償裝置，其本質(zhì)是兩’背靠背?單相變流器。用該設(shè)備實現(xiàn)的同相供電系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢，它不僅可以從根本上改善電能質(zhì)量，解決當前供電系統(tǒng)中的負序、諧波和無功等問題，而且供電的可靠性、靈活性和經(jīng)濟性均得到提高。

2）同相供電電源的保護配置，包括為高壓匹配變壓器、牽引匹配變壓器和交直交變流器設(shè)置特殊保護。同時，將同相供電電源作為一個整體來考慮。配置了有功功率差動保護，分別作為兩變壓器、變壓器與交直交變流器之間連接電纜的主保護，并作為交直交變流器的后備保護。為了提供全面、完善的同相供電設(shè)備保護，還配置了過電流保護、低電壓保護、非電量保護等保護功能。

3）利用Matlab/Simulink對組合式同相供電系統(tǒng)建立了仿真模型，對系統(tǒng)正常負荷運行、空載、交直交變流器故障等工況進行了模擬和分析。仿真結(jié)果驗證了該同相供電方案的可行性及其保護方案的正確性。