基于軌道交通的同相供電裝置變流器研究設(shè)計(jì)及仿真驗(yàn)證

摘 "要：該文闡述軌道交通27.5 kV交流供電系統(tǒng)不等容SCOTT變壓器的單相組合式同相供電方案，并通過仿真驗(yàn)證該方案的可行性。應(yīng)用證明該同相供電裝置，可有效提高列車運(yùn)行效率，改善電能質(zhì)量，提高牽引系統(tǒng)能效。

關(guān)鍵詞：軌道交通；同向供電裝置；27.5 kV交流供電系統(tǒng)；運(yùn)行效率；仿真驗(yàn)證

中圖分類號(hào)：U223.6 " " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A " " " " "文章編號(hào)：2095-2945（2024）20-00５４-0６

Abstract： This paper describes the single-phase combined in-phase power supply scheme of unequal capacitance SCOTT transformer in rail transit AC 27.5 kV AC power supply system， and the feasibility of the scheme is verified by simulation. The application shows that the in-phase power supply device can effectively improve the train operation efficiency， the power quality and the energy efficiency of the traction system.

Keywords： rail transit; co-directional power supply device; 27.5 kV AC power supply system; operation efficiency; simulation verification

地鐵作為現(xiàn)代化的城市軌道交通工具，承擔(dān)著越來越重要的大客流運(yùn)輸任務(wù)。縱觀地鐵建設(shè)的百年歷史，供電系統(tǒng)一直采用直流供電制式。隨著市域軌道交通的發(fā)展及粵港澳大灣區(qū)的城市融合，直流供電已不能滿足長(zhǎng)距離大跨距的軌道交通供電需求，迫切需要一種能夠承擔(dān)遠(yuǎn)距離的供電制式的出現(xiàn)，故誕生了27.5 kV交流供電制式的軌道交通。

截至目前，我國(guó)實(shí)施的軌道交通27.5 kV交流同相供電系統(tǒng)應(yīng)用方案，分為2種：一是基于不等容SCOTT變壓器的單相組合式同相供電方案；二是基于單相牽引變+三相高壓匹配變壓的單三相組合式同相供電方案。國(guó)內(nèi)某一線城市軌道交通集團(tuán)選用以上2種方式進(jìn)行運(yùn)營(yíng)和試驗(yàn)，均取得了良好效果。本文著重闡述了一種同相供電裝置，可有效提高列車運(yùn)行效率，改善電能質(zhì)量，提高牽引系統(tǒng)能效。

1 "變流器研究與設(shè)計(jì)

通過對(duì)1 700 V及3 300 V IGBT方案的對(duì)比選擇，3 300 V IGBT方案在系統(tǒng)效率、可靠性、經(jīng)濟(jì)型和占地面積上均具有一定優(yōu)勢(shì)，故本文以H橋串并聯(lián)同相供電變流器3 300 V IGBT方案進(jìn)行研究及仿真驗(yàn)證。圖1為H橋串并聯(lián)同相供電變流器框圖。

1.1 "3 300 V IGBT方案

同相供電變流器采用H橋串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，功率單元采用背靠背結(jié)構(gòu)，變流器級(jí)聯(lián)側(cè)通過電抗器與SCOTT牽引主變T座連接，變流器并聯(lián)側(cè)通過同相供電匹配變壓器升壓與SCOTT牽引主變M座連接，級(jí)聯(lián)側(cè)電壓為10 kV，每個(gè)模塊電壓選擇為1 kV AC時(shí)，需要模塊數(shù)量為10個(gè)，設(shè)計(jì)12個(gè)功率模塊，冗余2個(gè)功率單元。

1.2 "母線電容

采用干式薄膜電容器，母線電容參數(shù)計(jì)算：?jiǎn)卧妷翰▌?dòng)主要由無功的轉(zhuǎn)移導(dǎo)致，引起在直流電容上電壓二倍頻的波動(dòng)，以發(fā)出或吸收最大無功的情況下進(jìn)行直流電容參數(shù)計(jì)算，根據(jù)系統(tǒng)要求，選取電容電壓上的波動(dòng)范圍為15%。

實(shí)際應(yīng)用母線電容比理論值取值稍大，選取6 mF母線電容參數(shù)。

1.3 "疊層母排

同相供電變流器功率單元母線采用疊層母排設(shè)計(jì)，具有更低的散雜電感和接觸電阻。疊層母排廣泛用于電力電子變換裝置中功率器件的連接，通過正負(fù)極層疊平行分布的結(jié)構(gòu)形式降低線路分布電感，從而降低功率元件關(guān)斷時(shí)的尖峰電壓，降低功率元器件的耐壓要求，提高功率器件運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，同時(shí)提高電路的集成度，便于維修維護(hù)。母排采用具有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱和耐腐蝕性能的T2紫銅作為導(dǎo)電層，表面鍍錫處理，絕緣材料采用具有良好介電性能的環(huán)氧樹脂，結(jié)構(gòu)合理緊湊，分布電感小。

1.4 "吸收電容

為了抑制IGBT關(guān)斷電壓，一方面采用疊層母排設(shè)計(jì)，具有更低的散雜電感和接觸電阻；另一方面采用吸收電容裝置來吸收抑制IGBT關(guān)斷尖峰電壓，吸收電容為薄膜材質(zhì)，等效電感與電阻值極低，對(duì)于關(guān)斷高頻分量呈現(xiàn)極低阻抗，因此吸收抑制IGBT關(guān)斷過壓能力強(qiáng)，可有效提高功率器件允許的可靠性及穩(wěn)定性。

1.5 "并聯(lián)側(cè)并網(wǎng)電抗

并聯(lián)側(cè)并網(wǎng)電抗集成在牽引匹配變壓器的各低壓繞組的漏抗內(nèi)，根據(jù)電流紋波和電抗值關(guān)系式

紋波電流取額定電流的±25%，母線電壓取1 800 V，開關(guān)頻率取1 250 Hz，計(jì)算出電抗值為720 ？滋H，考慮到變壓器工藝誤差，變壓器漏抗參數(shù)要求取800 ？滋H。

1.6 "串聯(lián)電抗參數(shù)計(jì)算

紋波考慮。

串聯(lián)側(cè)為H橋級(jí)聯(lián)拓?fù)?，采用載波移相疊加的技術(shù)可以有效增加等效開關(guān)頻率，采用180度載波均勻移相的算法后，電流紋波的計(jì)算式如下

式中：N為H橋級(jí)聯(lián)數(shù)量。

取紋波為額定電流的±2%（相對(duì)于并聯(lián)側(cè)這里沒有多個(gè)電流的紋波抵消功能，因此電流紋波要求相對(duì)?。?，母線電壓取1 800 V，IGBT開關(guān)頻率取300 Hz，計(jì)算出電抗值為3.1 mH。

短路電流抑制。

串聯(lián)側(cè)為10 kV高壓，考慮到主電路短路電流一致的需求，按短路電流限制為額定電流50倍考慮，則交流電抗取值6.4 mH，此時(shí)交流電抗造成并網(wǎng)額定壓降為2%。

將6.2 mH的參數(shù)代入電流紋波計(jì)算式內(nèi)，驗(yàn)證此時(shí)電流紋波為10 A。

綜上，交流電抗取較大值6.4 mH，此時(shí)對(duì)調(diào)制深度利用率的影響小于2%，電流紋波相對(duì)更小。

2 "功能要求

首先根據(jù)技術(shù)規(guī)范明確同相供電裝置的功能要求，對(duì)單相三相對(duì)稱變換的原理進(jìn)行分析和仿真驗(yàn)證，然后根據(jù)功能要求給出同相供電裝置的控制策略，最后搭建系統(tǒng)仿真模型，對(duì)同相供電裝置的功能進(jìn)行仿真驗(yàn)證。

2.1 "同相供電功能

同相供電裝置是實(shí)現(xiàn)同相供電的核心設(shè)備，主要功能實(shí)現(xiàn)單相三相對(duì)稱變換。

在主變電所牽引變壓器側(cè)采用同相供電裝置，同相供電裝置主要由變流器和變壓器等組成，其主要功能是通過采用同相供電裝置以滿足電能質(zhì)量關(guān)于負(fù)序、諧波的要求，使單相負(fù)荷反映到三相系統(tǒng)中，三相電流大小和負(fù)序分量達(dá)到國(guó)標(biāo)要求，同時(shí)取消主變出口處電分相，同相供電裝置可靠性要求需滿足N-1可靠性的要求。

同相供電裝置可追蹤牽引變壓器M座輸出電壓，輸出匹配的電壓，可同時(shí)接入27.5 kV母線，為主變電所承擔(dān)的所有牽引負(fù)荷同相位、同幅值供電。

采用同相供電裝置后需滿足以下要求。

1）諧波。對(duì)于諧波電壓，根據(jù)GB/T 14549—1993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：110 kV公用電網(wǎng)電壓總諧波畸變率以及各次諧波電壓含有率允許值見表1。

2）三相電壓不平衡度。執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 15543—2008《電能質(zhì)量 三相電壓不平衡》。

根據(jù)《電能質(zhì)量 三相電壓不平衡》，電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)三相電壓不平衡度允許值如下：①電網(wǎng)正常運(yùn)行時(shí)，負(fù)序電壓不平衡度不超過2%，短時(shí)不得超過4%。②接于公共連接點(diǎn)的每個(gè)用戶引起該點(diǎn)負(fù)序電壓不平衡度允許值一般為1.3%，短時(shí)不超過2.6%。根據(jù)連接點(diǎn)的負(fù)荷狀況以及鄰近發(fā)電機(jī)、繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置安全運(yùn)行要求，該允許值可作適當(dāng)變動(dòng)，但必須滿足公用電網(wǎng)電壓諧波允許的規(guī)定。

3）電壓波動(dòng)。根據(jù)GB/T 12326—2008《電能質(zhì)量 電壓波動(dòng)和閃變》任何一個(gè)波動(dòng)干擾源在電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)產(chǎn)生的電壓變動(dòng)，其限值和電壓變動(dòng)頻度和電壓等級(jí)有關(guān)。對(duì)于電壓變動(dòng)頻度較低（例如r≤1 000次/h）或規(guī)則的周期性電壓波動(dòng)，可通過測(cè)量電壓方均根值曲線U（t）確定其電壓變動(dòng)頻度和電壓變動(dòng)值，電壓波動(dòng)限值見表2。

2.2 "無功補(bǔ)償功能

同相供電裝置需具備獨(dú)立的無功補(bǔ)償功能，當(dāng)牽引網(wǎng)無列車負(fù)荷或本地牽引變壓器不供給牽引負(fù)荷時(shí)，可由同相供電裝置實(shí)現(xiàn)整個(gè)供電系統(tǒng)的無功補(bǔ)償功能。

2.3 "抑制諧波功能

同相供電裝置需具有一定的諧波抑制功能，對(duì)牽引負(fù)荷的低次諧波具有一定的濾波功能。

該功能主要實(shí)現(xiàn)負(fù)載同相供電裝置的諧波抑制功能。檢測(cè)負(fù)荷電流，在線計(jì)算主要諧波電流，將其作為參考值，使得同相供電裝置輸出等量的諧波電流，達(dá)到諧波抑制的目的。

2.4 "牽引網(wǎng)電壓動(dòng)態(tài)調(diào)整功能

牽引網(wǎng)是典型的分布式網(wǎng)絡(luò)，呈現(xiàn)感性阻抗。若牽引負(fù)荷過載，或牽引負(fù)荷無功過大，會(huì)引起牽引網(wǎng)電壓明顯小于牽引母線電壓。同相供電裝置需具備一定的牽引網(wǎng)電壓動(dòng)態(tài)調(diào)整功能，當(dāng)牽引網(wǎng)電壓過低時(shí)，具備一定的提升牽引網(wǎng)電壓的功能。

該功能主要實(shí)現(xiàn)負(fù)載同相供電裝置的牽引網(wǎng)電壓動(dòng)態(tài)調(diào)整。檢測(cè)牽引網(wǎng)電壓，牽引網(wǎng)電壓低于限值時(shí)，同相供電裝置輸出感性無功電流Ic，該電流在牽引網(wǎng)等效電抗上產(chǎn)生超前電壓。同相供電裝置輸出不同的無功電流，可將牽引網(wǎng)電壓調(diào)整到不同的電壓值，同相供電裝置根據(jù)檢測(cè)到的牽引網(wǎng)電壓、輸出電流等，得到適當(dāng)?shù)妮敵鲭娏鲄⒖贾?，使得牽引網(wǎng)電壓處于規(guī)定的范圍內(nèi)。

3 "不等容不等邊牽引變壓器分析

理論分析：牽引變壓器采用不等邊不等容斯科特連接形式，同相供電裝置接斯科特T座。正常運(yùn)行時(shí)，T座+同相供電和M座同時(shí)為牽引網(wǎng)的牽引負(fù)荷供電，M座擔(dān)負(fù)主要供電負(fù)荷，T座+同相供電裝置擔(dān)負(fù)其余供電負(fù)荷以及三相電壓不平衡度的調(diào)整。同相供電裝置與牽引變壓器的接口在牽引變壓器T座出線開關(guān)柜的出線端。

同相供電裝置一次接線如圖2所示。

牽引變壓器接線及其矢量圖，如圖3所示。

根據(jù)圖4，不考慮變壓器漏抗，可得牽引變壓器的電壓、電流滿足

因此

由于ia+ib+ic=0，因此，110 kV側(cè)三相電流為

。 （12）

設(shè)M座和T座的電流分別為

根據(jù)對(duì)稱分量法，可以求得110 kV側(cè)負(fù)序電流為

式中：a=ej2？仔/3 。

因此，僅在？漬M=？漬T，且？棕3IT=？棕2IT的情況下，110 kV側(cè)才沒有負(fù)序電流，結(jié)合電壓方程可得

由于ＵＣ超前ＵＡＢ 90°，ＵＭ超前ＵＴ 90°，因此可得

。 （16）

因此，僅在變壓器低壓側(cè)的M座與T座的視在功率相等，且功率因數(shù)相等時(shí)，110 kV側(cè)的負(fù)序電流才能為零，當(dāng)變壓器不等容時(shí)，只能降低負(fù)序電流，而不能完全消除負(fù)序電流。

從式（14）可得，在相同的同相供電裝置容量下，當(dāng)M座與T座功率因數(shù)相等時(shí)，負(fù)序電流最小，即負(fù)序電流治理能力最強(qiáng)。

4 "仿真驗(yàn)證

不等容不等邊牽引變壓器理論分析結(jié)果進(jìn)行仿真驗(yàn)證，主要包括以下幾個(gè)方面：①牽引變壓器兩側(cè)電壓電流分析公式的正確性。②110 kV側(cè)負(fù)序電流分析的正確性。第一，M座與T座視在功率相等，功率因數(shù)相等；第二，M座與T座視在功率相等，功率因數(shù)不相等；第三，M座與T座視在功率不相等，功率因數(shù)相等；第四，M座與T座視在功率不相等，功率因數(shù)不相等。

仿真參數(shù)見表3。

4.1 "M座與T座視在功率相等，功率因數(shù)相等

M座負(fù)載為5 MW，T座負(fù)載為5 MW。

110 kV側(cè)三相電流平衡，按照45 MVA的額定功率標(biāo)幺，正序電流幅值為0.223 7 pu，負(fù)序電流幅值為0.004 926 pu，電流不平衡度為2.202%。

4.2 "M座與T座視在功率相等，功率因數(shù)不相等

M座有功功率為5 MW，無功功率為0，T座有功功率4 MW，無功功率為3 MVar。

110 kV側(cè)三相電流不平衡，按照45 MVA的額定功率標(biāo)幺，正序電流幅值為0.207 4 pu，負(fù)序電流幅值為0.071 9 pu，電流不平衡度為34.67%。

4.3 "M座與T座視在功率不相等，功率因數(shù)相等

M座有功功率為10 MW，T座有功功率5 MW，無功功率均為0。

110 kV側(cè)三相電流不平衡，按照45 MVA的額定功率標(biāo)幺，正序電流幅值為0.334 pu，負(fù)序電流幅值為0.112 pu，電流不平衡度為33.65%。

4.4 "M座與T座視在功率不相等，功率因數(shù)不相等

M座有功功率為10 MW，T座有功功率4 MW，無功功率為感性3 MVar。

110 kV側(cè)三相電流不平衡，按照45 MVA的額定功率標(biāo)幺，正序電流幅值為0.314 5 pu，負(fù)序電流幅值為0.153 4 pu，電流不平衡度為48.77%。

4.5 "小結(jié)

仿真驗(yàn)證匯總表見表4。

通過理論分析和仿真驗(yàn)證，可以得到以下結(jié)論。

1）僅在變壓器低壓側(cè)的M座與T座的視在功率相等，且功率因數(shù)相等時(shí)，110 kV側(cè)的負(fù)序電流才能為零。

2）當(dāng)M座與T座負(fù)載視在功率不相同，二者功率因數(shù)相同時(shí)，負(fù)序電流最小。

5 "諧波補(bǔ)償模式

5.1 "單次補(bǔ)償

5.1.1 "5次諧波補(bǔ)償仿真

補(bǔ)償前M座電流THD為16.33%，其中5次諧波電流為16.02%，補(bǔ)償后M座電流THD為8.3%，其中5次諧波電流為7.84%。

5.1.2 "7次諧波補(bǔ)償仿真

補(bǔ)償前M座電流THD為13.37%，其中7次諧波電流為12.67%，補(bǔ)償后M座電流THD為6.99%，其中7次諧波電流為5.02%。

5.1.3 "9次諧波補(bǔ)償仿真

補(bǔ)償前M座電流THD為12.17%，其中9次諧波電流為11.26%，補(bǔ)償后M座電流THD為8.97%，其中9次諧波電流為7.75%。

5.1.4 "11次諧波補(bǔ)償仿真

補(bǔ)償前M座電流THD為12.77%，其中11次諧波電流為11.98%，補(bǔ)償后M座電流THD為10.85%，其中11次諧波電流為9.85%。

5.2 "綜合補(bǔ)償

5、7、9、11次諧波電流均設(shè)定為并聯(lián)側(cè)額定電流的3%，仿真結(jié)果見表5。

6 "結(jié)論

本文通過對(duì)單相三相對(duì)稱變換的原理進(jìn)行了分析和仿真驗(yàn)證，然后根據(jù)功能要求搭建了系統(tǒng)仿真模型，對(duì)同相供電裝置的功能進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。同相供電裝置需具有一定的諧波抑制功能，對(duì)牽引負(fù)荷的低次諧波具有一定的濾波功能。

本文通過對(duì)同相供電裝置H橋串并聯(lián)方案中變流器進(jìn)行研究及仿真，論證了SCOTT變壓器在運(yùn)行過程中，當(dāng)M座與T座負(fù)載在功率不相同，功率因數(shù)相同時(shí)，負(fù)載電流最?。粗荒芙档拓?fù)序電流，而不能完全消除負(fù)序電流）；當(dāng)M座與T座視在功率相等，且功率因數(shù)相同時(shí)，110 kV側(cè)的負(fù)序電流為零。本文為城市軌道交通交流供電同相供電裝置的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)和設(shè)計(jì)思路。

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