夏焰坤

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

在高速鐵路牽引變電所采用大功率交直交變流器實(shí)行同相供電方案來取代現(xiàn)行的換相式供電方案，是電氣化鐵路一種較理想的選擇[1-5]。該方式既解決了電分相問題[6-7]，又解決了電氣化鐵路長(zhǎng)期存在的電能質(zhì)量問題[8-9]。其中平衡牽引變壓器構(gòu)成的同相供電系統(tǒng)由于變流器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、所需容量相對(duì)較小等優(yōu)點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)外展開了相關(guān)的工程試驗(yàn)研究。

傳統(tǒng)的基于平衡牽引變壓器構(gòu)成的同相供電系統(tǒng)采用背靠背結(jié)構(gòu)的變流器來實(shí)現(xiàn)同相供電。該方式需要兩組背靠背結(jié)構(gòu)的單相變流器來實(shí)現(xiàn)，共4條開關(guān)管支路。目前研究的重點(diǎn)之一如何降低變流器裝置的成本，主要有兩種思路：變流器容量的優(yōu)化來減少容量投入和新拓?fù)涞膽?yīng)用來減少開關(guān)管的數(shù)量。文獻(xiàn)[10]將對(duì)稱補(bǔ)償原理擴(kuò)展到有源同相供電系統(tǒng)中，分析了變流器容量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)思路。文獻(xiàn)[11-12]研究了基于Vv接線和平衡變壓器接線同相供電系統(tǒng)變流器容量設(shè)計(jì)方法。但針對(duì)如何減少開關(guān)管數(shù)量方面的研究較少。文獻(xiàn)[13-14]借鑒三相SVG原理首次提出一種兩相三線制變流器結(jié)構(gòu)并應(yīng)用于鐵路無功和諧波補(bǔ)償，而對(duì)于是否適合同相供電系統(tǒng)未展開探討。

在上述研究基礎(chǔ)上，本文提出一種基于兩相三線制變流器的同相供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)與背靠背結(jié)構(gòu)相比減少了一條開關(guān)管支路，與三相SVG相比減少了一個(gè)電抗器，因此結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單。分析系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理，提出電流檢測(cè)和控制方法，并通過仿真驗(yàn)證該方法在負(fù)載電流正弦和畸變兩種情況下的補(bǔ)償效果。

1 傳統(tǒng)的同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

同相供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，三相電網(wǎng)電壓經(jīng)過三相-兩相平衡變壓器對(duì)稱變換成α、β兩相電壓，其中α直接向牽引網(wǎng)供電，β經(jīng)過單相背靠背變流器(PFC)向牽引網(wǎng)傳遞一定的功率。中間直流環(huán)節(jié)接有大容量的電容器組來穩(wěn)定直流電壓，提供能量傳輸?shù)耐ǖ?。T為降壓變壓器，起到隔離和開關(guān)器件電壓等級(jí)相匹配的作用。

圖1 背靠背變流器的同相牽引供電系統(tǒng)

負(fù)序和無功完全補(bǔ)償時(shí)原理如下：

為簡(jiǎn)化分析，設(shè)PFC兩個(gè)端口電壓為

( 1 )

饋線負(fù)載電流為

( 2 )

負(fù)載電流進(jìn)一步分解為

式中：I1p=I1cosφ1為負(fù)載電流的有功分量。

通過PFC傳遞負(fù)載一半有功和在負(fù)載端口補(bǔ)償無功之后，變壓器次邊兩端口的電流將只包含有功分量，應(yīng)滿足

( 3 )

PFC兩側(cè)補(bǔ)償電流指令

( 4 )

由此可見，經(jīng)過潮流控制器的補(bǔ)償，變壓器次邊兩端口各自輸出的為負(fù)載一半的有功功率。即在α端口PFC需要輸出負(fù)載一半的有功電流，并補(bǔ)償無功電流和諧波電流；而在β端口PFC只需要傳遞負(fù)載一半的有功電流。

同相供電系統(tǒng)補(bǔ)償前后負(fù)序相量圖如圖2所示。在正序圖中Uα、Uβ兩相電壓相位相差90°，在負(fù)序圖中二者相位相差180°?？梢钥吹窖a(bǔ)償前變壓器次邊一相空載，負(fù)序電流等于負(fù)載電流，三相側(cè)不平衡。通過PFC補(bǔ)償后，變壓器次邊兩相電流共線反向，合成負(fù)序電流為0，對(duì)應(yīng)三相系統(tǒng)電流對(duì)稱。

圖2 補(bǔ)償前后負(fù)序圖

2 兩相三線制變流器的同相供電系統(tǒng)

兩相三線制變流器構(gòu)成的同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，三相電網(wǎng)電壓經(jīng)過三相-兩相平衡變壓器對(duì)稱變換成α、β兩相電壓，其中α直接向牽引網(wǎng)直接供電。三線制變流器一個(gè)端口接β相，一個(gè)端口接α相，第三個(gè)端口接α、β兩相的公共端。這樣三線制變流器與傳統(tǒng)背靠背變流器結(jié)構(gòu)相比減少了一組開關(guān)管橋臂。

圖3 兩相三線制變流器的同相牽引供電系統(tǒng)

系統(tǒng)負(fù)序平衡原理如下：

與傳統(tǒng)背靠背變流器構(gòu)成的同相供電系統(tǒng)相比，兩相三線制變流器端口電流icα和icβ均保持不變，同樣滿足式( 4 )。

將變流器看作一個(gè)廣義節(jié)點(diǎn)，由基爾霍夫電流定律可得(此處n端口取等效為變壓器一次側(cè))

( 5 )

當(dāng)負(fù)載只包含有功，不含無功和諧波電流時(shí)，有

( 6 )

從式( 6 )可以看出,n端口電流是α和端口β電流的合成電流，滿足1.414倍關(guān)系。從αn端口看，注入電流為icα，而從βn端口看注入電流為icβ，因此負(fù)序相量圖將和圖2完全一致，不再贅述。

3 負(fù)序和諧波檢測(cè)與控制方法

兩相三線制變流器的同相供電系統(tǒng)負(fù)序和諧波檢測(cè)電流如圖4所示。首先對(duì)負(fù)載電流有功分量、無功分量以及諧波分量進(jìn)行分離，采用單相電路諧波檢測(cè)方法。

圖4 負(fù)序和諧波電流檢測(cè)及控制框圖

負(fù)載電流乘以α端口同步電壓信號(hào)sinωt，再經(jīng)過低通濾波器(LPF)，得到負(fù)載電流的有功分量。有功分量的一半分別乘以sinωt和sin(ωt-90°)，得到平衡變壓器次邊兩端口輸出電流指令為

( 7 )

變流器端口的輸出電流指令為

( 8 )

檢測(cè)出需要補(bǔ)償?shù)碾娏髦噶詈?，采用滯環(huán)比較器生成3個(gè)橋臂的開關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，完成電流閉環(huán)控制。同時(shí)為保障系統(tǒng)穩(wěn)定工作，變流器直流側(cè)應(yīng)保持電壓穩(wěn)定，因此圖4中對(duì)變流器直流側(cè)電壓也進(jìn)行了閉環(huán)控制。

4 仿真分析

為驗(yàn)證本文所提同相供電系統(tǒng)方案及負(fù)序和諧波補(bǔ)償方法的有效性，在MATLAB/Simulink平臺(tái)上建立仿真模型，參數(shù)見表1。為直觀看出補(bǔ)償效果，負(fù)載分為僅含有功和含諧波、無功兩種情況進(jìn)行分析。

表1 仿真參數(shù)

仿真情況1：負(fù)載僅含有功，用電流源。

圖5 補(bǔ)償前后三相側(cè)電流波形

圖6 變流器電壓和電流

從圖5可以看出，補(bǔ)償前三相電流不對(duì)稱，含有負(fù)序分量，經(jīng)過系統(tǒng)補(bǔ)償后三相電流對(duì)稱，消除了負(fù)序。從圖6可以看出變流器n端口輸出電流相對(duì)較大，與理論相符。

模擬負(fù)載，對(duì)應(yīng)交直型機(jī)車負(fù)載，仿真結(jié)果如圖7、圖8所示。

圖7 補(bǔ)償前后三相側(cè)電流

圖8 變流器電壓和電流

從圖7可以看出，補(bǔ)償前三相電流不對(duì)稱且含有無功、諧波成分，經(jīng)過系統(tǒng)補(bǔ)償后三相電流對(duì)稱，消除了負(fù)序。從圖8可以看出,對(duì)應(yīng)端口α補(bǔ)償量含有無功和諧波，端口β補(bǔ)償量?jī)H含有無功，變流器n端口輸出電流相對(duì)較大，與理論相符。經(jīng)過補(bǔ)償后端口α處電流畸變率由 22.5%降為 1.5%。

仿真情況3：模擬負(fù)載為交直交和交直型電力機(jī)車混跑的情況。此時(shí)負(fù)載大小為前兩種仿真情況相疊加，仿真結(jié)果如圖9、圖10所示。

圖9 補(bǔ)償前后三相側(cè)電流

圖10 變流器電壓和電流

從圖9、圖10補(bǔ)償效果可以看出，機(jī)車混跑情況下補(bǔ)償前三相電流不對(duì)稱且含有無功、諧波成分，經(jīng)過系統(tǒng)補(bǔ)償后三相電流對(duì)稱，消除了負(fù)序。變流器直流側(cè)電壓同樣能穩(wěn)定在3 000 V左右，說明系統(tǒng)穩(wěn)定性較好。

5 結(jié)束語

本文提出一種基于兩相三線制變流器的同相供電系統(tǒng)方案，分析了其補(bǔ)償原理和負(fù)序諧波檢測(cè)、控制方法，并進(jìn)行了3種負(fù)載條件下的仿真驗(yàn)證。仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠較好地治理高速鐵路負(fù)序和諧波問題，同時(shí)減少了開關(guān)管數(shù)量，結(jié)構(gòu)得以簡(jiǎn)化。但會(huì)造成n相支路電流相對(duì)較大，需要加以注意。

本文所提方案適合各種平衡變壓器(如Scott變壓器、單三相組合平衡變壓器等)構(gòu)成的同相供電系統(tǒng)。