呂順凱

摘 要：電力機(jī)車為大功率單相負(fù)載，其試驗(yàn)線25kV供電電源經(jīng)由10kV單相變升壓獲取，試驗(yàn)時(shí)經(jīng)常造成10kV三相進(jìn)線側(cè)嚴(yán)重不平衡，導(dǎo)致過流保護(hù)跳閘。文章提出了一種用于電力試驗(yàn)線的平衡供電系統(tǒng)方案，介紹了系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理，探討了系統(tǒng)控制及保護(hù)邏輯，并通過仿真，驗(yàn)證了系統(tǒng)方案及控制策略的可行性和優(yōu)越性。該平衡供電系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)潔，控制策略新型，性能優(yōu)良，能夠?qū)崿F(xiàn)10kV進(jìn)線側(cè)三相平衡，顯著減小線路電流幅值，充分保障試驗(yàn)線路供電可靠性。

關(guān)鍵詞：電力機(jī)車；試驗(yàn)線；不平衡；控制策略

中圖分類號(hào)：TM922.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）02-0001-04

Abstract： Electric locomotive is a high-power single-phase load， its test line 25kV power supply is obtained by 10kV single-phase transformer， the test causes in serious imbalance of the 10kV three-phase line side， resulting in over-current protection tripping. A scheme of balanced power supply system for power test line is presented in this paper. The topological structure and working principle of the system are introduced. The logic of system control and protection is discussed. The feasibility and superiority of the system scheme and control strategy are verified. The balanced power supply system has the advantages of simple structure， new control strategy and excellent performance. It can realize the three-phase balance at the inlet side of the 10kV， significantly reduce the line current amplitude， and fully guarantee the power supply reliability of the test line.

Keywords： electric locomotive； test line； unbalance； control strategy

引言

公共電網(wǎng)屬于三相供電系統(tǒng)，電力機(jī)車屬于大功率單相負(fù)荷，會(huì)導(dǎo)致公共電網(wǎng)三相不平衡[1]。電氣化鐵路采用220kV或者110kV供電，電壓等級(jí)高，供電容量大，同時(shí)采用分段相序輪換供電，可以有效抑制單相大功率電力機(jī)車造成的不良影響[2]。

主機(jī)廠用于電力機(jī)車靜調(diào)和動(dòng)調(diào)考核試驗(yàn)的試驗(yàn)線路，通常采用采用普遍存在的交流三相10kV電源供電，通過單相升壓變壓器輸出25kV電壓給電力機(jī)車供電，由于10kV系統(tǒng)容量相對(duì)較小，供給SS型、HXD型電力機(jī)車、CRH型高速動(dòng)車組等大功率單相不平衡負(fù)載時(shí)，造成的負(fù)序會(huì)影響同線供電敏感負(fù)荷的正常用電，而且容易出現(xiàn)不平衡負(fù)荷或者單相過載引起的上級(jí)變壓器跳閘故障，影響供電系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行[3]。

為了保證電力機(jī)車出廠動(dòng)調(diào)試驗(yàn)正常運(yùn)行，往往只是采取同線負(fù)載臨時(shí)限電，增大上級(jí)變壓器容量的措施。為解決試驗(yàn)線路供電問題，株洲電力機(jī)車研究所有限公司曾為某主機(jī)廠的牽引變電所設(shè)計(jì)了一種用于提升單相牽引供電能力、改善三相負(fù)荷平衡的TSC+TSR型三相動(dòng)態(tài)平衡補(bǔ)償裝置，該TSC+TSR型動(dòng)態(tài)平衡補(bǔ)償系統(tǒng)投切級(jí)數(shù)可達(dá)28級(jí)，基本上能達(dá)到無級(jí)調(diào)節(jié)的效果，且投入涌流及關(guān)斷過電壓都較小，效果較好，但是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制策略復(fù)雜，投資高，占地面積大[4-5]。

基于現(xiàn)已成熟應(yīng)用的大功率變流器模塊及四象限變流技術(shù)[6]，本文提出了一種新型的電力機(jī)車試驗(yàn)線平衡供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，介紹了系統(tǒng)構(gòu)成、工作原理、控制方法及保護(hù)邏輯，并通過仿真驗(yàn)證了應(yīng)用效果。該系統(tǒng)及控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)線側(cè)三相平衡供電，消除負(fù)序影響，保證試驗(yàn)線路供電質(zhì)量，充分發(fā)揮供電系統(tǒng)的能力，同時(shí)具有占地面積小、損耗低等優(yōu)勢(shì)。

1 平衡供電系統(tǒng)構(gòu)成

圖1為平衡供電系統(tǒng)一次主電路圖，按照功能劃分，包含兩個(gè)子系統(tǒng)：機(jī)車牽引供電子系統(tǒng)和功率平衡子系統(tǒng)。機(jī)車牽引供電子系統(tǒng)將10kV單相線電壓轉(zhuǎn)換為機(jī)車額定牽引供電電壓25kV，滿足電力機(jī)車動(dòng)調(diào)電能需求。功率平衡子系統(tǒng)檢測(cè)機(jī)車牽引子系統(tǒng)的電流，通過控制變流器機(jī)組的有功融通及無功輸出，實(shí)現(xiàn)10kV進(jìn)線側(cè)三相電流平衡，顯著減小10kV進(jìn)線電流幅值，消除電力機(jī)車單相牽引供電導(dǎo)致的負(fù)序，避免對(duì)同線供電負(fù)荷造成影響。

平衡供電系統(tǒng)主要設(shè)備包含斷路器、隔離開關(guān)、避雷器、電流互感器、電壓互感器、變壓器、大功率變流器模塊構(gòu)成的四象限變流器機(jī)組等，詳細(xì)設(shè)備清單見表1。

2 平衡供電系統(tǒng)工作原理

平衡供電系統(tǒng)原理說明見圖2。第一步，由控制裝置檢測(cè)機(jī)車供電子系統(tǒng)的電流I1（即圖1中TA1檢測(cè)的電流），計(jì)算出牽引供電子系統(tǒng)的有功功率P1和無功功率Q1。第二步，功率平衡子系統(tǒng)的變流器機(jī)組2向變流器機(jī)組1進(jìn)行有功融通，轉(zhuǎn)移有功功率P2（功率方向與P1方向相反，大小為P1的1/2）；同時(shí)變流器1輸出容性無功功率Q2，同時(shí)變流器2輸出感性無功功率Q3，使得各相電流與相電壓達(dá)到同相位。至此，通過控制兩個(gè)變流器機(jī)組間的有功融通以及各自的無功輸出，已實(shí)現(xiàn)10kV進(jìn)線側(cè)三相輸入電流相等，功率平衡。

3 平衡供電系統(tǒng)控制策略

設(shè)定三相進(jìn)線電壓為額定電壓，變壓器損耗較小，忽略不計(jì)，首先以交流傳動(dòng)機(jī)車負(fù)荷（功率因數(shù)為1）為例進(jìn)行分析，機(jī)車有功功率等于P1，無功功率Q1等于0。為方便分析，以下的電壓電流全部為10kV側(cè)等效電流。

機(jī)車牽引供電子系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，子系統(tǒng)的電壓電流矢量圖如圖3所示。

控制系統(tǒng)檢測(cè)到機(jī)車牽引子系統(tǒng)的電流，控制系統(tǒng)使得變流器機(jī)組2向變流器機(jī)組1進(jìn)行有功融通，融通功率大小為機(jī)車供電系統(tǒng)有功功率的二分之一（10kV側(cè)等效為融通電流為二分之一I1），方向?yàn)橛勺兞髌鳈C(jī)組2向變流器機(jī)組1；同時(shí)變流器1輸出容性無功功率Q2，同時(shí)變流器2輸出感性無功功率Q3。

即以各自線電壓為參考，變流器機(jī)組1及變流器機(jī)組2的視在功率S1和S2分別為：

平衡供電系統(tǒng)10kV進(jìn)線側(cè)總電流：

I1、I2和I4分別為圖1中CT1、CT2和CT4的電流。

功率平衡前后，相電流幅值變化為：

則平衡供電系統(tǒng)能夠顯著減小10kV進(jìn)線側(cè)的電流幅值，變?yōu)槌跏贾档?7.7%，減小幅值達(dá)42.3%。

如果負(fù)載為交直型電力機(jī)車，只需將變流器機(jī)組1的容性無功輸出值增加為機(jī)車無功負(fù)載Q1與Q2之和即可。

變流器機(jī)組1的視在功率為：

變流器機(jī)組2的視在功率為：

而且由于平衡供電子系統(tǒng)同時(shí)補(bǔ)償了牽引供電子系統(tǒng)的無功電流，則電流10kV進(jìn)線側(cè)的電流幅值減小比例超過42.3%。

4 系統(tǒng)控制及保護(hù)邏輯

4.1 控制邏輯

控制裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)牽引供電子系統(tǒng)的電流（來自TA1的測(cè)量繞組）以及10kV進(jìn)線側(cè)三相母線電壓（來自PT），實(shí)時(shí)計(jì)算系統(tǒng)有功及無功，并將控制命令發(fā)送至執(zhí)行裝置，控制變流器機(jī)組1和變流器機(jī)組2的有功和無功輸出，同時(shí)實(shí)時(shí)采集變流器機(jī)組1的電流（來自CT1的測(cè)量繞組）和變流器機(jī)組2（來自CT2的測(cè)量繞組）的電流，反饋回控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)修正，保證進(jìn)線側(cè)三相功率平衡。

同時(shí)，控制裝置接收保護(hù)裝置以及兩個(gè)變流器機(jī)組發(fā)送的故障信號(hào)，當(dāng)檢測(cè)到故障時(shí)，停止發(fā)送變流器機(jī)組1和變流器機(jī)組2的控制命令。

4.2 保護(hù)邏輯

保護(hù)裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)10kV母線的電壓（來自PT）和系統(tǒng)各支路10kV側(cè)的電流（來自TA1、TA2、TA3、TA4的保護(hù)繞組），以及變流器機(jī)組1的電流（來自CT1的保護(hù)繞組）和變流器機(jī)組2的電流（來自CT2的保護(hù)繞組），并與保護(hù)定值進(jìn)行比較。

若采集的電流值超過設(shè)定值，動(dòng)作于牽引供電子系統(tǒng)支路斷路器（QF1）和功率平衡子系統(tǒng)支路斷路器（QF2），同時(shí)將故障信號(hào)發(fā)送至控制系統(tǒng)，停止變流器機(jī)組1和變流器機(jī)組2的輸出。

同時(shí)，保護(hù)裝置還采集了隔離開關(guān)的位置信號(hào)，作為合閘允許條件，防止系統(tǒng)檢修時(shí)誤合斷路器。

5 仿真驗(yàn)證

為了證明本文所提出的檢測(cè)方法和控制策略的有效性，以直流機(jī)車為例，進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。機(jī)車負(fù)載用電阻和不可控整流負(fù)載并聯(lián)來等效，設(shè)定接在電力機(jī)車變壓器二次側(cè)的電阻負(fù)載為0.7Ω，不可控整流負(fù)載為1Ω電阻串聯(lián)一個(gè)200mH大電感的阻感負(fù)載，用來模擬諧波源，且保證其基波負(fù)載功率因數(shù)接近1。仿真結(jié)果如圖8、9所示。

圖8中IA、IB和IC分別為A、B、C三相電流，可見未應(yīng)用平衡供電系統(tǒng)之前，由于只有三相進(jìn)線側(cè)只有A相和C相通過變壓器接入機(jī)車負(fù)載，B相電流為0，這時(shí)三相電流中負(fù)序電流最大，負(fù)序電流與正序電流之比為100%，并且A、C相電流含有一定量的諧波。應(yīng)用平衡供電系統(tǒng)之后，進(jìn)線側(cè)三相電流達(dá)到平衡。圖9中iaL和ia分別為應(yīng)用平衡供電系統(tǒng)前后網(wǎng)側(cè)等效電流，可見采用平衡供電系統(tǒng)之后，網(wǎng)側(cè)等效電流諧波含量明顯減少，經(jīng)測(cè)算，電流畸變率從17.2%降低到5%。通過仿真，證明平衡供電裝置具有較好的負(fù)序補(bǔ)償、無功補(bǔ)償和一定的諧波抑制能力。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種電力機(jī)車試驗(yàn)線平衡供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，滿足電力機(jī)車靜調(diào)及動(dòng)調(diào)試驗(yàn)需求，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)10kV進(jìn)線側(cè)三相供電平衡，顯著減小線路電流幅值（減小值達(dá)42.3%以上），避免供電線路過負(fù)荷或負(fù)序保護(hù)跳閘，充分保障試驗(yàn)線路供電可靠性。整體系統(tǒng)按照功能和主電路劃分為牽引供電子系統(tǒng)和功率平衡子系統(tǒng)，一次系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)潔，功能和結(jié)構(gòu)分區(qū)清晰，檢修維護(hù)方便，控制方法和保護(hù)策略簡(jiǎn)單有效，同時(shí)具有占地面積小、損耗低等優(yōu)勢(shì)。

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