楊智靈 李宇航

摘要：現(xiàn)行電氣化鐵路所采用的供電制式為單相工頻25 kV交流制，電力機(jī)車(chē)為單相負(fù)荷，作用于三相電力系統(tǒng)，造成了負(fù)載不平衡。牽引網(wǎng)供電方案雖采取了分相分區(qū)、輪換相序等措施，但受機(jī)車(chē)負(fù)載空間分布不均勻性的影響，不能徹底消除負(fù)序。鑒于此，探討了一種基于Scott接線變壓器與四象限變流器拓?fù)涞腟cott三相平衡牽引供電系統(tǒng)，介紹了其系統(tǒng)拓?fù)浼把a(bǔ)償原理。該Scott三相平衡牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)線側(cè)三相平衡供電，不僅能消除牽引網(wǎng)有功功率導(dǎo)致的負(fù)序，也能消除牽引網(wǎng)無(wú)功功率導(dǎo)致的負(fù)序，還能對(duì)牽引網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功治理。該Scott三相平衡牽引供電系統(tǒng)能很好地適用于機(jī)車(chē)試驗(yàn)線和檢修所等應(yīng)用場(chǎng)合，保證試驗(yàn)線路和檢修所供電質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)蜗嘭?fù)荷；三相平衡；牽引供電；負(fù)序補(bǔ)償

中圖分類(lèi)號(hào)：U223.1? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2023）12-0001-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.12.001

0? ? 引言

現(xiàn)行電氣化鐵路所采用的供電制式為單相工頻25 kV交流制，而電力機(jī)車(chē)的牽引負(fù)荷是一種單相電力負(fù)荷。單相電力負(fù)荷作用于三相電力系統(tǒng)，給三相電力系統(tǒng)造成了負(fù)載不平衡，即帶來(lái)了負(fù)序電流。負(fù)序電流給三相電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和供電質(zhì)量都造成了不利影響。通常情況下，為減小負(fù)序電流帶來(lái)的影響，牽引網(wǎng)供電方案采取分相分區(qū)、輪換相序等措施，受機(jī)車(chē)負(fù)載空間分布不均勻性的影響，該措施不能根本消除負(fù)序[1]。

三相平衡牽引供電系統(tǒng)主要功能之一就是解決牽引負(fù)載帶來(lái)的負(fù)序問(wèn)題，目前主要有以下幾種方案：

（1）無(wú)源補(bǔ)償方案。由平衡變壓器配合以無(wú)源補(bǔ)償器件構(gòu)成：無(wú)源補(bǔ)償器通常為晶閘管控制電抗器（Thyristor Controlled Reactor，TCR）、晶閘管投切電容器（Thyristor Switched Capacitor，TSC）等設(shè)備，特點(diǎn)是補(bǔ)償功率只能是無(wú)功，不可兼顧有功負(fù)序和無(wú)功負(fù)序，且會(huì)產(chǎn)生低次諧波。

（2）全功率方案。由輸入降壓變和三相-單相變流器構(gòu)成，特點(diǎn)是所有牽引功率流經(jīng)變壓器和變流器，效率低。

（3）同相供電方案。由牽引變壓器和同相供電裝置構(gòu)成，特點(diǎn)是變壓器和變流器同時(shí)為牽引負(fù)載提供功率，變流器兼具補(bǔ)償功能。

從功率傳輸路徑看，無(wú)源補(bǔ)償方案和全功率方案是三相平衡牽引供電的兩個(gè)極端。無(wú)源補(bǔ)償方案中所有的有功功率從變壓器流通，補(bǔ)償裝置不傳遞有功，但由于補(bǔ)償裝置只提供無(wú)功，導(dǎo)致補(bǔ)償靈活性不夠，無(wú)法適應(yīng)負(fù)載功率因數(shù)變化的負(fù)序補(bǔ)償。全功率方案中變流器傳遞所有的有功功率，該方案對(duì)于負(fù)序有很好的緩沖效果，但是所有功率流經(jīng)變壓器和交直交變流器，導(dǎo)致效率降低。同相供電方案則是上述兩種極端方案的中間方案，與前兩個(gè)方案相比，同相供電方案拓?fù)涠喾N多樣，主要有單相組合式、單三相組合式。同相供電方案中的補(bǔ)償裝置既可以提供無(wú)功補(bǔ)償又可以進(jìn)行有功傳輸，且牽引負(fù)載功率由變壓器和補(bǔ)償裝置共同提供，因此其負(fù)序治理的靈活性和功率傳輸效率都得到了提高。

近年來(lái)，新型同相供電技術(shù)在鐵路領(lǐng)域逐步推廣，牽引所負(fù)序問(wèn)題逐步得到解決[2-10]。為適應(yīng)外部電網(wǎng)110 kV或220 kV高電壓以及較大的牽引負(fù)載容量，從設(shè)備經(jīng)濟(jì)效益考慮，同相供電裝置一般采用AC-DC-AC背靠背變流拓?fù)湟约案邏杭?jí)聯(lián)并網(wǎng)的技術(shù)。這種方案直接用到廠內(nèi)試驗(yàn)線或車(chē)輛檢修所的牽引供電，設(shè)計(jì)裕量過(guò)大，屬于大材小用。

本文探討了一種基于Scott接線變壓器與四象限變流器拓?fù)涞腟cott三相平衡牽引供電系統(tǒng)，介紹了其系統(tǒng)拓?fù)浼把a(bǔ)償原理。該Scott三相平衡牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)線側(cè)三相平衡供電，不僅能消除牽引網(wǎng)有功功率導(dǎo)致的負(fù)序，也能消除牽引網(wǎng)無(wú)功功率導(dǎo)致的負(fù)序，還能對(duì)牽引網(wǎng)進(jìn)行無(wú)功治理。該Scott三相平衡牽引供電系統(tǒng)能很好地適用于機(jī)車(chē)試驗(yàn)線和檢修所等應(yīng)用場(chǎng)合，保證試驗(yàn)線路和檢修所供電質(zhì)量。

1? ? Scott三相平衡牽引供電系統(tǒng)拓?fù)?/p>

Scott三相平衡牽引供電系統(tǒng)拓?fù)淙鐖D1左所示，系統(tǒng)主要的組成設(shè)備包括：牽引變壓器TT、補(bǔ)償變壓器MT、四象限變流器CVT以及相關(guān)的開(kāi)關(guān)器件KH、KT、KC。牽引變壓器TT包含兩個(gè)次邊繞組，其中端口T繞組直接為牽引負(fù)載供電，端口L繞組為補(bǔ)償繞組；補(bǔ)償變壓器MT次邊端口K繞組和端口L繞組的電壓幅值相等，相位相差90°，兩端口共同構(gòu)成一個(gè)電壓相位垂直的兩相補(bǔ)償端口連接到四象限變流器CVT。四象限變流器CVT實(shí)時(shí)檢測(cè)牽引負(fù)載有功功率和無(wú)功功率，通過(guò)動(dòng)態(tài)控制補(bǔ)償端口L和K對(duì)應(yīng)繞組電流的大小和相位，對(duì)負(fù)載進(jìn)行負(fù)序和無(wú)功補(bǔ)償，從而達(dá)到抑制三相電網(wǎng)側(cè)負(fù)序和無(wú)功的目的。圖1左所示系統(tǒng)的接線相序、補(bǔ)償變壓器MT和牽引變壓器TT次邊端口電壓與三相電壓的相量關(guān)系畫(huà)于圖1右側(cè)。

同時(shí)由式（6）可以發(fā)現(xiàn)，端口K和端口L純負(fù)序補(bǔ)償時(shí)，兩端口的有功成分大小相等，符號(hào)相反，這意味著圖1所示系統(tǒng)的變流器只需要在兩端口間轉(zhuǎn)移有功功率，不需要提供有功功率。因此，圖1所示系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)純負(fù)序補(bǔ)償。

2.2? ? 純無(wú)功補(bǔ)償

若圖1所示系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)純無(wú)功補(bǔ)償，設(shè)：負(fù)載的視在功率幅值為st，功率因數(shù)角為φt；端口K純無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊曉诠β史禐閟Ck，功率因數(shù)角為φCk；端口L純無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊曉诠β史禐閟Cl，功率因數(shù)角為φCl；無(wú)功補(bǔ)償度為KC。

式（16）等式右邊，加號(hào)前的部分為負(fù)序補(bǔ)償分量；加號(hào)后的部分為無(wú)功補(bǔ)償分量。

3? ? 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證以上推導(dǎo)的正確性，構(gòu)建基于Matlab/Simulink的仿真模型，如圖2所示。

仿真參數(shù)：負(fù)載視在功率st=3 MVA，負(fù)載功率因數(shù)cos φt=0.8，補(bǔ)償系數(shù)KN=KC=1；三相電網(wǎng)電壓10 kV，牽引網(wǎng)電壓27.5 kV，補(bǔ)償端口電壓780 V。

控制模式：0～0.1 s時(shí)間段，不做任何補(bǔ)償；0.1～0.2 s時(shí)間段，純負(fù)序補(bǔ)償；0.2～0.3 s時(shí)間段，純無(wú)功補(bǔ)償；0.3～0.4 s時(shí)間段，負(fù)序和無(wú)功綜合補(bǔ)償。

仿真波形如圖3所示。

從圖3仿真波形可見(jiàn)：

（1）0～0.1 s時(shí)間段：系統(tǒng)沒(méi)有任何補(bǔ)償，此時(shí)電網(wǎng)側(cè)的三相電流不平衡；電網(wǎng)側(cè)的有功和無(wú)功瞬時(shí)功率為100 Hz波動(dòng)功率，無(wú)功平均功率不為零；電網(wǎng)三相電流的正序和負(fù)序幅值相等，不平衡度為100%。

（2）0.1～0.2 s時(shí)間段：系統(tǒng)純負(fù)序補(bǔ)償，此時(shí)電網(wǎng)側(cè)的三相電流平衡；電網(wǎng)側(cè)的有功和無(wú)功瞬時(shí)功率穩(wěn)定，無(wú)功功率不為零；電網(wǎng)三相電流的負(fù)序幅值接近零；系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了負(fù)序補(bǔ)償。

（3）0.2～0.3 s時(shí)間段：系統(tǒng)純無(wú)功補(bǔ)償，此時(shí)電網(wǎng)側(cè)的三相電流不平衡；電網(wǎng)側(cè)的有功和無(wú)功瞬時(shí)功率為100 Hz波動(dòng)功率，無(wú)功平均功率接近零；電網(wǎng)三相電流的正序和負(fù)序幅值不為零；系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了純無(wú)功補(bǔ)償。

（4）0.3～0.4 s時(shí)間段：系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)序和無(wú)功綜合補(bǔ)償，此時(shí)電網(wǎng)側(cè)的三相電流平衡；電網(wǎng)側(cè)的有功和無(wú)功瞬時(shí)功率穩(wěn)定，無(wú)功功率接近零；電網(wǎng)三相電流的負(fù)序幅值接近零；系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了負(fù)序和無(wú)功的綜合補(bǔ)償。

4? ? 結(jié)論

本文探討了一種基于Scott接線變壓器與四象限變流器拓?fù)涞腟cott三相平衡牽引供電系統(tǒng)方案，并搭建了基于Matlab/Simulink的仿真模型。理論推導(dǎo)與仿真驗(yàn)證證明，本文所提Scott三相平衡牽引供電系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)為單相牽引負(fù)載供電時(shí)三相電網(wǎng)側(cè)電流的平衡，且能進(jìn)行電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償。同時(shí)，可以對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)序和無(wú)功的解耦補(bǔ)償，無(wú)功和負(fù)序解耦控制，增加了補(bǔ)償裝置補(bǔ)償?shù)撵`活性。根據(jù)負(fù)載或電網(wǎng)的特性合理設(shè)置負(fù)序補(bǔ)償度KN及無(wú)功補(bǔ)償度KC，可以使得補(bǔ)償變流器達(dá)到最優(yōu)的補(bǔ)償效果。該方案可滿(mǎn)足電力機(jī)車(chē)調(diào)試與線路檢修時(shí)的供電需求，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)電力系統(tǒng)側(cè)三相供電平衡，功率因數(shù)達(dá)標(biāo)。

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收稿日期：2023-03-03

作者簡(jiǎn)介：楊智靈（1988—），男，四川巴中人，工程師，研究方向：牽引供電與電力電子技術(shù)。

李宇航（1991—），男，山東樂(lè)陵人，碩士，工程師，研究方向：列車(chē)牽引變流器設(shè)計(jì)。