常文寰，王 果

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組合式同相供電系統(tǒng)容量配置優(yōu)化及分析

常文寰，王 果

(蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

為優(yōu)化組合式同相供電系統(tǒng)同相補(bǔ)償裝置的容量，在牽引變電所端口電氣量分析的基礎(chǔ)上，利用變壓器平衡接線和對稱分量法原理，對同相補(bǔ)償裝置和牽引變壓器的相對容量(1)、電網(wǎng)側(cè)負(fù)序和無功功率關(guān)系進(jìn)行了分析。通過分析組合式同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，得到牽引變壓器容量、同相補(bǔ)償裝置容量、系統(tǒng)短路容量和負(fù)載容量之間的關(guān)系，進(jìn)而求得組合式同相供電系統(tǒng)在完全補(bǔ)償、滿意補(bǔ)償條件下的1值。分析表明，完全補(bǔ)償時(shí)，1等于1。無功滿意補(bǔ)償時(shí)，高速鐵路不設(shè)無功補(bǔ)償，功率因數(shù)可滿足國標(biāo)；普速鐵路根據(jù)負(fù)載功率因數(shù)設(shè)置無功補(bǔ)償度。負(fù)序不平衡度滿足國標(biāo)時(shí)，根據(jù)短路容量和負(fù)載容量設(shè)計(jì)1。最后利用Matlab軟件仿真驗(yàn)證了該結(jié)果的正確性。

組合式同相供電；補(bǔ)償容量；負(fù)序補(bǔ)償；功率因數(shù)；無功補(bǔ)償

0 引言

電氣化鐵路牽引負(fù)荷是單相、非線性、沖擊性負(fù)荷，直接接入電力系統(tǒng)會引起負(fù)序、無功、諧波等電能質(zhì)量問題[1-2]。隨著京津城際高鐵的開通，我國電氣化鐵路正式進(jìn)入高速時(shí)代，牽引負(fù)荷產(chǎn)生的負(fù)序電流成為影響電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的主要因素。換接相序以及有源、無源補(bǔ)償裝置雖能有效抑制負(fù)序，補(bǔ)償無功、諧波[3]，但是過分相引起的牽引力損失甚至安全隱患并不能有效緩解[4-6]。文獻(xiàn)[7]提出組合式同相供電系統(tǒng)，牽引變壓器與補(bǔ)償裝置互相獨(dú)立，補(bǔ)償裝置不占用牽引變壓器容量，二者共同為牽引負(fù)荷供電，徹底取消電分相環(huán)節(jié)，有效補(bǔ)償負(fù)序等電能質(zhì)量問題，實(shí)現(xiàn)全線貫通供電。

同相供電技術(shù)的關(guān)鍵是補(bǔ)償裝置容量的設(shè)計(jì)[8-9]。為了適應(yīng)牽引負(fù)荷供電要求，需要在滿足國標(biāo)的前提下，降低補(bǔ)償裝置容量，提高同相供電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。本文針對組合式同相供電系統(tǒng)分別推導(dǎo)牽引變電所完全補(bǔ)償以及滿意補(bǔ)償時(shí)的容量優(yōu)化配置，并對其技術(shù)經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析比較。

1 組合式同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

組合式同相供電系統(tǒng)是指牽引變壓器與補(bǔ)償裝置互相獨(dú)立，共同為牽引負(fù)荷供電的同相供電系統(tǒng)。電氣化鐵路全線電壓同相位，取消分相絕緣器，實(shí)現(xiàn)貫通供電[6-7]。

組合式同相供電系統(tǒng)的牽引變電所由單相牽引變壓器(TT)和補(bǔ)償裝置(CPD)構(gòu)成，其中高壓匹配變壓器(HMT)、單相背靠背變流器、牽引匹配變壓器(TMT)共同構(gòu)成補(bǔ)償裝置，組合式同相供電系統(tǒng)有如下兩種結(jié)構(gòu)[7]。如圖1所示為單相組合式同相供電系統(tǒng)，高壓匹配變壓器為單相變壓器；如圖2所示為單三相組合式同相供電系統(tǒng)，高壓匹配變壓器為YN，d11接線。

圖1單相組合式同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由于在牽引臂負(fù)載阻抗角相等的情況下，在電力系統(tǒng)側(cè)產(chǎn)生負(fù)序電流最大的是單相變壓器；其次 是Yd11接線變壓器和V接線變壓器；最小的是平衡接線變壓器[10]，因此為將系統(tǒng)本身負(fù)序降到最低，在單相組合式同相供電系統(tǒng)中，牽引變壓器與高壓匹配變壓器構(gòu)成平衡接線形式；單三相系統(tǒng)中，兩牽引變壓器次邊繞組電壓相位相差90°。與原牽引供電系統(tǒng)相比，牽引側(cè)供電臂電壓相位全線相同，可取消變電所出口電分相，減少了機(jī)車過分相的牽引力損失，適宜高速鐵路運(yùn)行；牽引變壓器和補(bǔ)償裝置互相獨(dú)立，共同為牽引負(fù)荷供電，不但可以補(bǔ)償系統(tǒng)負(fù)序、無功以及諧波，而且可以減少牽引變壓器的容量。

圖2單三相組合式同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 綜合補(bǔ)償原理

圖1所示的單相組合式同相供電系統(tǒng)中，牽引變壓器和高壓匹配變壓器均為單相聯(lián)結(jié)，兩端口二次側(cè)電壓構(gòu)成平衡接線形式。

圖2所示的單三相組合式同相供電系統(tǒng)中，高壓匹配變壓器為YN,?d11接線形式，電壓相位選擇三角形接線AC相，與牽引變壓器二次側(cè)電壓相位差90o，構(gòu)成平衡接線。兩種結(jié)構(gòu)牽引變壓器二次側(cè)電壓相同，后者高壓匹配變壓器二次側(cè)電壓為

兩種同相供電系統(tǒng)在容量配置方面區(qū)別僅在于高壓匹配變壓器的容量利用率，牽引變壓器以及補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償原理及容量配置均一致。

設(shè)PCC處的正序阻抗與負(fù)序阻抗相等，那么負(fù)序電壓不平衡度近似為[12]

牽引變壓器和高壓匹配變壓器兩個(gè)端口共同作用在原邊的負(fù)序電流分量一般表達(dá)式[11]為

假設(shè)牽引變壓器及高壓匹配變壓器均為理想變壓器，功率因數(shù)角，則

牽引負(fù)載電流為

根據(jù)結(jié)構(gòu)圖可以看出，牽引變壓器與同相補(bǔ)償裝置共同向負(fù)載提供有功功率，兩單相背靠背SVG共同平衡系統(tǒng)負(fù)序，SVG2補(bǔ)償系統(tǒng)無功、諧波[13-14]。因此有

式中：L為負(fù)載有功功率；T為牽引變壓器有功功率，其值大小等于；1為SVG1有功功率其值大小等于；為SVG2補(bǔ)償負(fù)載的無功功率；2為SVG2視在功率。

3 組合式同相供電容量配置優(yōu)化

由于鐵路負(fù)載類型決定高速鐵路同相供電補(bǔ)償?shù)年P(guān)鍵是抑制負(fù)序，而重載和普速鐵路需要抑制負(fù)序、提高網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)[15-16]。因此在容量配置方面應(yīng)考慮負(fù)序、無功的綜合補(bǔ)償，在此基礎(chǔ)上利用補(bǔ)償裝置濾除諧波。

設(shè)牽引變壓器是理想變壓器，根據(jù)上文SVG1只承擔(dān)一部分負(fù)載有功功率，結(jié)合式(8)，令

3.1 完全補(bǔ)償容量配置

根據(jù)式(6)可知，當(dāng)同相供電系統(tǒng)負(fù)序完全補(bǔ)償時(shí)，牽引變壓器容量與SVG1容量相等，。此時(shí)，若無功諧波也完全補(bǔ)償，SVG2總?cè)萘繛镾VG1傳遞的有功以及負(fù)載的全部無功、諧波三者容量之和。結(jié)合式(8)、式(9)，系統(tǒng)完全補(bǔ)償時(shí)牽引變壓器、SVG1、SVG2的容量分別為

結(jié)合式(7)、式(9)和式(10)得

(12)

根據(jù)式(12)做出三者容量比與負(fù)載功率因數(shù)、諧波電流畸變率關(guān)系如圖3所示。

圖3完全補(bǔ)償時(shí)負(fù)載功率因數(shù)、諧波畸變率與容量比關(guān)系

從圖3可以看出，功率因數(shù)對牽引變壓器以及補(bǔ)償裝置容量的影響高于負(fù)載諧波畸變率對其影響。負(fù)載電流諧波畸變率越大，功率因數(shù)越低，補(bǔ)償裝置容量越大；反之，補(bǔ)償裝置容量越小。當(dāng)負(fù)載諧波電流諧波畸變率為0，功率因數(shù)為1時(shí)，牽引變壓器、SVG1、SVG2容量相等，均為負(fù)載容量 的一半，此時(shí)補(bǔ)償裝置容量最?。划?dāng)負(fù)載諧波電流畸變率為45%，功率因數(shù)為0.6時(shí)，負(fù)載有功電流與負(fù)荷電流比值較小，牽引變壓器和SVG1容量小于SVG2容量，此時(shí)補(bǔ)償裝置容量最大，約為1.1L。

3.2滿意補(bǔ)償容量配置

組合式同相供電系統(tǒng)補(bǔ)償裝置SVG1端口電壓與牽引變壓器端口電壓相位差90°，其作用是為了 補(bǔ)償系統(tǒng)負(fù)序。當(dāng)同相供電系統(tǒng)不補(bǔ)償時(shí)，補(bǔ)償裝置容量為0，此時(shí)負(fù)序不補(bǔ)償，；無功、諧波不補(bǔ)償，負(fù)載的全部無功、諧波通過牽引變壓器流入電力系統(tǒng)。當(dāng)同相供電系統(tǒng)不完全補(bǔ)償時(shí)，需引入負(fù)序、無功、諧波補(bǔ)償度，得

(1)?無功補(bǔ)償模式

根據(jù)對稱分量法[17-18]以及計(jì)算牽引變壓器原、次邊電流變換一般關(guān)系[11]組合式同相供電系統(tǒng)電流變換矩陣可寫為

則牽引變壓器和高壓匹配變壓器組成的斯科特連接組原邊三相電流為

根據(jù)式(15)做出負(fù)載功率因數(shù)為1時(shí)電網(wǎng)側(cè)電流、電壓相量圖，如圖4所示。

圖4電網(wǎng)側(cè)三相電壓、電流相量圖

從圖4可以看出，牽引變壓器電壓BC和電流BC同相位，但B、C相電流和B、C相電壓存在相位差，由此可得負(fù)載功率因數(shù)為1時(shí)組合式同相供電系統(tǒng)本身的無功功率為

(16)

電網(wǎng)側(cè)三相功率為

根據(jù)式(16)、式(17)得到負(fù)載功率因數(shù)為1時(shí)系統(tǒng)折算到電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為

(18)

圖5負(fù)載功率因數(shù)為1時(shí)b1與電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)關(guān)系

根據(jù)圖5可以看出，在負(fù)載功率因數(shù)為1的情況下，當(dāng)SVG1容量和牽引變壓器容量相等時(shí)，電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)最大為1；當(dāng)不設(shè)補(bǔ)償裝置即SVG1容量為0時(shí)，電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)最小為0.958。

當(dāng)負(fù)載為L且無功補(bǔ)償度為C時(shí)，負(fù)載中未補(bǔ)償?shù)臒o功功率部分會注入電力系統(tǒng)，這部分無功功率為

根據(jù)式(16)—式(18)得到有負(fù)載通過且無功不完全補(bǔ)償時(shí)，折算到電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為

(20)

圖6交直型負(fù)載通過時(shí)1、無功補(bǔ)償度與電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)關(guān)系

Fig. 6 Relationship among1, reactive compensation degree and power factor in grid-side when there are AC-DC loads

圖7交直交負(fù)載通過時(shí)b1、無功補(bǔ)償度與電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)關(guān)系

圖8不同b1情況下交直型負(fù)載通過時(shí)無功補(bǔ)償度與b2關(guān)系

圖9不同b1情況下交直交型負(fù)載通過時(shí)無功補(bǔ)償度與b2關(guān)系

對比圖6、圖7可知，對于交直型負(fù)載，當(dāng)系統(tǒng)不設(shè)補(bǔ)償裝置時(shí)，電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)最低為約0.57；對于交直交型負(fù)載，當(dāng)系統(tǒng)不設(shè)補(bǔ)償裝置時(shí)，電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)最低約為0.8。當(dāng)補(bǔ)償裝置SVG1容量等于變壓器容量且補(bǔ)償度為0時(shí)，兩種負(fù)載情況電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)分別達(dá)到0.7和0.93，說明通過交直交型負(fù)載網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可以滿足國標(biāo)，而交直型機(jī)車必須結(jié)合SVG2無功補(bǔ)償網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)才可滿足國標(biāo)；此時(shí)若無功補(bǔ)償度為1，兩種情況電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)均達(dá)到最高值1。

圖8、圖9仿真結(jié)果表明，交直交型負(fù)載通過時(shí)比交直型負(fù)載所需無功補(bǔ)償裝置容量小。當(dāng)負(fù)載類型相同且無功補(bǔ)償度相同時(shí)，SVG1與牽引變壓器容量比越大，SVG2的容量越大。當(dāng)為1時(shí)，通過交直型機(jī)車且功率因數(shù)為1時(shí)，SVG2容量最大，約為2.2。

(2)?負(fù)序補(bǔ)償模式

由式(14)經(jīng)過對稱分量法計(jì)算可得電網(wǎng)側(cè)負(fù)序、正序電流分別為

由此可知，電網(wǎng)側(cè)負(fù)序電流不平衡度為

(23)

由式(23)可得容量比與電網(wǎng)側(cè)負(fù)序電流不平衡度關(guān)系如圖10所示。

設(shè)110 kV等級系統(tǒng)短路容量為1 000 MVA，負(fù)載容量為30 MVA、 50 MVA ；220 kV等級系統(tǒng)短路容量為3 000 MVA，負(fù)載容量為90 MVA 、120 MVA。結(jié)合式(3)、式(8)得到同相供電系統(tǒng)各裝置容量如表1所示。

通過表1的計(jì)算可知，負(fù)序滿意補(bǔ)償較完全補(bǔ)償時(shí)補(bǔ)償裝置容量顯著降低。原邊三相電壓、電流負(fù)序滿足國標(biāo)的情況下，電壓等級越高，所需要的相對補(bǔ)償容量越小；相同電壓等級情況下，負(fù)載容量越小，所需要的補(bǔ)償裝置容量越小。

表1負(fù)序滿意補(bǔ)償時(shí)同相供電系統(tǒng)裝置容量

Table 1 Capacity of combined co-phase power supply system when negative sequence is satisfactorily compensated

(3)?負(fù)序、無功綜合補(bǔ)償模式

根據(jù)圖11、圖12并結(jié)合表1可以看出110 kV電壓等級下負(fù)載容量為30 MVA和50 MVA時(shí)，無功補(bǔ)償度分別為0.3和0.4電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可以滿足國標(biāo)；220 kV等級下負(fù)載容量為90 MVA和120 MVA時(shí)，SVG2僅傳遞有功不補(bǔ)償無功時(shí)電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)也滿足國標(biāo)。此時(shí)補(bǔ)償裝置SVG1、SVG2容量均明顯低于負(fù)序、無功完全補(bǔ)償時(shí)的容量。

圖11 110 kV無功補(bǔ)償度與電網(wǎng)功率因數(shù)關(guān)系

圖12 220 kV無功補(bǔ)償度與功率因數(shù)關(guān)系

Fig. 12 Relationship between 220 kV reactive compensation degree and power factor in grid-side

4 結(jié)論

(1)?組合式同相供電系統(tǒng)負(fù)序完全補(bǔ)償時(shí)牽引變壓器容量和補(bǔ)償裝置容量相等。

(2)?對于高速鐵路，網(wǎng)側(cè)負(fù)序滿足國標(biāo)時(shí)，公共連接點(diǎn)處功率因數(shù)高于0.9，此時(shí)SVG2只傳遞有功，可不補(bǔ)償無功，降低裝置容量；對于普速鐵路，無功不滿足國標(biāo)，需要進(jìn)行負(fù)序和無功的綜合補(bǔ)償優(yōu)化。

(3)?高速鐵路電壓等級高，系統(tǒng)短路容量大，電網(wǎng)側(cè)負(fù)序允許容量大，所需要的相對補(bǔ)償容量比普速鐵路小。相同電壓等級情況下，負(fù)載容量越小，所需要的補(bǔ)償裝置容量越小。

(4)?對電氣化鐵路負(fù)載無功、負(fù)序的滿意補(bǔ)償配置可以顯著降低組合式同相供電系統(tǒng)補(bǔ)償裝置的容量，降低工程造價(jià)，且提高了補(bǔ)償裝置的容量利用率。

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(編輯 葛艷娜)

Optimizing and analyzing of capacity configuration in combined co-phase power supply system

CHANG Wenhuan, WANG Guo

(School of Automation and Electrical Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

In order to optimize the capacity of co-phase compensation device in combined co-phase power supply system, the relationship among relative capacity (1) on co-phase compensation device and traction transformer, negative sequence and power factor is analyzed. Based on structure analysis of combined co-phase power supply system, with the usage of principle of transformer connection, the compensation principle of traction substation and symmetrical components theory, the relationship among traction transformer capacity, co-phase compensation device capacity, system short circuit capacity and load capacity is obtained. And then a series of values of1on complete compensation and satisfying compensation are analyzed respectively. The search result indicates as follows. The value of1is 1 when completely compensated. High speed railway doesn’t need reactive compensation when satisfying compensation on reactive power because its power factor is nearly 1, but ordinary speed railway set reactive power compensation factor according to power factor of load. Both of them need determine the values of1according to the short circuit and load capacity. Eventually simulation results by Matlab verify the validity of analytical calculation.

This work is supported byGansu Province Science and Technology Plan (No. 1504WKCA016), Tutors of Project in Gansu Province (No. 2015A-055), and National Natural Science Foundation of China (No. 51367010).

co-phase power supply system; compensation device capacity; negative sequence compensation; power factor; reactive compensation

10.7667/PSPC152021

2015-11-18；

2016-01-18

常文寰(1992-)，女，碩士研究生，研究方向電力電子及電力傳動(dòng)、鐵道電氣化;E-mail:changwenhuanz@126.com

王 果(1977-)，女，副教授，研究方向是軌道交通供電、電能質(zhì)量補(bǔ)償?shù)?。E-mail: wangguo2005@eyou.com

甘肅省科技計(jì)劃資助(1504WKCA016); 甘肅省碩導(dǎo)項(xiàng)目(2015A-055);國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目資助(51367010)