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一種適用于高速電氣化鐵路的混合型功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)及其容量分析

2016-08-12 23:07許加柱李平胡斯佳董欣曉周冠東

許加柱 李平 胡斯佳 董欣曉 周冠東 陳躍輝

摘要:隨著交流電力機(jī)車的廣泛使用,牽引網(wǎng)負(fù)序和過分相問題日益突出,采用配置鐵路功率調(diào)節(jié)器(railwaypowerconditioner,RPC)的同相供電系統(tǒng)是一種可行方案。為了提高該方案中功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性價(jià)比,本文提出了一種適用于同相供電系統(tǒng)的新型混合鐵路功率調(diào)節(jié)器(hybrid RPC,HRPC)。與傳統(tǒng)RPC相比,該系統(tǒng)變流器的端口電壓更低,從而大幅降低了有源部分的容量。文章詳細(xì)描述了系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、補(bǔ)償原理,給出了關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)方法,并對HRPC的容量進(jìn)行了系統(tǒng)分析。研究結(jié)果表明,在完成相同補(bǔ)償任務(wù)的前提下,所提HRPC變流系統(tǒng)的容量將比傳統(tǒng)RPC降低46%~50%。所得結(jié)論通過仿真得到了驗(yàn)證。

關(guān)鍵詞:高速電氣化鐵道;負(fù)序;混合式補(bǔ)償;鐵路功率調(diào)節(jié)器

中圖分類號:TM401 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

隨著我國高鐵技術(shù)的成熟,直流電力機(jī)車正逐步被交流電力機(jī)車所取代。由于交流機(jī)車整流級普遍采用PWM調(diào)制技術(shù),網(wǎng)側(cè)功率因素一般較高(接近1);然而與機(jī)車牽引能力(功率)和運(yùn)行速度大幅提高相伴隨是日益嚴(yán)峻的負(fù)序和牽引網(wǎng)過分相問題。采用相序輪換可使上述矛盾得到一定緩解,但在電網(wǎng)相對薄弱的地區(qū),仍難以滿足相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)。

為了綜合解決上述問題,采用對稱補(bǔ)償技術(shù)的同相供電系統(tǒng)是一種可行的方案。當(dāng)補(bǔ)償系統(tǒng)為TCR或TSC時(shí),雖能起到一定補(bǔ)償作用,但該方案易與電網(wǎng)發(fā)生諧振,且TCR需要額外濾波裝置才能投入運(yùn)行,更為重要的是該系統(tǒng)體積龐大、集成度低,不利于在面積極為有限的牽引供電所中大規(guī)模安裝。與此相比,RPC具有更高的控制靈活性和系統(tǒng)集成度,在獲得較好補(bǔ)償效果的前提下,不會占用太多安裝空間(尤其在采用級聯(lián)模塊的集裝箱型系統(tǒng)時(shí)),具有較好的應(yīng)用前景。但較大的補(bǔ)償容量限制了它的大范圍推廣。

為了降低有源部分的容量,混合有源濾波器已在常規(guī)三相電力系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用中得到了廣泛認(rèn)可,然而,該系統(tǒng)難以解決負(fù)序問題,尤其在采用單相供電系統(tǒng)的牽引網(wǎng)中?;诖?,本文提出了一種適用于同相供電系統(tǒng)的新型混合RPC(即:HRPC)。與傳統(tǒng)RPC相比,HRPC通過精心設(shè)計(jì)耦合支路的參數(shù)和對主變輸出端口的選擇,其有源部分的端口電壓(或直流側(cè)電壓)將大幅降低,從而有效降低了補(bǔ)償系統(tǒng)的容量,對提高系統(tǒng)的性價(jià)比具有較大益處。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及補(bǔ)償原理

HRPC和RPC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示,110kV(或220kV)電網(wǎng)電壓經(jīng)V/v牽引變降為27.5kV為機(jī)車供電。

二者最顯著的區(qū)別主要表現(xiàn)在:

1)HRPC為牽引饋線供電的電壓為V/v變壓器兩副邊繞組端口電壓之和(即圖1(a)中的FH端口),且主變二次側(cè)DE相連,這使得α,β相負(fù)荷電流滿足iαL=-iβL=iL(圖1(a));RPC采用T1副邊電壓為機(jī)車供電(圖1(b)中端口ED),T1,T2二次側(cè)分離,故主變α、β相負(fù)荷互相獨(dú)立。

2)HRPC的β相采用LC耦合支路與變流器相連;RPC則為L耦合支路(注:HRPC中α,β相的耦合支路均需通過精心設(shè)計(jì),具體見后文)。

另外,在圖1中還需說明的是,若變流器采用多個(gè)小功率背靠背單元并聯(lián)的方案時(shí)(工業(yè)應(yīng)用方案),主變與變流器之間應(yīng)加入隔離變壓器,以防止主變二次側(cè)因變流器開關(guān)動作而短路。

HRPC的補(bǔ)償原理如圖2所示。該圖有三點(diǎn)需要注意:首先,牽引饋線的端口電壓既非Vα也非Vβ,而是兩者之差Vab。由于V/v變壓器二次側(cè)端口電壓相位差為60°,所以由圖2可知Vab=Vα=Vβ27.5kV,故該種接線并未改變牽引饋線的電壓等級。其次,由于T1,T2二次側(cè)繞組串聯(lián),所以圖2中有IαL=-IβL=IL。此外,還需注意的是,圖2中直線Г1//Vab,故θ為負(fù)荷電流的功率因數(shù)角,由于交流機(jī)車功率因數(shù)接近于1,所以可近似認(rèn)為IαL,IβL與Г1共線。顯然,為將IαL,IβL分別校正為Iα*和Iβ*,補(bǔ)償電流IH,IH中無功分量占主要部分(即:IHp<CαHq,IHP<CβHq),特別地,當(dāng)負(fù)荷功率因數(shù)為1時(shí),IHp=IHp=0(圖3),變流器只需補(bǔ)償無功功率;而傳統(tǒng)RPC除需補(bǔ)償兩相無功之外,還需必須補(bǔ)償0.5倍兩相有功之差(圖2中△Lp,具體可見文獻(xiàn))。相同負(fù)荷電流IL下,HRPC和RPC需補(bǔ)償?shù)挠泄﹄娏鳌鱅p如圖3所示(圖中λ為負(fù)荷功率因數(shù))。

由圖3可以看出,負(fù)荷功率因數(shù)越高,HRPC轉(zhuǎn)移的有功電流越小,故無功電流占補(bǔ)償電流的比例隨λ的增大不斷增大,這些無功中的大部可由L或LC耦合支路承擔(dān)(注:圖2顯示HRPC中α相補(bǔ)償感性無功,β相補(bǔ)償容性無功),這是HRPC有源部分的容量能大幅低于傳統(tǒng)RPC的主要原因。

2 端口電壓特性分析

參照圖1~2可得HRPC和RPC的端口電壓相量圖如圖4所示(RPC的端口電壓相量圖可參閱)。從圖4可以觀察到,HRPC變流器的端口電壓VH,VH均低于饋線電壓,而傳統(tǒng)RPCα相變流器端口電壓V高于饋線電壓Vα(RPCα相需補(bǔ)償容性無功)。

產(chǎn)生這一現(xiàn)象的物理本質(zhì)是,HRPC的α,β相需分別補(bǔ)償感性和容性無功,而設(shè)置在α,β相的L耦合支路和LC耦合支路(基波下呈容性)能代替變流器分擔(dān)部分補(bǔ)償任務(wù)。對于RPC,α,β相需分別補(bǔ)償容性和感性無功,其β相的L耦合支路能分擔(dān)部分補(bǔ)償任務(wù)(故Vβ),但α相的L耦合支路非但不能補(bǔ)償容性無功還要發(fā)出感性無功,變流器需首先抵消該支路的感性無功,才能發(fā)出系統(tǒng)所需要的容性無功,故VH>Vo。

由圖4并結(jié)合圖1~2容易得到HRPC和RPC變流器端口電壓VH,VH,V,V可分別表示為:

如圖5(a)所示,對于α相,RPC中V隨耦合支路電抗線性增大,且其值大于1;而HRPC在不同功率因數(shù)下均存在一個(gè)最優(yōu)阻抗使VH小于1(圖5中圓點(diǎn)),其在λ=0.95,λ=0.98時(shí)僅是Vα的0.57和0.35倍。圖5(b)顯示HRPC和RPC的β相在不同功率因數(shù)下均存在最優(yōu)耦合電抗使β相變流器端口電壓最低,但當(dāng)λ=0.95和0.98時(shí),HRPC的最低變流器端口電壓僅分別為Vβ的0.26和0.36倍,其值大幅低于RPC的變流器端口電壓。

綜上所述,通過精心設(shè)計(jì)HRPCLC和L耦合支路的電抗,可使其變流器兩相端口電壓(或直流側(cè)電壓)大幅低于RPC,這樣變流器的開關(guān)損耗、輸出電流質(zhì)量、及容量(或成本)都會低于RPC,而系統(tǒng)的可靠性則相應(yīng)提高。耦合支路的具體設(shè)計(jì)方法及變流器容量分析將在下一節(jié)詳細(xì)論述。

3 HRPC參數(shù)設(shè)計(jì)及容量分析

3.1 參數(shù)設(shè)計(jì)

由于α,β相的設(shè)計(jì)類似,本文只對α相進(jìn)行討論。

當(dāng)λ∈[0.95,1]時(shí),二者均隨λ增大而增大。

由式(3)~(5)可知,XH與負(fù)載電流的幅值和功率因數(shù)有關(guān),由于機(jī)車負(fù)載IL具有波動性,需綜合考慮I,φα的選擇。具體可通過圖6加以說明。

綜上所述,只要變流器端口電壓能滿足負(fù)載電流在最低功率因數(shù)BD段的波動,則系統(tǒng)在其他功率因數(shù)和負(fù)載電流情況下均能滿足補(bǔ)償要求。故考慮負(fù)荷波動情況下,式(3)應(yīng)進(jìn)一步修正為:

式(12)中電感和電容可通過圖8靈活選擇(注:圖8是以k=0.4,λmin=0.95,ILmax=600A所繪制的)。從圖6可以看出,a相變流器端口電壓大于β相,由于a相和β相共用直流側(cè)電容,故直流側(cè)電壓VdcH應(yīng)由端口電壓較高的a相變流器來決定,參照式(11)有:

當(dāng)RPC的單邊補(bǔ)償容量達(dá)5~17MW時(shí),其耦合電感一般在15~25Ω間取值,若取17.27Ω,將其代入式(16)~(18)可得RPC的直流側(cè)電壓為1.75Vα。顯然HRPC直壓相比RPC降低了47。3%,變流器的容量大為降低。

3.2 容量分析

由式(3)~(18)并結(jié)合圖2和圖4可得HRPC和RPC變流器的設(shè)計(jì)容量SHRPC,SPRC分別為:

從圖9可以看出,HRPC的變流器設(shè)計(jì)容量大幅低于RPC。具體而言,當(dāng)λ=0.95時(shí),HRPC的容量為RPC容量的50.7%;當(dāng)λ=0.99時(shí),HRPC容量為RPC的51.2%,λ=1時(shí),HRPC的容量較RPC也降低了46.4%。故HRPC的節(jié)容效果明顯。

4 仿真分析

為了驗(yàn)證所提HRPC的正確性,參照圖1,搭建了HRPC和RPC的仿真模型。T1,T2的變比為110kV/27.5kV,機(jī)車負(fù)荷的視在功率為16.5MVA(最大值),k=0.4,λ=0.95(最小值),RPC耦合支路阻抗設(shè)定為17.27Ω。HRPC和RPC的其他參數(shù)如表1所示。

圖10是機(jī)車負(fù)載功率為16.5MVA(最大值)功率因數(shù)為0.95(最小值)時(shí),HRPC和RPC投入前后網(wǎng)側(cè)三相電流、主變二次側(cè)電流和直流側(cè)電壓波形圖。圖11為與之對應(yīng)的網(wǎng)側(cè)電流不平衡度和功率因數(shù)曲線。從圖10~11可以看出,投入HRPC和RPC后,電流不平衡度均由100%降到了1%以下,三相功率因數(shù)接近1,電能質(zhì)量均得到了明顯的提高,直流側(cè)電壓VdcH,Vdc均穩(wěn)定在給定值26kV和48kV附近。HRPC和RPC在相同負(fù)荷條件下具有滿意的補(bǔ)償效果。另外,從圖11可知,穩(wěn)定后HRPC直流側(cè)電壓僅為RPC的54%,這與理論分析值基本吻合,也驗(yàn)證了本文所提參數(shù)設(shè)計(jì)方法的正確性。另外,直流側(cè)電壓的降低減少了有源部分的容量,有利于降低系統(tǒng)成本。圖12是在上述條件下,HRPC和RPC變流系統(tǒng)的容量曲線,其中實(shí)線為理論計(jì)算值,虛線為仿真測量值。由圖12可知,穩(wěn)定后HRPC變流系統(tǒng)的仿真測量容量為27.401MVA,理論計(jì)算值為27.311MVA;RPC的仿真測量容量為54.145MVA,理論計(jì)算值為54.149MVA。由此可見HRPC有源部分的容量僅為RPC有源部分容量的50.6%,同時(shí),理論計(jì)算值和仿真實(shí)測值曲線基本吻合(誤差小于5%),這進(jìn)一步驗(yàn)證了本文容量分析的正確性。

為了驗(yàn)證負(fù)荷變化時(shí)HRPC的動態(tài)性能,選取輕載為6.6MVA(λ=0.95),重載為16.5MVA(λ=1)機(jī)車負(fù)荷進(jìn)行仿真。圖13顯示的是HRPC和RPC在0.4s負(fù)荷由輕載突變?yōu)橹剌d時(shí)網(wǎng)側(cè)三相電流與直流側(cè)電壓的波形。網(wǎng)側(cè)電流經(jīng)短暫暫態(tài)過程又回到了三相對稱,過渡過程較為平滑,直流側(cè)電壓經(jīng)短暫的降落后重新回到給定值,這說明HRPC和RPC具有較好的動態(tài)性能。但仔細(xì)觀察會發(fā)現(xiàn),暫態(tài)時(shí)HRPC直流壓的跌落百分比約為0.4%,而RPC卻有1%,這說明相同負(fù)荷條件下HRPC具有比傳統(tǒng)RPC更平滑的動態(tài)性能。

圖14為HRPC和RPC的直流側(cè)電壓減少18%,負(fù)荷在0.4s由9.9MVA(λ=0.95)變?yōu)?6.5MVA(λ=1)時(shí)的網(wǎng)側(cè)三相電流波形。從圖14中可以看出,HRPC在中、重載工況下,補(bǔ)償性能依然保持良好,而RPC電流已經(jīng)表現(xiàn)出了一定畸變。這說明當(dāng)直流壓進(jìn)一步降低時(shí),HRPC仍能獲得較好的補(bǔ)償能力,但此時(shí)的RPC卻已接近其補(bǔ)償能力的邊緣。這進(jìn)一步驗(yàn)證了HRPC在低直流電壓下的良好補(bǔ)償性能,同時(shí),也驗(yàn)證了參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。

5 結(jié)論

針對高速電氣化鐵路,本文提出了一種新型混合型功率調(diào)節(jié)系統(tǒng),該系統(tǒng)充分挖掘了V/v牽引主變和混合型補(bǔ)償支路的潛能,使得HRPC較傳統(tǒng)的RPC在治理負(fù)序時(shí),具有更低的端口電壓和補(bǔ)償容量。文章系統(tǒng)分析了HRPC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和補(bǔ)償原理,給出了耦合支路關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)方法,并與RPC在端口電壓和補(bǔ)償容量進(jìn)行了詳細(xì)的對比分析。分析表明,在高速電氣化鐵路中,HRPC有源部分的容量比RPC降低了46%~50%。

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