夏焰坤

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

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電氣化鐵路單三相組合式變壓器電氣特性分析

夏焰坤

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

研究了一種應(yīng)用于電氣化鐵路的單相和三相組合式變壓器供電系統(tǒng).分析了單三相組合式供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，以及容量利用率和負(fù)序特性.使用Matlab/Simulink首先對(duì)單三相組合式供電系統(tǒng)的變壓器進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明，單三相組合式供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理符合理論分析.其次，對(duì)組合式變壓器構(gòu)成的同相供電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明補(bǔ)償方案是有效的.

組合變壓器；電氣化鐵路；容量利用率；負(fù)序；補(bǔ)償

0　引言

由于電力機(jī)車(chē)是單相負(fù)載，而電力系統(tǒng)是三相系統(tǒng)，機(jī)車(chē)需要從相應(yīng)變壓器取電，并最大可能地減小負(fù)序[1-2].目前牽引變電所的變壓器有多種類(lèi)型，主要分為三相-兩相非平衡變壓器、三相-兩相平衡變壓器[3-5]、單相變壓器等.經(jīng)驗(yàn)表明，平衡變壓器具有較好的負(fù)序抑制效果，因此在國(guó)內(nèi)外電鐵中得到廣泛應(yīng)用.但平衡變壓器存在接線復(fù)雜、制造成本高、難以制造較大容量等不足.

采用不同類(lèi)型變壓器組合也能起到減小負(fù)序的作用，特別適合電氣化鐵路異相和同相供電[6]場(chǎng)合.文獻(xiàn)[7-10]研究了同相供電模式，大多直接在平衡變壓器或者單相變壓器上進(jìn)行改造，采用組合變壓器的研究較少.筆者探討了組合變壓器在異相和同相供電系統(tǒng)上的應(yīng)用方案.

筆者對(duì)三相和單相變壓器組合一起的等效平衡變壓器方案電氣特性進(jìn)行了研究.首先分析了組合式變壓器結(jié)構(gòu)、原理；其次分析了組合式變壓器繞組容量利用率和負(fù)序特性以及同相供電方案應(yīng)用實(shí)例；最后在Matlab仿真平臺(tái)上進(jìn)行建模仿真，仿真結(jié)果表明，組合式變壓器具有較好的平衡特性.

1　單三相組合式變壓器供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由單相TT和三相變壓器HMT組合構(gòu)成的供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，單相變壓器輸出電壓取自三相系統(tǒng)線電壓B、C相，三相變壓器輸出電壓取自三相系統(tǒng)A相.該系統(tǒng)電壓相量圖如圖2所示，從圖2中可以看出兩個(gè)變壓器次邊組合構(gòu)成兩相正交電壓，與平衡接線變壓器原理相同.

圖1　單相和三相變壓器構(gòu)成的電鐵牽引供電系統(tǒng)Fig.1　Electrified railway power supply system based on the single-phase and three-phase transformer

圖2　單相和三相變壓器電壓相量圖Fig.2　Voltage phasor diagram of the single-phase and three-phase transformer

2　組合變壓器容量利用率及負(fù)序特性分析

2.1容量利用率分析

單三相組合式同相供電平衡變壓器由單相變壓器和三相變壓器構(gòu)成，單三相組合式變壓器的接線方式如圖3所示.

圖3　組合式變壓器接線圖Fig.3　Wiring map of the single-phase and three-phase transformer

圖3中設(shè)單相變壓器的輸出容量Sα=UαIα，三相變壓器的輸出容量Sβ=UβIβ，且有Sβ=kSα(0

由單相變壓器的性質(zhì)知單相變壓器次邊繞組上的容量為

S1=UαIα=S.

(1)

(2)

ω3、ω4繞組上的容量為

(3)

由此可得單三相組合式變壓器次邊繞組容量為

(4)

所以，可得單三相組合式同相供電平衡變壓器的繞組容量利用率為

(5)

由上式可得單三相組合式同相供電平衡變壓器的繞組容量利用率與兩端口負(fù)荷量比k的關(guān)系如圖4所示.

圖4　繞組容量利用率與兩端口負(fù)荷量比k的關(guān)系圖Fig.4　Elation between capacity utilization ratio and load ratio

由圖4可以看出，當(dāng)兩端口負(fù)荷容量相等時(shí)，單三相組合式變壓器的繞組容量利用率最小為85.7%，最大值為1,對(duì)應(yīng)單相變壓器容量利用率.由文獻(xiàn)[11]可知，YNvd平衡變壓器的繞組容量利用率為80.38%，由此對(duì)比可得單三相組合式同相供電平衡變壓器在原理上與YNvd平衡變壓器一致，但是在繞組容量利用率上要優(yōu)于YNvd平衡變壓器，且制造簡(jiǎn)單.

2.2負(fù)序特性分析

這里令單相牽引變壓器原、次邊變比為

(6)

高壓匹配平衡變壓器原、次邊變比為

(7)

假設(shè)

(8)

按磁勢(shì)平衡原理可得，單相變壓器原、次邊電流變換關(guān)系為

(9)

同理按磁勢(shì)平衡原理可得，三相變壓器原、次邊電流變換關(guān)系為

(10)

根據(jù)對(duì)稱(chēng)分量法可得，單相變壓器單獨(dú)給機(jī)車(chē)負(fù)載供電和三相變壓器單獨(dú)給機(jī)車(chē)負(fù)載供電時(shí)，三相輸電線路正序電流和負(fù)序電流的表達(dá)式分別為

(1)單相

(11)

(2)三相

(12)

若要原邊三相對(duì)稱(chēng),則只需將式(11)和(12)中負(fù)序分量相加賦值為0，即

(13)

3　組合變壓器在同相供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

組合式變壓器特別適合普速和高速電氣化鐵路同相供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)或改造，如圖5所示.單相變壓器TT可以作為主變壓器，安裝容量較大；三相變壓器HMT經(jīng)過(guò)電力電子變流裝置補(bǔ)償三相系統(tǒng)的負(fù)序分量，HMT安裝容量相對(duì)較小.ADA為大功率同相供電變流裝置.

該方案的主要特點(diǎn)有：

(1)方便當(dāng)前高速鐵路牽引變電所同相供電改造.我國(guó)新建高速鐵路主要采用單相變壓器構(gòu)

圖5　單相和三相變壓器構(gòu)成的同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.5　Co-phase power supply system based on the single-phase and three-phase transformer

成Vv或Vx接線牽引變壓器，并且容量較大.在不改變主變基礎(chǔ)上，通過(guò)增加較小容量三相變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)同相供電,將有助于實(shí)現(xiàn)資源高效利用，減小新設(shè)備投資；

(2)可以最大程度減少價(jià)格昂貴的同相補(bǔ)償裝置中電力電子變流器的容量及其所占比重，有效減少同相供變電裝置的一次性投資，其可以提高牽引變電所的供電資源與設(shè)備利用率；

(3)變壓器HMT次邊為三相結(jié)構(gòu)，方便變電所內(nèi)用電；

(4)變壓器HMT次邊電壓可以靈活設(shè)計(jì)成較低電壓，盡量與電力電子器件耐壓水平相匹配，從而省去一個(gè)單相降壓隔離變壓器.

4　建模仿真分析

為驗(yàn)證筆者所提組合式變壓器電壓和負(fù)序關(guān)系，在Matlab/Simulink平臺(tái)上進(jìn)行了仿真驗(yàn)證.仿真模型見(jiàn)圖6所示，三相系統(tǒng)電壓為110 kV，單相變壓器次邊電壓為27.5 kV.

圖6　組合變壓器仿真模型Fig.6　Combined transformer simulation model

4.1變壓器特性仿真

圖7和圖8給出了在兩單相電壓端口分別接5 MW有功負(fù)載時(shí)，組合變壓器次邊電壓和電流波形以及原邊電壓和電流波形.

圖7　次邊電壓和電流波形Fig.7　Secondary side voltage and current waveform

圖8　原邊電壓和電流波形Fig.8　Primary side voltage and current waveform

4.2變壓器組合式同相供電仿真

從圖9可以看出,在未使用補(bǔ)償?shù)那闆r下，只有B、C兩相給負(fù)載供電，另一相空載，此時(shí)造成三相電力系統(tǒng)負(fù)載嚴(yán)重不對(duì)稱(chēng)；同相供電裝置投入后，負(fù)序電流得以完全補(bǔ)償 ，此時(shí)三相電流波形對(duì)稱(chēng)且與電壓同相位.

圖9　同相供電裝置投入前后效果對(duì)比Fig.9　The effect with and without co-phase power supply system

5　結(jié)論

(1) 組合變壓器等效于平衡變壓器功能，且具有較高的容量利用率；

(2) 組合變壓器適合變電所同相供電改造或設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)同相供電系統(tǒng)補(bǔ)償三相電力系統(tǒng)將有較高的電能質(zhì)量水平.

[1]李群湛,賀建閩.牽引供電系統(tǒng)分析[M].成都:西南交通大學(xué)出版社, 2012.

[2]王曉茹,高仕斌.電力系統(tǒng)分析[M].北京:高等教育出版社, 2011.

[3]夏焰坤,解紹鋒,宿婉，等.同相供電系統(tǒng)無(wú)源補(bǔ)償方案及參數(shù)匹配[J].鄭州大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2013, 34(4):64-68.

[4]吳命利,李群湛.同相供電對(duì)稱(chēng)補(bǔ)償?shù)慕泳€形式與補(bǔ)償裝置容量選擇[J].機(jī)車(chē)電傳動(dòng), 2000, 40(5):15-18.

[5]黃軍,魏光,周晉,等. YN,vd平衡變壓器負(fù)序仿真分析[J].四川電力技術(shù),2009, 22(2):81-84.

[6]李群湛. 我國(guó)高速鐵路牽引供電發(fā)展的若干關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題[J].鐵道學(xué)報(bào), 2010, 32(4): 119-124.

[7]SHU Z L, XIE S F, LI Q Z.Single-phase back-to-back converter for active power balancing, reactive power compensation, and harmonic filtering in traction power system[J]. IEEE Trans. on power electron, 2011, 26(2): 334-343.

[8]SHU Z L, XIE S F, LU K, et al.Digital detection, control, and distribution system for co-phase traction power supply application [J]. IEEE Trans. on Ind. electron, 2013, 60 (5): 1831-1839.

[9]DAI N Y, LAO K W, WONG M C, et al. Hybrid power quality conditioner for co-phase power supply system in electrified railway[J]. IET power electron, 2012, 5 (7): 1084-1094.

[10]LAO K W, DAI N Y, LIU W G, et al. Hybrid power quality compensator with minimum DC operation voltage design for high speed traction power systems [J]. IEEE Trans. on power electron, 2013, 28, (4): 2024-2036.

[11] 陳民武,李群湛,張麗艷.新型 YNvd 接線變壓器阻抗匹配與等值模型研究[J].變壓器, 2010, 47(6):23-26.

Electrical Characteristics of Single-phase and Three-phase Combined Transformer Used in Electrified Railway

XIA Yankun

(School of Electrical and Information Engineering, Xihua University, Chengdu 610039, China)

In this paper, one single and three phase combined transformer power supply system applied to electrified railway was studied. The structure and principle of single and three phase combined power supply system and the negative sequence were analyzed. Matlab/Simulink is used to simulate the traction transformer and the compensation scheme. The simulation shows the correctness of the analysis of single and three phase combined power supply system. It also shows the compensation scheme for single and three phase combined co-phase supply system is effective.

combined transformer; electrified railway; capacity utilization ratio; negative sequence; compensation.

2015-09-26；

2015-11-19

四川省教育廳資助項(xiàng)目(16ZB0159);西華大學(xué)重點(diǎn)科研基金資助項(xiàng)目(Z1520909);四川省電力電子節(jié)能技術(shù)與裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放課題(szjj2015-068)

夏焰坤(1984—)，男，湖北黃岡人，西華大學(xué)講師，博士，主要從事電力系統(tǒng)分析和電能質(zhì)量分析與控制等方面的研究,E-mail:yankunjtdx@126.com.

1671-6833(2016)04-0011-04

TM722

A

10.13705/j.issn.1671-6833.2016.04.003