周方圓，呂順凱，胡 前

?

基于Scott變壓器供電的新型電能質(zhì)量治理系統(tǒng)研究

周方圓，呂順凱，胡 前

針對Scott變壓器供電系統(tǒng)牽引功率大、功率因數(shù)低、諧波和負序電流含量高等問題，提出了一種新型電能質(zhì)量綜合治理系統(tǒng)，分析了該系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)和工作原理，提出了適合該系統(tǒng)的負序和諧波檢測方法及補償策略，并仿真驗證了該系統(tǒng)的有效性和優(yōu)越性。

牽引供電系統(tǒng)；諧波；負序電流；無功功率；補償策略

0 引言

近年來我國電氣化鐵路發(fā)展迅速，對國民經(jīng)濟的發(fā)展起到了舉足輕重的作用。然而由于電力機車為大功率單相負荷，具有非線性、不對稱性和波動性等特點，運行過程中產(chǎn)生的大量負序、無功和諧波電流注入電網(wǎng)，使電網(wǎng)出現(xiàn)電壓波動畸變、三相不平衡、功率因數(shù)低等問題[1]，對電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行造成嚴重影響。

為減小電氣化鐵路對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，目前國內(nèi)外采用了多種方式解決該問題，如國內(nèi)電氣化鐵路應(yīng)用最為廣泛的靜止無功補償裝置（Static Var Compensator，SVC），它不僅可以補償無功功率還可以補償負序電流，但由于不能實現(xiàn)兩供電臂之間的有功轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致負序補償效果不理想；有源電力濾波器（APF）只能對電氣化鐵路的諧波進行抑制，不能有效補償負序電流；鐵路功率調(diào)節(jié)器（Railway Static Power Conditioner，RPC）能夠?qū)﹄姎饣F路的負序、諧波和無功進行綜合補償，受到廣泛關(guān)注，但由于成本高，推廣應(yīng)用受到限制[2]。

本文針對基于Scott變壓器的牽引供電系統(tǒng)，提出一種新型電能質(zhì)量治理系統(tǒng)和相應(yīng)補償策略。該系統(tǒng)可以達到理想的負序、無功和諧波綜合治理效果，有效減小RPC的容量，具有良好的經(jīng)濟性。

1 新型治理系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)

基于Scott變壓器牽引供電的新型電能質(zhì)量治理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由鐵路功率調(diào)節(jié)器（RPC）和晶閘管控制3次濾波器（Thyristor Controlled 3thFilter，TCF）構(gòu)成。

圖1 新型治理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

RPC由多個共用直流側(cè)電容形成背靠背結(jié)構(gòu)形式的兩變流器并聯(lián)構(gòu)成，兩變流器的交流輸出端均通過連接電抗器和單相多繞組變壓器連接至兩供電座[3]。2個單相多繞組變壓器副邊的一個繞組分別安裝了多組TCF支路，TCF與RPC并聯(lián)連接。針對機車負載的諧波特性，TCF支路設(shè)置為3次濾波器，目的在于提供容性無功的同時濾除機車產(chǎn)生的3次諧波電流，并由晶閘管電子開關(guān)控制其投切，具有無沖擊且本身不產(chǎn)生諧波等優(yōu)點。RPC只需負責(zé)調(diào)節(jié)Scott牽引變壓器M座和T座之間的有功功率，從而有效降低了有源裝置RPC的容量。

2 工作原理

2.1 負序和無功的產(chǎn)生

如圖1所示，設(shè)系統(tǒng)標稱電壓為110 kV，Scott牽引變壓器次邊M座和T座的額定電壓為55 kV，以原邊A相電壓為參考，則原、次邊的電壓相量如圖2所示。

圖2 原、次邊電壓相量

M座電壓為

T座電壓為

令=j120°，M和T分別為M座和T座的功率因數(shù)角，則Scott變壓器產(chǎn)生的負序電流為

由式（6）可知，當T座和M座的電流有效值和功率因數(shù)角相等時，可消除負序電流。但是由于調(diào)度和地勢等各種因素制約，該情況幾乎不可能出現(xiàn)，因此負序電流總會存在[4]。

另外，Scott變壓器主要應(yīng)用于大容量供電的重載鐵路（如神朔鐵路和大秦鐵路等），目前仍以直流機車為主，因此無功功率較大。

2.2 工作原理

圖3 負序補償原理

圖3為負序補償原理圖，要實現(xiàn)上述補償，補償裝置需完成以下步驟：

（1）平衡2座有功功率。假設(shè)T座為重載座，M座為輕載座，則新型治理系統(tǒng)中的RPC將M座和T座負載的有功電流差值的一半從重載T座轉(zhuǎn)移到輕載M座，其值為

（2）無功功率補償。新型治理系統(tǒng)中的TCF根據(jù)各自供電臂機車感性無功功率電流的大小，通過投入幾組濾波支路提供相應(yīng)的容性無功電流，從而補償機車產(chǎn)生的感性無功電流。

M座需要補償?shù)臒o功電流為fMsinM，T座需要補償?shù)臒o功電流為fTsinT。

可見，該新型治理系統(tǒng)RPC裝置只需負責(zé)轉(zhuǎn)移有功功率，無功功率補償和諧波濾除則由TCF完成，因此大大降低了RPC的容量，同時也達到了負序、無功和諧波綜合治理的效果。

3 補償策略

基于上述補償原理，進行新型補償系統(tǒng)的補償策略設(shè)計，主要對補償容量和補償策略進行分析。

3.1 補償容量確定

3.1.1 RPC補償容量

考慮到國標對電力系統(tǒng)各用戶引起正常電壓不平衡度有一最大允許值，在最嚴重情況時設(shè)RPC的最大轉(zhuǎn)移電流為pmax，此時T座無功電流按全部被TCF補償考慮，以A相電壓為參考，則原邊三相電流分別為

定義I為三相不平衡度，其值為三相負序電流與正序電流之比[5]。

按照I=的情況考慮得出pmax，從而確定RPC的容量。RPC由組變流器構(gòu)成，每組變流器的最大輸出電流為pmax/。

3.1.2 TCF容量確定

設(shè)置TCF部分的最大無功補償電流sM與機車負載的最大無功電流相等，即sM=qmax。TCF的支路數(shù)量由最大無功電流和單條支路最大允許電流確定，通常設(shè)置3～4條支路[6]。

3.2 補償策略

采用瞬時鑒相檢測法[7]，分別求出M座和T座負載電流的有功分量、無功分量的幅值，然后對RPC和TCF分別采取不同的補償策略。

3.2.1 RPC的補償策略

RPC由多組背靠背的變流器組成，每組變流器由2個獨立的單相變流器構(gòu)成，每個變流器均采用獨立控制，單個變流器的控制框圖如圖4所示[8]。

圖4 變流器控制框圖

3.2.2 TCF的補償策略

TCF根據(jù)各座的無功電流大小進行投切，由于TCF為有級補償，因此在不同情況下將投入不同的支路數(shù)。本文按4條支路考慮，各支路容量按1∶2∶4∶4分配，則負載無功電流在不同情況下的投切支路如表1所示。

表1 不同負載無功電流時投切的支路

注：①表示該TCF支路為投入狀態(tài)。

4 仿真驗證

為了驗證本文所提出的新型治理系統(tǒng)在容量設(shè)計方法、有功和無功電流檢測及補償策略方面的有效性，利用Matlab進行仿真。

建立與圖1相對應(yīng)的新型治理系統(tǒng)的仿真模型，RPC結(jié)構(gòu)為4組背靠背變流器并聯(lián)，每組背靠背變流器參數(shù)均相等。單相降壓變壓器副邊為5個繞組，分別接TCF和4組背靠背結(jié)構(gòu)交流輸出端，系統(tǒng)仿真參數(shù)如表2所示。

M座和T座功率不相等時仿真效果接近，本文按一種情況考慮。設(shè)M座的視在功率為 38.4 MV·A，功率因數(shù)角M為35°，T座的視在功率為12.8 MV·A，功率因數(shù)角T為32°。采用新型治理系統(tǒng)進行治理，治理前后系統(tǒng)的三相電流如圖5所示，仿真圖中縱坐標電流單位為A。

表2 系統(tǒng)仿真參數(shù)

圖5 治理前后系統(tǒng)三相電流

對諧波治理效果進行仿真分析，治理前后系統(tǒng)諧波頻譜如圖6所示。

圖6 治理前后系統(tǒng)諧波電流頻譜

仿真結(jié)果表明，治理前三相電流幅值互不相等，測得電流不平衡度為12.8%，并且含有大量諧波。從圖5（b）可以看到，經(jīng)TCF+RPC治理后，三相電流趨于平衡，電流不平衡度降為0.28 %，負序治理效果顯著。從圖6可以看到，治理后系統(tǒng)低次諧波含量明顯減小，測得M座供電臂電流畸變率從13.15%降至3.6%。另仿真測得系統(tǒng)功率因數(shù)角≈16°，功率因數(shù)達0.96，表明該新型電能質(zhì)量治理系統(tǒng)具有很好的負序、無功補償和諧波抑制能力。

5 結(jié)語

本文針對Scott變壓器牽引供電系統(tǒng)，提出了一種基于有源裝置RPC和無源裝置TCF相結(jié)合的新型電能質(zhì)量治理系統(tǒng)，并采取適合該系統(tǒng)的補償策略。通過仿真驗證，該新型電能質(zhì)量治理系統(tǒng)能夠達到良好的治理效果，通過無源裝置TCF有效降低有源裝置RPC的容量，降低了系統(tǒng)的成本，特別適用于大容量Scott變壓器供電系統(tǒng)負序、諧波和無功的綜合治理。

[1] 李群湛. 牽引變電所供電分析及綜合補償技術(shù)[M]. 北京：中國鐵道出版社，2006.

[2] 馬伏軍，羅安，吳傳平，等. V/V牽引供電系統(tǒng)中鐵路功率調(diào)節(jié)器的控制方法研究[J]. 中國電機工程學(xué)報，2011，31（13）：63-70.

[3] V.B.Bhavaraju, P.N.Enjeti, Analysis and Design of an Active Power Filter for Balancing Unbalanced Loads[J]. IEEE Transaction on Power Electronics, vol 8, No.4, Oct, 1993, 640-647.

[4] 王衛(wèi)安，桂衛(wèi)華，張定華，等. 基于大容量SVC的SCOTT變壓器電能質(zhì)量治理方案及應(yīng)用[J]. 鐵道學(xué)報，2011，33（1）：31-38.

[5] T.A.Kneschke, Control of Utility System Unbalance Caused by Single-phase Electric Traction[J]. IEEE Transactions on Industry Application, Vol IA-21, No 6, November, 1985, pp:1559-1569.

[6] 萬慶祝. 牽引供電系統(tǒng)負序問題研究[D]. 清華大學(xué)，2008.

[7] 徐敏，吳越濤，趙劍鋒. 基于鑒相原理的新型單相電路諧波檢測方法[J].電工電氣，2009（1）：50-52.

[8] 周春曉，高云峰，沈斐，等. 兩相型SVG在電鐵電能質(zhì)量治理中的應(yīng)用研究[J]. 電氣化鐵道，2008（1）：6-9.

[9] 趙成勇，李庚銀，李海生，等. 電力牽引系統(tǒng)的預(yù)測型諧波電流檢測方法研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報，2001，16（1）：85-88.

[10] 張志文. 星形-雙梯形接線三相變四相或三相變兩相平衡變壓器原理研究[J]. 中國電機工程學(xué)報，2007，27（3）：78-82.

With regards to the issues of high traction power, low power factors, high content of harmonics and negative sequence current resulted from the Scott transformer based power supply system, the paper puts forward a new type comprehensive power energy control system, analyzes the topological structure and working principles of the system, proposes the inspection methods for negative sequence current and harmonics as well as the compensation strategies of the system. The simulation verifies the effectiveness and advantages of the system.

Tractivepowersupplysystem; harmonic; negative sequence current; reactive power; compensation strategy

U226.8+1

A

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.01.003

1007-936X(2018)01-0009-05

2017-07-02

周方圓.株洲中車時代電氣股份有限公司，高級工程師；

呂順凱，胡 前.株洲中車時代電氣股份有限公司，工程師。

國家重點研發(fā)計劃項目：高性能牽引供電系統(tǒng)技術(shù)（2017YFB1200800）。