魏光

(中鐵第一勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710043)

中國高鐵牽引變電所基本采用Vx接線形式。客運(yùn)量季節(jié)性高峰時常挑戰(zhàn)著現(xiàn)有牽引供電設(shè)施的能力。低時速高鐵的牽引變壓器安裝容量與鐵路運(yùn)輸組織的大功率動車組負(fù)荷容量匹配不足，致使?fàn)恳╇娤到y(tǒng)存在過負(fù)荷跳閘、阻抗Ι段保護(hù)跳閘等風(fēng)險。為此，研究以Vx接線牽引變壓器為核心的供電系統(tǒng)潮流控制及補(bǔ)償策略意義深遠(yuǎn)。同相牽引供電系統(tǒng)的提出[1-2]，標(biāo)志著中國電氣化鐵路牽引供電在補(bǔ)償領(lǐng)域達(dá)到了新的高度，從根本上解決了負(fù)序、諧波、無功等電能質(zhì)量問題；同時取消電分相，提高了列車的通過能力。但目前的文獻(xiàn)都是基于Vv，Scott，YNd11和平衡接線等方式[3-21]，對于目前中國大量使用的Vx接線尚未有針對性研究。本文在現(xiàn)有的同相供電技術(shù)基礎(chǔ)上，以Vx接線牽引供電系統(tǒng)為背景，研究其電氣量關(guān)系，提出電流分解策略，從而形成對潮流以及補(bǔ)償分量的控制策略。同相供電主要目標(biāo)為使供電臂同一相位運(yùn)行且補(bǔ)償電能質(zhì)量；本策略結(jié)合工程實(shí)際，旨在不改變供電相位現(xiàn)狀，均衡潮流，同時改善電能質(zhì)量。無論對于既有牽引供電設(shè)施改造，還是新建牽引變電所，都具有理論指導(dǎo)意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有的高鐵牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示，牽引變壓器由2臺單相變壓器組成Vx接線，原邊接引電網(wǎng)三相中的兩相，副邊分別接引供電臂的T線、F線，且中點(diǎn)抽頭通過集中接地箱連接鋼軌及主地網(wǎng)。有時，2臺單相變也可能共箱配置。

鐵路運(yùn)輸組織的波動性使得在某時刻負(fù)荷會集中在某一供電臂，形成重負(fù)荷臂變壓器過負(fù)荷嚴(yán)重，甚至超出其供電能力，而輕負(fù)荷臂變壓器壓力很低。V型接線的特殊性決定了牽引負(fù)荷在電網(wǎng)側(cè)引入了負(fù)序。同時動車組產(chǎn)生諧波、無功，亦會映射到電網(wǎng)側(cè)。

基于負(fù)荷分配均衡和電能質(zhì)量的考慮，在牽引變壓器副邊采用潮流控制器(PFC)，如圖1(b)所示，將2個供電臂連接。通過對PFC的潮流控制實(shí)現(xiàn)有功功率的均衡，并且實(shí)現(xiàn)負(fù)序、諧波、無功的補(bǔ)償。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure

PFC采用背靠背四象限全橋結(jié)構(gòu)變流器，ΙGBT開關(guān)管，直流環(huán)節(jié)采用電容器及濾波環(huán)節(jié)，兩端采用隔離變壓器，如圖2所示。Vx牽引變壓器結(jié)構(gòu)上相當(dāng)于三繞組變壓器[11]，在T，F(xiàn)繞組各設(shè)置1組變流器，分別負(fù)責(zé)T，F(xiàn)回路的潮流及電能質(zhì)量。正常工況，2組同時運(yùn)行。當(dāng)任何一組變流器退出，另一組變流器繼續(xù)工作，保證至少有一組變流器可以為T回路提供支持。因?yàn)門回路出現(xiàn)最大負(fù)荷，最需要進(jìn)行潮流控制，如表1所示。

表1 副邊繞組容量輸出Table 1 Secondary winding capacity output

圖2 潮流控制器結(jié)構(gòu)Fig.2 Power flow controller(PFC)structure

2 潮流控制及補(bǔ)償原理

設(shè) 兩 供 電 臂 的 負(fù) 荷 電 流 分 別 為I˙Lα，I˙Lβ，其 在電網(wǎng)側(cè)的序分解關(guān)系為[2]：

其中：牽引側(cè)端口與電網(wǎng)側(cè)端口線電壓之比為K=功率因數(shù)角為滯后的相位差)；接線角為滯后的相位差)。

在有功無功、負(fù)序、諧波等不同維度將負(fù)荷電流進(jìn)行分解得

其中：T32為牽引變壓器的變換矩陣。

將式(6)代入式(2)，并考慮PFC直流環(huán)節(jié)能量的傳遞，得

由式(7)可知，為使電網(wǎng)側(cè)三相對稱，牽引側(cè)端口僅需輸出大小相等，且數(shù)值為基波有功分量的電流即可。當(dāng)2個供電臂負(fù)荷不均衡時，輕臂向重臂傳遞兩臂負(fù)荷差值的

由圖1(b)參考方向得補(bǔ)償指令電流為：

3 控制策略

由鎖相環(huán)PLL可得同步電壓信號矩陣

通過如下旋轉(zhuǎn)矩陣可分別得到式(2)～(4)的相位關(guān)系。

通過鑒相原理[11]得直流分量Ip，Iq。結(jié)合以上各矩陣及直流分量，即得負(fù)荷電流在牽引側(cè)端口的電流分量：

分解后的負(fù)荷電流，通過設(shè)置補(bǔ)償度KN,Kh,KC∈[0,1]，可以對電能質(zhì)量進(jìn)行按需補(bǔ)償。

控制策略如圖3所示。

圖3 控制策略Fig.3 Control strategy

變流器采用單極性SPWM技術(shù)，提高跟蹤精度，可以保證波動性負(fù)荷的需求，原理如圖4所示。

圖4 三角波調(diào)制法原理Fig.4 Principle of triangular wave modulation

此方案適用于多種工況：當(dāng)運(yùn)輸組織處于繁忙期，可以將2組PFC均投入，即對T，F(xiàn)回路的有功功率均勻分配；當(dāng)PFC處于故障或檢修狀態(tài)，其中一組PFC退出，僅投入一組PFC到T回路，保證最大負(fù)荷時，有功功率平衡可以較大程度上緩解；當(dāng)運(yùn)營初期，線路因空載率高致使容性無功較大，利用PFC可有效進(jìn)行無功補(bǔ)償；當(dāng)牽引變電所位于車站、場段，PFC可明顯降低場段高次諧波效應(yīng)；當(dāng)位于電源稀薄地區(qū)，PFC可很大程度上降低牽引負(fù)荷對電網(wǎng)負(fù)序的影響。

4 仿真分析

針對PFC的各種功能，建立了基于MATLAB/Simulink的仿真模型，參數(shù)如表2所示。

表2 系統(tǒng)參數(shù)Table 2 System parameters

負(fù)荷采用SS機(jī)車特性：

1)分批投入PFC工況

假設(shè)僅在α相供電臂第一個AT段中間位置有1列機(jī)車。0.1～0.16 s，未投入PFC；0.16～0.22 s，僅T繞組投入一組PFC；0.22～0.28 s，T，F(xiàn)繞組均投入PFC。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 分批投入PFCFig.5 Batch input PFC

因?yàn)闄C(jī)車所處位置，可知T繞組輸出0.75倍負(fù)荷，F(xiàn)繞組輸出0.25倍負(fù)荷。由仿真結(jié)果知，當(dāng)0.16～0.22 s時，僅T繞組的PFC在工作，有功能量傳遞以及電能質(zhì)量滿意補(bǔ)償，可以緩解重臂容量的過負(fù)荷及電網(wǎng)側(cè)的電能質(zhì)量負(fù)擔(dān)。當(dāng)0.22～0.28 s時，T，F(xiàn)繞組均投入PFC，有功功率在兩臂之間得到了均衡，同時電能質(zhì)量也獲得了完全補(bǔ)償?？梢?，(1+1)的PFC配置方式，提高了供電能力調(diào)配的靈活性；加上負(fù)序、諧波、無功補(bǔ)償度的引入，實(shí)現(xiàn)了電能質(zhì)量的按需補(bǔ)償。通過幾種模式的轉(zhuǎn)換，亦可看出本策略針對負(fù)荷波動性的動態(tài)響應(yīng)迅速。

2)單獨(dú)補(bǔ)償電能質(zhì)量工況

為驗(yàn)證電能質(zhì)量補(bǔ)償?shù)奶匦裕O(shè)置0.1～0.14 s，完全補(bǔ)償。0.14～0.18 s，僅補(bǔ)償負(fù)序。0.18～0.22 s，僅補(bǔ)償諧波。0.22～0.26 s，僅補(bǔ)償無功，如圖6所示。

圖6 單獨(dú)補(bǔ)償電能質(zhì)量Fig.6 Ιndividual power quality compensation

從圖6仿真結(jié)果可知，不同時段電能質(zhì)量補(bǔ)償效果及結(jié)論如表3所示。

表3 電能質(zhì)量補(bǔ)償對比Table 3 Comparison of power quality compensation

特別指出，無功的補(bǔ)償分為2部分：一部分為負(fù)荷自身無功映射到電網(wǎng)側(cè)的，此部分也是無功補(bǔ)償度的控制范圍；另一部分為補(bǔ)償負(fù)序所需補(bǔ)償?shù)臒o功分量，此部分在負(fù)序補(bǔ)償度的控制范圍。

同時投入T，F(xiàn)回路PFC，實(shí)現(xiàn)潮流的均衡分配，也可為既有牽引變壓器(不等容)量身定制分配比例，做到潮流的按需分配。在故障或檢修時，退出一組PFC，將另一組僅投入到T回路，保證基本的供電能力。針對不同的電能質(zhì)量需求，靈活補(bǔ)償負(fù)序、諧波、無功，實(shí)現(xiàn)滿意補(bǔ)償。

5 結(jié)論

1)結(jié)合目前高鐵普遍采用的Vx接線牽引供電系統(tǒng)，提出了具體的潮流控制及電能質(zhì)量補(bǔ)償方案，對于既有變電所改造或新建變電所均具有指導(dǎo)意義。仿真分析驗(yàn)證了本策略模塊化PFC對于靈活潮流分配及電能質(zhì)量補(bǔ)償具有現(xiàn)實(shí)意義。

2)結(jié)合仿真中擬設(shè)的多種工況，PFC可實(shí)現(xiàn)多種運(yùn)行模式自由組合，以滿足不同運(yùn)營需求。為取消電分相，建立同相供電系統(tǒng)提供基礎(chǔ)。