電力機車試驗線平衡供電系統(tǒng)

呂順凱

摘 要：電力機車為大功率單相負載，其試驗線25kV供電電源經(jīng)由10kV單相變升壓獲取，試驗時經(jīng)常造成10kV三相進線側(cè)嚴重不平衡，導(dǎo)致過流保護跳閘。文章提出了一種用于電力試驗線的平衡供電系統(tǒng)方案，介紹了系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)和工作原理，探討了系統(tǒng)控制及保護邏輯，并通過仿真，驗證了系統(tǒng)方案及控制策略的可行性和優(yōu)越性。該平衡供電系統(tǒng)構(gòu)成簡潔，控制策略新型，性能優(yōu)良，能夠?qū)崿F(xiàn)10kV進線側(cè)三相平衡，顯著減小線路電流幅值，充分保障試驗線路供電可靠性。

關(guān)鍵詞：電力機車；試驗線；不平衡；控制策略

中圖分類號：TM922.3 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）02-0001-04

Abstract： Electric locomotive is a high-power single-phase load， its test line 25kV power supply is obtained by 10kV single-phase transformer， the test causes in serious imbalance of the 10kV three-phase line side， resulting in over-current protection tripping. A scheme of balanced power supply system for power test line is presented in this paper. The topological structure and working principle of the system are introduced. The logic of system control and protection is discussed. The feasibility and superiority of the system scheme and control strategy are verified. The balanced power supply system has the advantages of simple structure， new control strategy and excellent performance. It can realize the three-phase balance at the inlet side of the 10kV， significantly reduce the line current amplitude， and fully guarantee the power supply reliability of the test line.

Keywords： electric locomotive； test line； unbalance； control strategy

引言

公共電網(wǎng)屬于三相供電系統(tǒng)，電力機車屬于大功率單相負荷，會導(dǎo)致公共電網(wǎng)三相不平衡[1]。電氣化鐵路采用220kV或者110kV供電，電壓等級高，供電容量大，同時采用分段相序輪換供電，可以有效抑制單相大功率電力機車造成的不良影響[2]。

主機廠用于電力機車靜調(diào)和動調(diào)考核試驗的試驗線路，通常采用采用普遍存在的交流三相10kV電源供電，通過單相升壓變壓器輸出25kV電壓給電力機車供電，由于10kV系統(tǒng)容量相對較小，供給SS型、HXD型電力機車、CRH型高速動車組等大功率單相不平衡負載時，造成的負序會影響同線供電敏感負荷的正常用電，而且容易出現(xiàn)不平衡負荷或者單相過載引起的上級變壓器跳閘故障，影響供電系統(tǒng)安全、可靠運行[3]。

為了保證電力機車出廠動調(diào)試驗正常運行，往往只是采取同線負載臨時限電，增大上級變壓器容量的措施。為解決試驗線路供電問題，株洲電力機車研究所有限公司曾為某主機廠的牽引變電所設(shè)計了一種用于提升單相牽引供電能力、改善三相負荷平衡的TSC+TSR型三相動態(tài)平衡補償裝置，該TSC+TSR型動態(tài)平衡補償系統(tǒng)投切級數(shù)可達28級，基本上能達到無級調(diào)節(jié)的效果，且投入涌流及關(guān)斷過電壓都較小，效果較好，但是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及控制策略復(fù)雜，投資高，占地面積大[4-5]。

基于現(xiàn)已成熟應(yīng)用的大功率變流器模塊及四象限變流技術(shù)[6]，本文提出了一種新型的電力機車試驗線平衡供電系統(tǒng)設(shè)計方案，介紹了系統(tǒng)構(gòu)成、工作原理、控制方法及保護邏輯，并通過仿真驗證了應(yīng)用效果。該系統(tǒng)及控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)進線側(cè)三相平衡供電，消除負序影響，保證試驗線路供電質(zhì)量，充分發(fā)揮供電系統(tǒng)的能力，同時具有占地面積小、損耗低等優(yōu)勢。

1 平衡供電系統(tǒng)構(gòu)成

圖1為平衡供電系統(tǒng)一次主電路圖，按照功能劃分，包含兩個子系統(tǒng)：機車牽引供電子系統(tǒng)和功率平衡子系統(tǒng)。機車牽引供電子系統(tǒng)將10kV單相線電壓轉(zhuǎn)換為機車額定牽引供電電壓25kV，滿足電力機車動調(diào)電能需求。功率平衡子系統(tǒng)檢測機車牽引子系統(tǒng)的電流，通過控制變流器機組的有功融通及無功輸出，實現(xiàn)10kV進線側(cè)三相電流平衡，顯著減小10kV進線電流幅值，消除電力機車單相牽引供電導(dǎo)致的負序，避免對同線供電負荷造成影響。

平衡供電系統(tǒng)主要設(shè)備包含斷路器、隔離開關(guān)、避雷器、電流互感器、電壓互感器、變壓器、大功率變流器模塊構(gòu)成的四象限變流器機組等，詳細設(shè)備清單見表1。

2 平衡供電系統(tǒng)工作原理

平衡供電系統(tǒng)原理說明見圖2。第一步，由控制裝置檢測機車供電子系統(tǒng)的電流I1（即圖1中TA1檢測的電流），計算出牽引供電子系統(tǒng)的有功功率P1和無功功率Q1。第二步，功率平衡子系統(tǒng)的變流器機組2向變流器機組1進行有功融通，轉(zhuǎn)移有功功率P2（功率方向與P1方向相反，大小為P1的1/2）；同時變流器1輸出容性無功功率Q2，同時變流器2輸出感性無功功率Q3，使得各相電流與相電壓達到同相位。至此，通過控制兩個變流器機組間的有功融通以及各自的無功輸出，已實現(xiàn)10kV進線側(cè)三相輸入電流相等，功率平衡。

3 平衡供電系統(tǒng)控制策略

設(shè)定三相進線電壓為額定電壓，變壓器損耗較小，忽略不計，首先以交流傳動機車負荷（功率因數(shù)為1）為例進行分析，機車有功功率等于P1，無功功率Q1等于0。為方便分析，以下的電壓電流全部為10kV側(cè)等效電流。

機車牽引供電子系統(tǒng)運行時，子系統(tǒng)的電壓電流矢量圖如圖3所示。

控制系統(tǒng)檢測到機車牽引子系統(tǒng)的電流，控制系統(tǒng)使得變流器機組2向變流器機組1進行有功融通，融通功率大小為機車供電系統(tǒng)有功功率的二分之一（10kV側(cè)等效為融通電流為二分之一I1），方向為由變流器機組2向變流器機組1；同時變流器1輸出容性無功功率Q2，同時變流器2輸出感性無功功率Q3。

即以各自線電壓為參考，變流器機組1及變流器機組2的視在功率S1和S2分別為：

平衡供電系統(tǒng)10kV進線側(cè)總電流：

I1、I2和I4分別為圖1中CT1、CT2和CT4的電流。

功率平衡前后，相電流幅值變化為：

則平衡供電系統(tǒng)能夠顯著減小10kV進線側(cè)的電流幅值，變?yōu)槌跏贾档?7.7%，減小幅值達42.3%。

如果負載為交直型電力機車，只需將變流器機組1的容性無功輸出值增加為機車無功負載Q1與Q2之和即可。

變流器機組1的視在功率為：

變流器機組2的視在功率為：

而且由于平衡供電子系統(tǒng)同時補償了牽引供電子系統(tǒng)的無功電流，則電流10kV進線側(cè)的電流幅值減小比例超過42.3%。

4 系統(tǒng)控制及保護邏輯

4.1 控制邏輯

控制裝置實時檢測牽引供電子系統(tǒng)的電流（來自TA1的測量繞組）以及10kV進線側(cè)三相母線電壓（來自PT），實時計算系統(tǒng)有功及無功，并將控制命令發(fā)送至執(zhí)行裝置，控制變流器機組1和變流器機組2的有功和無功輸出，同時實時采集變流器機組1的電流（來自CT1的測量繞組）和變流器機組2（來自CT2的測量繞組）的電流，反饋回控制系統(tǒng)進行實時修正，保證進線側(cè)三相功率平衡。

同時，控制裝置接收保護裝置以及兩個變流器機組發(fā)送的故障信號，當(dāng)檢測到故障時，停止發(fā)送變流器機組1和變流器機組2的控制命令。

4.2 保護邏輯

保護裝置實時檢測10kV母線的電壓（來自PT）和系統(tǒng)各支路10kV側(cè)的電流（來自TA1、TA2、TA3、TA4的保護繞組），以及變流器機組1的電流（來自CT1的保護繞組）和變流器機組2的電流（來自CT2的保護繞組），并與保護定值進行比較。

若采集的電流值超過設(shè)定值，動作于牽引供電子系統(tǒng)支路斷路器（QF1）和功率平衡子系統(tǒng)支路斷路器（QF2），同時將故障信號發(fā)送至控制系統(tǒng)，停止變流器機組1和變流器機組2的輸出。

同時，保護裝置還采集了隔離開關(guān)的位置信號，作為合閘允許條件，防止系統(tǒng)檢修時誤合斷路器。

5 仿真驗證

為了證明本文所提出的檢測方法和控制策略的有效性，以直流機車為例，進行了仿真驗證。機車負載用電阻和不可控整流負載并聯(lián)來等效，設(shè)定接在電力機車變壓器二次側(cè)的電阻負載為0.7Ω，不可控整流負載為1Ω電阻串聯(lián)一個200mH大電感的阻感負載，用來模擬諧波源，且保證其基波負載功率因數(shù)接近1。仿真結(jié)果如圖8、9所示。

圖8中IA、IB和IC分別為A、B、C三相電流，可見未應(yīng)用平衡供電系統(tǒng)之前，由于只有三相進線側(cè)只有A相和C相通過變壓器接入機車負載，B相電流為0，這時三相電流中負序電流最大，負序電流與正序電流之比為100%，并且A、C相電流含有一定量的諧波。應(yīng)用平衡供電系統(tǒng)之后，進線側(cè)三相電流達到平衡。圖9中iaL和ia分別為應(yīng)用平衡供電系統(tǒng)前后網(wǎng)側(cè)等效電流，可見采用平衡供電系統(tǒng)之后，網(wǎng)側(cè)等效電流諧波含量明顯減少，經(jīng)測算，電流畸變率從17.2%降低到5%。通過仿真，證明平衡供電裝置具有較好的負序補償、無功補償和一定的諧波抑制能力。

6 結(jié)束語

本文提出了一種電力機車試驗線平衡供電系統(tǒng)設(shè)計方案，滿足電力機車靜調(diào)及動調(diào)試驗需求，同時能夠?qū)崿F(xiàn)10kV進線側(cè)三相供電平衡，顯著減小線路電流幅值（減小值達42.3%以上），避免供電線路過負荷或負序保護跳閘，充分保障試驗線路供電可靠性。整體系統(tǒng)按照功能和主電路劃分為牽引供電子系統(tǒng)和功率平衡子系統(tǒng)，一次系統(tǒng)構(gòu)成簡潔，功能和結(jié)構(gòu)分區(qū)清晰，檢修維護方便，控制方法和保護策略簡單有效，同時具有占地面積小、損耗低等優(yōu)勢。

參考文獻：

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