張巖
摘 要:?jiǎn)蜗嘟M合式同相供電變流器作為同相供電系統(tǒng)的常用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),現(xiàn)已成為同相供電技術(shù)研究的焦點(diǎn)。鑒于此,根據(jù)單相組合式同相供電形式,通過補(bǔ)償?shù)幕竟?,?duì)滿意度補(bǔ)償方式下的同相供電裝置容量配置方案進(jìn)行理論分析,為滿足用戶補(bǔ)償需求提供設(shè)計(jì)依據(jù)。
關(guān)鍵詞:?jiǎn)蜗嘟M合式;同相供電;滿意度補(bǔ)償;容量配置
0 引言
隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步,我國(guó)電氣化鐵路得到了迅猛發(fā)展,在列車的制造、運(yùn)載能力甚至運(yùn)行速度上都達(dá)到了世界先進(jìn)水平。機(jī)車的運(yùn)行必須依賴于電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng),如何保障機(jī)車向高速、重載的方向發(fā)展邁進(jìn),成為影響電氣化鐵路未來發(fā)展的重要因素。采用同相供電技術(shù),能夠從根本上解決機(jī)車行駛過程中引起的負(fù)序?yàn)橹鞯碾娔苜|(zhì)量問題和電分相問題,因此,同相供電技術(shù)成為電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)發(fā)展的新方向[1]。
通常情況下,同相供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)根據(jù)所在電網(wǎng)的短路容量大小及實(shí)際負(fù)荷情況選擇不同的控制補(bǔ)償方案,比較典型的有全補(bǔ)償、滿意度補(bǔ)償和不補(bǔ)償三種[2-3]。本文主要針對(duì)滿意度補(bǔ)償方式的要求,通過理論分析推導(dǎo)出同相供電變流器的容量配置方法。
1 背靠背變流器結(jié)構(gòu)
如圖1所示,兩個(gè)單相H橋結(jié)構(gòu)的背靠背變流器,通過直流電容耦合,形成四象限電壓型交直交變流器。采用交直交變流器的優(yōu)點(diǎn)在于:能夠通過控制變流器兩端口輸出電流的大小與相位,實(shí)現(xiàn)牽引變壓器負(fù)載電流的轉(zhuǎn)移與補(bǔ)償,轉(zhuǎn)移負(fù)載有功功率有利于減輕牽引變壓器供電壓力,減小其設(shè)計(jì)容量,補(bǔ)償負(fù)載無(wú)功與諧波電流則是為了提高網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量。
2 滿意度補(bǔ)償方式下的容量配置
滿意度補(bǔ)償方式是指根據(jù)系統(tǒng)實(shí)際短路容量與負(fù)載情況,在滿足國(guó)家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的情況下,適當(dāng)降低負(fù)序電流、無(wú)功電流以及諧波電流的補(bǔ)償程度,以減小裝置的設(shè)計(jì)容量。從經(jīng)濟(jì)性與實(shí)用性角度出發(fā),以滿意度補(bǔ)償為目標(biāo)的補(bǔ)償方式更具有研究?jī)r(jià)值。
首先,引入負(fù)序補(bǔ)償度KN,負(fù)序補(bǔ)償程度直接反映在α端口的補(bǔ)償電流上。在計(jì)及負(fù)序補(bǔ)償度的情況下,有:
icα(t)=-iα(t)=-KNIL1psin ωt(1)
式中:icα(t)為同相供電變流器的整流側(cè)電流實(shí)時(shí)值;iα(t)為α端口電流實(shí)時(shí)值;IL1p為負(fù)荷基頻有功電流有效值。
因?yàn)橥嘌a(bǔ)償裝置只傳遞有功功率,即滿足:
UαIα=UβIcβp(2)
式中:Uα為α端口電壓有效值,其值為U;Iα為α端口電流有效值,其值為KNIL1p;Uβ為β端口電壓有效值,其值為mU;Icβp為β端口有功電流有效值,其計(jì)算值為Icβp=KNIL1p。
同時(shí),引入無(wú)功補(bǔ)償度KC和諧波補(bǔ)償度Kh后,得到β端口補(bǔ)償電流的完整表達(dá)式:
icβ(t)=KNIL1psin(ωt-90°)+KCiL1q(t)+KhiLh(t)(3)
通常情況下,當(dāng)牽引負(fù)荷以交直交型電力機(jī)車為主時(shí),負(fù)載電流諧波含量低。此處為便于計(jì)算分析,暫不考慮諧波電流及其補(bǔ)償度。則α、β端口補(bǔ)償電流分別可以表示為:
icα(t)=-KNIL1cos φ1sin ωt(4)
icβ(t)=KNIL1cos φ1sin(ωt-90°)-KCIL1sin φ1cos(ωt-90°)
=IL1sin(ωt-90°-θ)(5)
式中:IL1為總負(fù)載電流;φ1為負(fù)載電流的功率因數(shù)角;θ取值為tan-1。
由此可以得到α、β端口的補(bǔ)償容量分別為:
Sα=UαIcα=KNUIL1cos φ1,Sβ=UβIcβ=mUIL1(6)
其中,負(fù)載的視在功率為:
SL=ULIL1=mUIL1(7)
所以,推導(dǎo)出α、β端口的相對(duì)補(bǔ)償容量分別為:
ηα=KNcos φ1,ηβ=(8)
由式(8)可得同相補(bǔ)償裝置總相對(duì)補(bǔ)償容量為:
η∑=KNcos φ1+(9)
下面分析在滿意度補(bǔ)償方式下,同相補(bǔ)償裝置容量與KN、KC及cos φ1的關(guān)系:
(1)定KN、KC。
取KN=0.8,KC=0.9,得到同相補(bǔ)償裝置相對(duì)補(bǔ)償容量隨負(fù)載功率因數(shù)變化情況如圖2所示。
由圖2可知,同相補(bǔ)償裝置兩端口補(bǔ)償容量及其總補(bǔ)償容量隨負(fù)載功率因數(shù)的變化趨勢(shì)沒有變化,而補(bǔ)償容量均變小了。由此可見,隨著補(bǔ)償度要求的降低,能夠減小同相補(bǔ)償裝置的容量配置。
(2)定cos φ1。
分別取cos φ1=0.6、cos φ1=0.9,得到同相補(bǔ)償裝置總?cè)萘侩SKN與KC的變化關(guān)系圖,如圖3所示。
通過圖3中兩張圖對(duì)比可以發(fā)現(xiàn):功率因數(shù)較小時(shí),總補(bǔ)償容量隨負(fù)序補(bǔ)償度增長(zhǎng)而增長(zhǎng)的趨勢(shì)較慢,而隨著無(wú)功補(bǔ)償度增長(zhǎng)而增長(zhǎng)的趨勢(shì)較快;功率因數(shù)較大時(shí),總補(bǔ)償容量隨負(fù)序補(bǔ)償度增長(zhǎng)而增長(zhǎng)的趨勢(shì)變快,而隨著無(wú)功補(bǔ)償度增長(zhǎng)而增長(zhǎng)的趨勢(shì)變慢。
從同相補(bǔ)償裝置的成本上考慮,應(yīng)該盡可能地降低負(fù)序補(bǔ)償度和無(wú)功補(bǔ)償度,以減小補(bǔ)償裝置的容量。而為滿足國(guó)家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的要求,必須使負(fù)序補(bǔ)償度和無(wú)功補(bǔ)償度維持在某一水平以上,否則將失去同相補(bǔ)償?shù)囊饬x。因此,還需要從電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)角度出發(fā),分析負(fù)序補(bǔ)償度和無(wú)功補(bǔ)償度應(yīng)該滿足的限值。
電力系統(tǒng)通常采用三相不平衡程度來衡量電能質(zhì)量,分為三相電壓不平衡度εU和三相電流不平衡度εI,其計(jì)算方法如下:
εU=(10)
εI=(11)
式中:U1為電壓正序分量有效值;U2為電壓負(fù)序分量有效值;I1為電流正序分量有效值;I2為電流負(fù)序分量有效值。
下面以A相電流為例,分析三相電流不平衡度。A相正序電流可解析為: