適用于高原鐵路的貫通供電方案及組合式變換器控制策略

夏焰坤，干 鋒

(1.西華大學(xué) 電氣與電子信息學(xué)院，四川 成都 610039；2.西南交通大學(xué) 牽引動力國家重點實驗室，四川 成都 610031)

我國高速電氣化鐵路采用單相工頻交流供電制式，相對于三相電力系統(tǒng)是一種不對稱供電模式，將會產(chǎn)生以負序為主的電能質(zhì)量問題和難以避免的過電分相問題[1-2](電分相是不同相電壓之間的絕緣無電區(qū)，列車經(jīng)過時要經(jīng)過斷電、通過、合閘等一系列操作)。

隨著高速動車組速度和功率的提升，負序問題將會變得更加突出。特別是電力系統(tǒng)相對薄弱的高原地區(qū)[3-4]，如正在修建的川藏鐵路，三相電力系統(tǒng)容量較低，供電能力較弱，難以滿足供電負序國家指標要求。此外，高原鐵路存在長大坡道線路，列車需要頻繁加速和制動，電分相環(huán)節(jié)對列車的可靠運行也帶來嚴重挑戰(zhàn)。

改善負序的傳統(tǒng)方法有輪流換相式供電、平衡牽引變壓器供電等，雖然能夠在一定程度上改善負序問題，但效果不理想，并且存在電分相環(huán)節(jié)。近年來，興起的同相供電技術(shù)[5-9]，將大功率的電力電子變流器引入牽引變電所來補償負序，并能取消所內(nèi)的電分相。國內(nèi)開展了同相供電技術(shù)的相關(guān)工程實踐，取得了較好的經(jīng)濟和社會效益，但主要側(cè)重于單個牽引變電所的負序改善，線路分區(qū)所處依然保留有電分相環(huán)節(jié)，未能實現(xiàn)線路的全線貫通。貫通同相供電技術(shù)[10-13]是一種新型的供電方式，將所有牽引變電所負荷取自三相系統(tǒng)相同的線電壓，線路上不再設(shè)置電分相環(huán)節(jié)，實現(xiàn)列車全線無斷電運行，安全性得到大幅提高。但該方式的技術(shù)難點在于，負序功率的集中補償方式和補償容量問題[14]。傳統(tǒng)的貫通同相供電技術(shù)方案采用在中心牽引變電所安裝大容量無功補償裝置(Static Var Generator，SVG)來實現(xiàn)對稱補償消除負序，但該方法SVG容量較大。

本文結(jié)合組合式同相供電技術(shù)和貫通同相供電技術(shù)的優(yōu)勢，提出一種適用于高原鐵路的集中式貫通供電系統(tǒng)方案。在中心變電所安裝大功率的組合式變換器(Power Flow Controller，PFC)，實現(xiàn)三相系統(tǒng)的有功平衡，從而消除負序，最大限度地降低PFC的容量。通過增加高壓側(cè)單相變壓器，實現(xiàn)PFC與牽引變壓器的電氣解耦，使得PFC容量不受牽引變壓器限制，系統(tǒng)可靠性更高。本文首先對現(xiàn)有同相供電技術(shù)模式和貫通供電方案進行對比分析，提出集中式貫通供電方案，設(shè)計了直接功率控制器。最后對貫通系統(tǒng)進行仿真分析，仿真結(jié)果表明本文所提方案能較好的治理負序，滿足貫通供電要求。

1 現(xiàn)有的同相供電方案及問題

以直供為例，圖1給出三相-單相變壓器和單相背靠背結(jié)構(gòu)潮流變換控制器構(gòu)成的同相供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)三相-單相組合式變壓器構(gòu)成平衡變壓器，其中單相變壓器TT為牽引變壓器。PFC從系統(tǒng)A相取電傳遞給牽引母線BC相，分擔牽引變壓器一半的有功功率，從而實現(xiàn)功率平衡，消除負序。

圖1 現(xiàn)行同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該方案在山西中南部鐵路通道、溫州市域鐵路等開展了相關(guān)工程試驗和應(yīng)用，負序治理效果較好。但該技術(shù)方案只取消了所內(nèi)電分相，分區(qū)所處仍需要保留電分相環(huán)節(jié)，并且受牽引變壓器容量限制，每個牽引變電所均需安裝PFC，才能從根源上消除全線負荷引起的負序。顯然該方案是一種分布式補償模式，難以滿足全線貫通供電要求。

針對同相供電技術(shù)的不足，文獻[3]提出了一種集中補償模式貫通供電方案。該方案中各牽引變電所采用單相變壓器，并且電壓取自三相系統(tǒng)相同的線電壓。在中心牽引變電所安裝大功率靜止無功補償裝置SVG，SVG可采用三組單相結(jié)構(gòu)或一組三相結(jié)構(gòu)。通過無功對稱補償技術(shù)來消除單相牽引負荷引起的負序。該方案牽引變電所和線路上不設(shè)電分相裝置，可以實現(xiàn)全線的貫通供電，特別適合高原鐵路長大坡道、供電系統(tǒng)薄弱的場合。但該方案的不足在于無功對稱補償技術(shù)下SVG容量并非最優(yōu)[15]。三相無功補償模式貫通供電系統(tǒng)見圖2。

圖2 三相無功補償模式貫通供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 基于組合式變換器的貫通供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

借鑒同相供電技術(shù)和貫通供電方案，本文提出了一種基于組合變換器的集中式貫通供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案，其結(jié)構(gòu)見圖3。圖3類似圖2采用集中補償模式，但不同之處在于，在中心牽引變電所采用三相-單相組合變壓器和變換器的補償方案，通過增加單相變壓器T2使得PFC與牽引變壓器TT相互電氣解耦，此時PFC不再受牽引變壓器TT容量限制。PFC補償?shù)墓β适侨€負荷功率引起的負序，而不是單個變電所的負序。

圖3 基于組合變換器的貫通同相牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 組合式變壓器及平衡原理

在圖3中，變壓器T1和T2構(gòu)成平衡變壓器結(jié)構(gòu)，T1電壓取自三相系統(tǒng)中的A相，T2電壓取自三相系統(tǒng)中的BC相，二者構(gòu)成的相量關(guān)系見圖4。兩變壓器二次側(cè)構(gòu)成大小相等，相位相差90°的兩單相電壓uα和uβ。PFC與兩變壓器的等效連接關(guān)系見圖5。

圖4 三相和單相變壓器電壓相量圖

圖5 貫通同相牽引供電系統(tǒng)變流器結(jié)構(gòu)

基于PFC的平衡補償原理如下：

為簡化分析，PFC端口電壓記為

( 1 )

式中：U1為電壓有效值。

忽略端口電壓變化和諧波電流分量影響，此時檢測的負載電流為貫通線路所有牽引變電所電流之和，饋線電流i(t)可記為

( 2 )

式中：I為電流有效值；N為變電所數(shù)量；φn為功率因數(shù)角。

則貫通線路負載側(cè)總的瞬時功率sL(t)為

sL(t)=uβ(t)i(t)=U1Icosφ-U1Icos2ωt

( 3 )

式中：U1Icosφ為負載總的有功功率。

通過PFC傳遞負載一半的有功功率，并在負載端口補償無功功率，可以實現(xiàn)平衡變壓器功率完全平衡，此時變流器端口輸出電流表達式為

( 4 )

式中：Isr=0.5Icosφ。

PFC在兩個電壓端口的容量分別為

( 5 )

圖6給出了功率因數(shù)取0.9～1.0情況下的端口補償相對容量和總?cè)萘壳闆r。由圖6可知，功率因數(shù)為1.0時，各端口只需補償負載一半的有功功率，總補償?shù)墓β屎拓撦d功率相等。

圖6 端口補償容量與功率因數(shù)關(guān)系

式( 5 )為負序和無功完備補償下的PFC端口容量，實際中由國家電能質(zhì)量標準規(guī)定可知，負序和無功不需要完備補償，此時負序和功率因數(shù)指標約束為

( 6 )

式中：k、kc分別為有功和無功補償度，大小為0～1.0；εU為電壓不平衡度指標；Sd為電力系統(tǒng)短路容量；PFB為無功指標，最小值取0.9。由給定的標準要求可以計算出有功和負序補償度，進而確定每個端口的最少補償容量，從而實現(xiàn)經(jīng)濟性最佳。

3 PFC直接功率控制器設(shè)計

3.1 單相直接功率控制原理

PFC的控制可以靈活采用電流控制、功率控制等多種方式，其中功率控制更為直觀。本文采用單相變換器的直接功率控制來設(shè)計控制器，以uα相為例，通過移相構(gòu)造形成正交電壓和電流相量，將電壓和電流分別延遲90°，以電壓為例表達式為

uα=Ucosωt

( 7 )

uβ=Usinωt

( 8 )

瞬時有功p和無功功率q為

( 9 )

對式( 9 )進行微分，可以得

(10)

再結(jié)合變換器端口方程關(guān)系

(11)

(12)

將式( 9 )、式(11)、式(12)代入式(10)中，可得到變換器端口電壓方程為

(13)

(14)

式中：dp=pref-p；dq=qref-q；pref為有功功率；qref為無功功率。

計算出變換器端口電壓后，經(jīng)過脈寬調(diào)制技術(shù)，得到開關(guān)管驅(qū)動信號。同理可以計算出uβ端口電壓驅(qū)動信號，其中有功功率pref和無功功率指令qref可由外部調(diào)度給定。

3.2 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖

圖7為PFC功率控制結(jié)構(gòu)圖，兩組單相變換器均采用直接功率控制方式，其中一組為電壓外環(huán)、功率內(nèi)環(huán)控制模式，另一組為功率閉環(huán)控制模式。實際工作時，兩組有功指令相同，無功指令根據(jù)實際需要靈活進行設(shè)置。

圖7 PFC功率控制框圖

4 仿真分析

為驗證本文所提貫通供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和控制策略的有效性，在Matlab/Simulink平臺上搭建了如圖3所示貫通供電系統(tǒng)3個變電所一起構(gòu)成的仿真模型。3個變電所牽引變壓器為單相變壓器，電壓來自三相系統(tǒng)相同的線電壓。變換器和三相-單相組合變壓器一起構(gòu)成功率平衡裝置，變換器采用直接功率控制。仿真系統(tǒng)基本參數(shù)見表1。

表1 仿真參數(shù)

不考慮諧波和無功影響，僅分析有功負荷情況。貫通線路選擇3個牽引變電所，每個牽引變電所某時刻的牽引負荷分別為10、20、15 MW。PFC投入前，三相側(cè)電壓和電流波形如圖8(a)和圖8(b)所示。此時單相負荷總功率引起的負序功率為45 MW，超過三相系統(tǒng)負序指標2%(對應(yīng)30 MW)的規(guī)定，三相電流嚴重不對稱。

圖8(c)給出了在中心牽引變電所采用同相補償技術(shù)方案時的三相側(cè)電流波形。此時受單相牽引變壓器和PFC電氣耦合影響，PFC最大容量不能超過牽引容量，否則會引起牽引變過負荷和功率反向倒流。假設(shè)PFC傳遞的有功功率為10 MW，實現(xiàn)該變電所有功功率的完備補償。三相側(cè)未補償?shù)牟黄胶夤β蕦?5 MW。

圖8(d)給出了在中心牽引變電所采用本文所提的組合式變換器補償技術(shù)方案時的三相側(cè)電流波形。單相牽引變壓器和PFC電氣解耦，假設(shè)PFC傳遞有功功率為22.5 MW，實現(xiàn)該貫通系統(tǒng)所有功功率的完備補償，三相側(cè)未補償?shù)墓β蕿?，三相電流對稱，消除負序影響。

圖8 仿真結(jié)果波形

圖9給出了變換器端口功率情況，可以發(fā)現(xiàn)端口有功功率達到指令值，等于負載有功功率的一半。說明采用直接功率控制能夠方便實現(xiàn)貫通供電系統(tǒng)的三相系統(tǒng)功率均衡，控制系統(tǒng)穩(wěn)定。

圖9 PFC端口輸出功率情況

當貫通供電線路出現(xiàn)部分列車再生制動時，再生制動能量回饋到系統(tǒng)內(nèi)部供其他列車使用，對外消耗的總功率變小。圖10給出了當變電所一機車在0.44 s出現(xiàn)再生制動5 MW時，三相系統(tǒng)電流補償前后波形以及變換器輸出功率情況。從圖10可以看出，經(jīng)過半個周期的時間，三相系統(tǒng)電流基本對稱，變換器輸出端口功率從22.5 MW變成17.5 MW，跟蹤穩(wěn)定。

圖10 部分列車再生回饋下的仿真結(jié)果波形

從以上仿真結(jié)果可以看出，采用基于組合式變換器的貫通方案，通過功率傳遞能方便消除單相負荷引起的功率不平衡問題。采用直接功率控制方法，設(shè)計的控制器結(jié)構(gòu)簡單，控制系統(tǒng)穩(wěn)定。

5 結(jié)論

本文針對電氣化鐵道存在的負序和過分相問題，結(jié)合同相供電技術(shù)方案和貫通供電方案的優(yōu)勢，提出了一種適用于高原鐵路的貫通供電技術(shù)方案。該方案采用組合變換器進行功率傳遞來消除負序，系統(tǒng)補償容量相對最小。根據(jù)瞬時無功理論設(shè)計的直接功率控制器，能方便地實現(xiàn)端口之間的功率傳輸。

本文所提的方法同樣適用于市域鐵路貫通供電方案、現(xiàn)有高速鐵路的貫通供電化改造。受篇幅限制，相關(guān)技術(shù)方案和容量配置問題將在后續(xù)研究中進一步開展。