基于聯合補償的電網牽引變負序補償

張浩，周錦，周榮玲，陳謙，陶軻

（河海大學能源與電氣學院，江蘇南京 211100）

從2008年至今，中國建成了多條時速300 km/h以上的高速鐵路[1]。隨著電氣化鐵路的高速發展，牽引負荷對電網帶來的負面影響越來越顯著[2-4]，其中，諧波、負序和無功問題最為顯著[5-10]。為了保證電網的安全穩定運行，減少牽引負荷的影響，需要在牽引變電所安裝補償裝置[11-13]。

現有牽引變負序補償主要基于電能質量調節器（VSC-RPC，Railway Power Conditioner，RPC），然而，由于之前牽引變數量較少，補償只針對單個的牽引變進行[14-15]，嚴重依賴于VSC-RPC的容量，造成成本增加，甚至難以達到補償目標。

事實上，隨著十二五期間高速鐵路的大力建設，在一些電鐵線路的交叉口，或者是省會城市等電鐵線路密集的地區，常有多個鐵路牽引變接在同一供電母線下，如京廣鐵路鄭州段的五龍口牽與廣武牽均接入柳林變。可以預計，隨著電鐵的進一步發展，多牽引變接入同一供電母線的情況將越來越多。

針對目前供電母線下可能接有多個鐵路牽引變的現狀，文中提出對多個牽引變進行聯合補償的方法，即利用各牽引變產生的負序電流相位不同，在電流合并后即可抵消一部分負序分量。通過聯合補償技術，使總體補償效果更好。

1 單個牽引變補償原理

VSC-RPC是一種新型電氣化鐵路電能調節裝置，主要由兩個單相電壓源型換流器以直流背靠背連接，并聯在Scott變壓器低壓側的兩供電臂之間，其整體結構如圖1所示[16-19]。

VSC-RPC補償裝置以協調Scott變壓器低壓側兩供電臂功率為控制目標，傳遞有功功率，補償無功功率，從而補償高壓側負序電流，提高牽引變功率因數。

運用VSC-RPC對Scott變壓器低壓側兩供電臂負載進行調節，調節后Scott兩臂的負載分別為：P′T，Q′T；P′M，Q′M。調節目標是使得調節后兩臂功率滿足式（1），此時高壓側的負序電流為0，功率因數為1。

圖1 VSC-RPC結構圖Fig. 1 The structure of VSC-RPC

式中，PT、PM分別為調節前Scott變壓器兩臂負載。

2 多個牽引變聯合補償原理

單個牽引變補償對VSC-RPC的容量有較大要求，而由于電力電子裝置的容量限制及制造成本的約束，VSC-RPC的容量不會太大。為了克服單個牽引變就地補償的缺點，提高補償效果，本文提出了利用各牽引變負序電流相位不同從而互相抵消的聯合補償方法。

如圖2所示，當系統中有多個牽引變時（以3個為例），牽引變壓器注入電網的負序電流是一個向量，綜合考慮同一個供電母線下的多個牽引變壓器，其注入上級變壓器總的負序電流為：

圖2 多個牽引變系統結構圖Fig. 2 The structure of multiple traction transformers

一般有

根據對稱分量法與Scott變壓器性質，可知3個Scott牽引變壓器在上級變壓器出口處產生的總的負序電流是各個Scott變壓器高壓側負序電流的線性疊加。若補償后Scott變壓器T側和M側的功率滿足式（4），此時注入上級變壓器的總的負序電流即為0。

式中，P′iT、P′iM分別為第i個牽引變T側與M側的有功功率；Q′iT、Q′iM分別為第i個牽引變T側與M側的無功功率。

根據VSC-RPC的補償原理，可知所需的總補償功率為：

則聯合補償所需的最小補償容量min SC_all

而單個牽引變補償所需的最小容量min SC_i2

顯然有

由式（8）可知，與單個Scott牽引變壓器負序補償系統相比，基于多個牽引變聯合補償的方法在達到相同的補償效果時所需要的VSC-RPC容量更小。

3 聯合補償控制策略

本文在聯合補償分析中主要考慮負序補償問題，包括負序電流的有功分量和無功分量。注入上級變壓器總的負序電流的有功分量和無功分量分別為：

1）有功分量：Scott牽引變壓器T側M側總的有功差額∑ΔPi。

2）無功分量：兩側總的無功差額∑ΔQi。在聯合補償時，可以將負序電流有功分量的補償和無功分量的補償分散到不同的牽引變壓器下完成，其中，負序電流有功分量的補償為T側和M側有功功率的平衡調節，負序電流無功分量的補償為T側和M側無功功率的差額補償。

3.1 平均補償控制策略

平均分配策略是指將需要補償的總的功率平均分配給每個Scott牽引變壓器負序補償系統進行補償，不考慮單個VSC-RPC的補償容量限制。

以注入上級變壓器的負序電流為補償目標，不考慮調整功率因數的無功功率補償時，總的補償量為式（6）所示的最小補償容量。因此需要調節的總的有功功率和補償的無功功率分別為：

則每個Scott變壓器需要調節的有功功率為：

需要補償的無功功率為：

平均補償控制方法方便快捷，能夠實現總的負序電流的快速補償，且給每個VSC-RPC留有余量，方便后續正序電流無功分量的就地補償，提高高壓側功率因數。但平均補償策略沒有考慮VSC-RPC容量限制問題時，不能夠充分利用VSC-RPC的容量進行補償。

3.2 順序補償控制策略

順序補償控制方法是指從距離上級變壓器最遠的Scott變壓器開始，依次按照與之并聯的電能質量調節器VSC-RPC的最大調節容量進行協調補償。

設3號Scott變壓器距離系統側最遠，與之并聯的3號RPC容量足夠完成整個系統的負序補償，則使用3號RPC完成補償，而2號和1號不投入補償。若只投入3號RPC不能夠完成補償，則先將3號RPC以最大補償量投入補償，再將2號RPC投入使用，若能夠完成負序補償則1號RPC不投入補償，否則將1號RPC投入補償。

為充分利用VSC-RPC補償容量獲得更好的負序補償效果，需要考慮負序電流的有功分量補償和無功分量補償之間的優先問題。本文選用以有功功率平衡調節優先的協調策略。且本文以上級變壓器低壓側功率因數為參考，考慮在系統側負序電流完全補償后進行正序電流無功分量的補償，提高功率因數。

具體的協調分配策略是：從距離上級變壓器最遠處的Scott變壓器連接的RPC開始分配補償功率，優先調節整個系統的有功功率平衡，其次進行兩側的無功功率缺額補償，最后在負序補償完成的基礎上進行正序電流無功分量的補償，提高功率因數。正序電流的無功分量的補償以就地無功補償裝置完成，同時認為就地的無功補償裝置（如TSC等）能夠滿足要求。最后使得注入上級變壓器的負序電流為0，功率因數為1。

順序補償控制策略能夠充分利用VSC-RPC的容量進行聯合補償，且該方法方便快捷，易于實現。

4 仿真分析

為了驗證聯合補償方法的正確性與可行性，在MATLAB平臺下搭建模型并對其進行仿真驗證。

設Scott_1牽引變壓器T側有功在2.5 s由800 MW變為1 200 MW，T側無功在4.0 s時由600 VAR變為1 000 VAR；Scott_2牽引變壓器M側有恒定負載，T側無負載；Scott_3牽引變壓器T側負載恒定，M側無負載。負載情況如表1所示。

表1 Scott變壓器兩臂負荷功率變化情況Tab. 1 Load power changes in two arms of Scott transformer

4.1 平均補償控制仿真驗證

使用單個牽引變補償的方案進行仿真分析，T側和M側總的補償功率如圖3所示。

采用平均補償控制策略的聯合補償時，T側和M側總的補償功率如圖4所示。

對比圖3和圖4可知，與單個牽引變就地補償時相比，使用聯合補償策略進行負序補償時，消耗VSC-RPC的容量較小。

4.2 順序補償控制仿真驗證

仿真條件與平均補償時相同。設定Scott_3變壓器處的VSC-RPC3 進行有功功率的平衡調節；Scott_2變壓器處的VSC-RPC2進行兩側無功功率總缺額的補償；Scott_1變壓器處的VSC-RPC不投入補償。并假設VSC-RPC的容量均足夠。

圖3 單個牽引變補償時T，M側總補償功率Fig. 3 The total compensation power of the single compensation on the T and M side

圖4 聯合補償方案T，M側總的補償功率Fig. 4 The total compensation power of the combined compensation on the T and M side

按以上策略進行牽引變壓器系統的聯合補償仿真，首先VSC-RPC3不投入補償，即只進行牽引變壓器系統的聯合負序補償，補償結果如下：

此時上級變壓器低壓側三相功率如圖6所示。由仿真結果可以看出，在進行多個牽引變壓器系統聯合負序補償時，可以將有功平衡調節和無功差額補償分別在不同的牽引變壓器處進行補償，不影響補償效果，補償后注入上級變壓器總的負序電流為0，在補償容量足夠時，能將功率因素提高至1。

圖5 補償后系統序電流Fig. 5 The sequence current after the combined compensation

圖6 聯合補償后系統側三相功率Fig. 6 The 3-phase power at the system side after the combined compensation

5 結論

本文提出的基于聯合補償的電網牽引變補償技術，根據各牽引變產生的負序電流相位不同，對同一供電母線下的多個牽引變電站進行聯合補償，在降低治理成本的同時，達到對牽引供電系統的負序治理目標。仿真結果表明聯合補償消耗的VSCRPC容量較小。

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