溫州市域鐵路S1線同相供電系統方案研究

0 引言

近些年來，隨著現代電力電子技術和控制理論的不斷發展，電力機車對電力系統電能質量的影響得到了很大改善，但在鐵路向高速、重載方向發展的過程中仍然存在2個嚴重問題：電分相對電力機車安全運行的影響以及以負序為主的電能質量問題[1]。同相供電技術[2]的提出，取消了變電所出口處的電分相環節，也可很好地解決負序問題。

溫州市域鐵路S1線的建設是溫州市市域鐵路網建設實施的第一步。同相供電技術在溫州市域鐵路S1線中的應用，可解決電能質量指標中愈發突出的負序問題以及電分相對列車安全運行的影響，使之成為我國具有創新引領性的軌道交通項目，為市域鐵路的發展打下堅實的基礎。

本文主要介紹單相組合式同相供電系統的結構以及變壓器的平衡變換原理，根據溫州市域鐵路S1線設計資料，對同相供電系統的牽引變壓器以及同相補償裝置的容量進行計算；基于Matlab/Simulink仿真平臺搭建單相組合式同相供電系統仿真模型，通過仿真分析驗證系統對于負序治理的效果。

1 組合式同相供電系統結構

組合式同相供電是同相供電的優化，在基于有源技術的同相供電系統[3]的基礎上加以改善，使補償裝置容量配置更加合理[3]。目前主要存在單相[4]和單三相[5]2種組合式同相供電系統方案。高速鐵路變壓器一般采用Vx接線方式，對既有鐵路進行改造一般選擇單三相組合式同相供電，可以很好地利用原有變壓器形成一主一備用的方式[3]。對于新建鐵路一般采用系統結構簡單、設備利用率高的單相組合式同相供電系統。本文將針對溫州市域鐵路S1線，對單相組合式同相供電系統進行設計分析。

圖1為直接供電方式下單相組合式同相供電系統結構圖，主要由單相牽引變壓器（Traction Transformer，TT）和同相補償裝置（Co-phase Power Supply Device，CPD）構成。其中同相補償裝置CPD由高壓匹配變壓器（High Voltage Matching Transformer，HMT）、交直交變流器ADA和牽引匹配變壓器（Traction Matching Transformer，TMT）3部分組成。其供電原理在于：牽引變壓器TT和高壓匹配變壓器HMT構成一個不等邊的Scott變壓器，相當于一種兩端口的，供電容量、電壓幅值不相等，但電壓相位相互垂直的特殊接線形式的平衡變壓器。

圖1 單相組合式同相供電系統結構

系統正常運行時，單相牽引變壓器TT和同相補償裝置CPD共同為牽引網的牽引負荷供電，其中大部分負荷功率由單相牽引變壓器提供，同相補償裝置承擔次要的供電任務，并進行三相電壓不平衡度的調整。在單相組合式同相供電中，2個單相變壓器構成的Scott變壓器，其兩端口的接線角相差90°，所以變流器采用背靠背結構形式的單相變流器[6]，原理如圖2所示。

圖2 背靠背單相變流器原理示意圖

背靠背單相變流器由2個單相電壓型整流器通過同一個電容器背靠背連接在一起。高壓匹配變壓器的作用在于將電網側的高電壓降低為電力電子器件所能承受的耐壓水平。交直交變流器端口輸出的較低電壓經牽引匹配變壓器升壓后為牽引母線供電。其中交直交變流器的控制目標在于，通過PWM信號控制IGBT的開關狀態以保持中間直流電壓的穩定，使有功功率在變流器兩端口之間相互傳遞，從而達到負序補償的目的。交流電抗器L配合同相補償裝置ADA一起工作，在變流的過程中起平滑電流的作用。

2 組合式同相供電系統原理

2.1 變壓器的平衡變換

在單相組合式同相供電系統中，單相牽引變壓器和單相高壓匹配變壓器構成一個不等邊的Scott接線變壓器，接線如圖3所示，次邊2個端口分別為a端口和b端口。電壓向量圖見圖4。設牽引變壓器的原次邊繞組匝數分別為w1、w2，高壓匹配變壓器的原次邊繞組匝數分別為，牽引變壓器和高壓匹配變壓器變比分別為K1、K2。

圖3 不等邊Scott接線圖

圖4 不等邊Scott接線電壓向量圖

由于低壓側a和b端口大小不一致，設次邊兩端口電壓關系為Ub=pUa，按照磁勢平衡原理[7]

可得電力系統側三相電流和次邊兩端口電流、之間的關系為

根據式（1）可得原次邊電流向量之間的關系，如圖5所示。

對圖5分析可得，當低壓側a和b端口負載功率相等時，兩端口之間的電流相位相差90°，即時，整個系統中無負序電流存在，此時電力系統側的三相電流完全對稱。

圖5 原次邊電流向量圖

2.2 同相補償裝置的平衡變換原理

單相組合式同相供電系統同相補償裝置結構如圖6所示。

圖6 同相補償裝置結構

設交直交變流器兩端口電壓分別為ua、ub，負載電流為iL。由于兩端口電壓相位相差90°，則端口電壓的表達式為

負載電流大小為

將負載電流中的基波電流分量進行分解，負載電流可表示為

式中，Ip和Iq分別為基波電流的有功和無功分量。

負載瞬時功率為

為使同相補償裝置達到其調節目標，兩端口輸出的有功電流的相位應與各自電壓相位相同，所以兩端口電流的期望值為

式中，Isr為2個端口輸出電流的期望值幅值。

當實現完全補償時，三相電力系統應承擔牽引負荷所需全部有功功率，因此，在任何一個周期內，牽引負荷所消耗的能量大小應與電力系統提供的能量大小相等。通過計算可得，當實現完全補償時，同相補償裝置兩端口的補償電流期望值[8]為

同相補償裝置兩端口的功率為

所以，當系統實現完全補償時，同相補償裝置的負載端口（b端口）需承擔牽引負荷所需有功功率的一半，并且實現無功功率和諧波功率的補償，另一端口（a端口）只需承擔其余的有功功率。

3 系統設計

根據溫州市域鐵路S1線的設計資料，對牽引變電所全天的牽引負荷饋線電流進行計算分析，得到的計算數據如表1所示。

表1 牽引變電所全天負荷過程數據統計 A

牽引網牽引母線電壓為27.5 kV，系統短路容量為 1 100 MV·A。

首先選擇牽引負荷功率95%概率大值進行計算，即

系統的短路容量為1 100 MV·A，可以得到系統的最大負序功率允許值[7]為

牽引負荷功率95%概率大值大于最大負序功率允許值，所以需配置同相補償裝置，計算牽引變壓器以及同相補償裝置容量，即

可得牽引變壓器容量ST為27.8 MV·A，同相補償裝置容量SC為5.6 MV·A。

當使用牽引負荷功率95%概率大值進行容量設計時，牽引負荷功率取最大值，系統的負序功率也應滿足要求，進行容量校核

因為Smax＜2ST，此時的計算容量滿足要求。同相補償裝置的安裝容量與其計算容量相等，所以SC=6 MV·A，牽引變壓器存在過負載能力，按過負荷倍數k取1.75計算，則

所以該單相組合式同相供電系統中，單相牽引變壓器的安裝容量確定為16 MV·A，同相補償裝置的安裝容量確定為6 MV·A[3]。

4 仿真分析

對所設計的單相組合式同相供電系統在饋線電流分別為95%概率大值、最大值以及再生制動工況下分別進行仿真分析，通過Matlab/Simulink仿真平臺，搭建單相組合式同相供電系統仿真模型，如圖7所示。通過控制電路中的補償電流生成模塊和交直交變流器的控制模塊，實現對交直交變流器IGBT的開斷控制，達到控制目標。仿真模型的參數為：電力系統短路容量1 100 MV·A，電力系統側線電壓110 kV，牽引網電壓27.5 kV，單相牽引變壓器容量16 MV·A，同相補償裝置容量6 MV·A，負荷采用恒功率模塊。

圖7 單相組合式同相供電系統仿真模型

4.1 饋線電流取95%概率大值

饋線電流取95%概率大值時，負荷功率為33.6 MV·A，功率因數為0.98（滯后為正）。仿真時間設為0.2 s，同相補償裝置在0.08 s時投入使用。三相電力系統側電壓、電流波形如圖8、圖9所示。

圖8 三相電壓波形

圖9 三相電流波形

根據仿真結果，分別計算同相補償裝置投入前和投入后電力系統側三相電壓不平衡度，結果如表2所示。

表2 三相不平衡度計算

負荷為單相非線性負荷，將導致三相電力系統的不平衡。在0～0.08 s時同相補償裝置未投入使用，由電力系統BC相為負荷供電，A相空載，此時電力系統存在嚴重的三相不平衡。0.08 s后同相補償裝置投入使用，電力系統中的負序得到了明顯補償，三相電壓不平衡度由原來的2.8%降為1.1%，滿足國標要求[9]。三相電壓不平衡度的變化過程如圖10所示。由此可見，在饋線電流取95%概率大值時，同相補償裝置達到了補償效果，該單相組合式同相供電系統滿足要求。

圖10 三相電壓不平衡度變化過程

4.2 饋線電流取最大值

當饋線電流取最大值時，負荷功率為43.2 MV·A，功率因數為0.98（滯后為正）。仿真時間設為0.2 s，同相補償裝置在0.08 s時投入使用。三相電壓不平衡度的變化過程如圖11所示。

圖11 三相電壓不平衡度變化過程

根據仿真結果，分別計算同相補償裝置投入前和投入后電力系統側三相電壓不平衡度，結果如表3所示。

表3 三相不平衡度計算

結合圖11和表3分析可得，在0.08 s后同相補償裝置投入使用，負序得到補償。由于負荷功率大于同相補償裝置容量的2倍，此時同相補償裝置按額定容量輸出，其余功率由牽引變壓器提供，電力系統中仍然存在負序，但電力系統側三相電壓不平衡度為1.85%，滿足國標中短時不超過4%的要求[9]。可以認為在饋線電流取最大值時，該單相組合式同相供電系統能夠滿足設計要求。

4.3 再生制動工況

在再生制動工況下，機車由交流電動機模式轉換為交流發電機模式[10]。仿真時間設為0.2 s，同相補償裝置仍然在0.08 s投入使用。三相電壓不平衡度的變化過程如圖12所示。

圖12 三相電壓不平衡度變化過程

分析圖12可得，當機車處于再生制動工況下，交直交變流器中原來的整流器工作在逆變狀態，逆變器工作在整流狀態，實現了能量的平衡反饋。當同相補償裝置投入使用后，電力系統側三相電壓不平衡度降低為1%，滿足國標要求[9]，說明該單相組合式同相供電系統在再生制動工況下也可以滿足設計要求。

5 結語

基于溫州市域鐵路S1線對列車速度要求較高、牽引負荷較大、采用自動過分相技術造成開關頻繁動作、列車速度以及安全運行得不到保證等問題，牽引變電所選擇采用同相供電技術能夠很好地滿足線路運行需求。

根據該線路牽引設計資料進行單相組合式同相供電系統設計，在Matlab/Simulink平臺搭建系統仿真模型，并對仿真結果進行分析。可以得到，在不同的負荷大小下，該單相組合式同相供電系統均能滿足三相電壓不平衡度的要求；當負荷功率小于同相補償裝置容量的2倍時，理論上組合式同相供電系統可以實現負序的完全補償，此時三相電壓不平衡度幾乎為0；當饋線電流取95%概率大值、最大值以及在再生制動工況時，系統中仍然存在一些負序電流，但也可使三相電壓不平衡度降到國標允許的范圍之內。該線路采用組合式同相供電系統能夠很好地解決由于負荷不平衡引起的負序問題，并可取消變電所出口處的電分相，效果良好。

參考文獻：

[1]李群湛，賀建閩，解紹鋒.電氣化鐵路電能質量分析與控制[M].成都：西南交通大學出版社，2011.

[2]李群湛.我國高速鐵路牽引供電發展的若干關鍵技術問題[J].鐵道學報，2010，32（4）：119-124.

[3]李群湛.論新一代牽引供電系統及其關鍵技術[J].西南交通大學學報，2014，49（4）：559-568.

[4]李群湛，吳命利，郭鍇，等.一種單相組合式同相供變電裝置[P].中國.CN20335218.2013-12-18.

[5]李群湛，賀建閩，張麗艷，等.一種單相三相組合式同相供變電裝置[P].中國.CN103078315A.2013-05-01.

[6]張秀峰，連級三.利用電力電子技術構建的新型牽引供電系統[J].變流技術與電力牽引，2007（3）：49-59.

[7]李群湛，賀建閩.牽引供電系統分析[M].成都：西南交通大學出版社，2007.

[8]魏光.同相供電裝置控制策略研究[D].西南交通大學，2009.

[9]韓禎祥.電力系統分析[M].杭州：浙江大學出版社，2013.

[10]劉曉菊，李群湛，康婕，等.同相牽引供電系統的補償原理及再生制動特性[J].電網技術，2010（12）：99-103.