基于兩相三線制變流器的高速鐵路新型同相供電系統仿真計算

夏焰坤

(西華大學 電氣與電子信息學院，四川 成都 610039)

在高速鐵路牽引變電所采用大功率交直交變流器實行同相供電方案來取代現行的換相式供電方案，是電氣化鐵路一種較理想的選擇[1-5]。該方式既解決了電分相問題[6-7]，又解決了電氣化鐵路長期存在的電能質量問題[8-9]。其中平衡牽引變壓器構成的同相供電系統由于變流器結構簡單、所需容量相對較小等優點，目前國內外展開了相關的工程試驗研究。

傳統的基于平衡牽引變壓器構成的同相供電系統采用背靠背結構的變流器來實現同相供電。該方式需要兩組背靠背結構的單相變流器來實現，共4條開關管支路。目前研究的重點之一如何降低變流器裝置的成本，主要有兩種思路：變流器容量的優化來減少容量投入和新拓撲的應用來減少開關管的數量。文獻[10]將對稱補償原理擴展到有源同相供電系統中，分析了變流器容量優化設計思路。文獻[11-12]研究了基于Vv接線和平衡變壓器接線同相供電系統變流器容量設計方法。但針對如何減少開關管數量方面的研究較少。文獻[13-14]借鑒三相SVG原理首次提出一種兩相三線制變流器結構并應用于鐵路無功和諧波補償，而對于是否適合同相供電系統未展開探討。

在上述研究基礎上，本文提出一種基于兩相三線制變流器的同相供電系統，該系統與背靠背結構相比減少了一條開關管支路，與三相SVG相比減少了一個電抗器，因此結構更加簡單。分析系統結構和原理，提出電流檢測和控制方法，并通過仿真驗證該方法在負載電流正弦和畸變兩種情況下的補償效果。

1 傳統的同相供電系統結構與原理

同相供電系統的結構如圖1所示，三相電網電壓經過三相-兩相平衡變壓器對稱變換成α、β兩相電壓，其中α直接向牽引網供電，β經過單相背靠背變流器(PFC)向牽引網傳遞一定的功率。中間直流環節接有大容量的電容器組來穩定直流電壓，提供能量傳輸的通道。T為降壓變壓器，起到隔離和開關器件電壓等級相匹配的作用。

圖1 背靠背變流器的同相牽引供電系統

負序和無功完全補償時原理如下：

為簡化分析，設PFC兩個端口電壓為

( 1 )

饋線負載電流為

( 2 )

負載電流進一步分解為

式中：I1p=I1cosφ1為負載電流的有功分量。

通過PFC傳遞負載一半有功和在負載端口補償無功之后，變壓器次邊兩端口的電流將只包含有功分量，應滿足

( 3 )

PFC兩側補償電流指令

( 4 )

由此可見，經過潮流控制器的補償，變壓器次邊兩端口各自輸出的為負載一半的有功功率。即在α端口PFC需要輸出負載一半的有功電流，并補償無功電流和諧波電流；而在β端口PFC只需要傳遞負載一半的有功電流。

同相供電系統補償前后負序相量圖如圖2所示。在正序圖中Uα、Uβ兩相電壓相位相差90°，在負序圖中二者相位相差180°?？梢钥吹窖a償前變壓器次邊一相空載，負序電流等于負載電流，三相側不平衡。通過PFC補償后，變壓器次邊兩相電流共線反向，合成負序電流為0，對應三相系統電流對稱。

圖2 補償前后負序圖

2 兩相三線制變流器的同相供電系統

兩相三線制變流器構成的同相供電系統結構如圖3所示，三相電網電壓經過三相-兩相平衡變壓器對稱變換成α、β兩相電壓，其中α直接向牽引網直接供電。三線制變流器一個端口接β相，一個端口接α相，第三個端口接α、β兩相的公共端。這樣三線制變流器與傳統背靠背變流器結構相比減少了一組開關管橋臂。

圖3 兩相三線制變流器的同相牽引供電系統

系統負序平衡原理如下：

與傳統背靠背變流器構成的同相供電系統相比，兩相三線制變流器端口電流icα和icβ均保持不變，同樣滿足式( 4 )。

將變流器看作一個廣義節點，由基爾霍夫電流定律可得(此處n端口取等效為變壓器一次側)

( 5 )

當負載只包含有功，不含無功和諧波電流時，有

( 6 )

從式( 6 )可以看出,n端口電流是α和端口β電流的合成電流，滿足1.414倍關系。從αn端口看，注入電流為icα，而從βn端口看注入電流為icβ，因此負序相量圖將和圖2完全一致，不再贅述。

3 負序和諧波檢測與控制方法

兩相三線制變流器的同相供電系統負序和諧波檢測電流如圖4所示。首先對負載電流有功分量、無功分量以及諧波分量進行分離，采用單相電路諧波檢測方法。

圖4 負序和諧波電流檢測及控制框圖

負載電流乘以α端口同步電壓信號sinωt，再經過低通濾波器(LPF)，得到負載電流的有功分量。有功分量的一半分別乘以sinωt和sin(ωt-90°)，得到平衡變壓器次邊兩端口輸出電流指令為

( 7 )

變流器端口的輸出電流指令為

( 8 )

檢測出需要補償的電流指令后，采用滯環比較器生成3個橋臂的開關驅動信號，完成電流閉環控制。同時為保障系統穩定工作，變流器直流側應保持電壓穩定，因此圖4中對變流器直流側電壓也進行了閉環控制。

4 仿真分析

為驗證本文所提同相供電系統方案及負序和諧波補償方法的有效性，在MATLAB/Simulink平臺上建立仿真模型，參數見表1。為直觀看出補償效果，負載分為僅含有功和含諧波、無功兩種情況進行分析。

表1 仿真參數

仿真情況1：負載僅含有功，用電流源。

圖5 補償前后三相側電流波形

圖6 變流器電壓和電流

從圖5可以看出，補償前三相電流不對稱，含有負序分量，經過系統補償后三相電流對稱，消除了負序。從圖6可以看出變流器n端口輸出電流相對較大，與理論相符。

模擬負載，對應交直型機車負載，仿真結果如圖7、圖8所示。

圖7 補償前后三相側電流

圖8 變流器電壓和電流

從圖7可以看出，補償前三相電流不對稱且含有無功、諧波成分，經過系統補償后三相電流對稱，消除了負序。從圖8可以看出,對應端口α補償量含有無功和諧波，端口β補償量僅含有無功，變流器n端口輸出電流相對較大，與理論相符。經過補償后端口α處電流畸變率由 22.5%降為 1.5%。

仿真情況3：模擬負載為交直交和交直型電力機車混跑的情況。此時負載大小為前兩種仿真情況相疊加，仿真結果如圖9、圖10所示。

圖9 補償前后三相側電流

圖10 變流器電壓和電流

從圖9、圖10補償效果可以看出，機車混跑情況下補償前三相電流不對稱且含有無功、諧波成分，經過系統補償后三相電流對稱，消除了負序。變流器直流側電壓同樣能穩定在3 000 V左右，說明系統穩定性較好。

5 結束語

本文提出一種基于兩相三線制變流器的同相供電系統方案，分析了其補償原理和負序諧波檢測、控制方法，并進行了3種負載條件下的仿真驗證。仿真結果表明該系統能夠較好地治理高速鐵路負序和諧波問題，同時減少了開關管數量，結構得以簡化。但會造成n相支路電流相對較大，需要加以注意。

本文所提方案適合各種平衡變壓器(如Scott變壓器、單三相組合平衡變壓器等)構成的同相供電系統。