同相供電裝置的滿意度補(bǔ)償與容量配置方法分析

張巖

摘 要：單相組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。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剑瑢M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)計依據(jù)。

關(guān)鍵詞：單相組合式;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)序為主的電能質(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)計時會根據(jù)所在電網(wǎng)的短路容量大小及實際負(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)計容量，補(bǔ)償負(fù)載無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)實際短路容量與負(fù)載情況，在滿足國家電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的情況下，適當(dāng)降低負(fù)序電流、無功電流以及諧波電流的補(bǔ)償程度，以減小裝置的設(shè)計容量。從經(jīng)濟(jì)性與實用性角度出發(fā)，以滿意度補(bǔ)償為目標(biāo)的補(bǔ)償方式更具有研究價值。

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)電流實時值;iα（t）為α端口電流實時值;IL1p為負(fù)荷基頻有功電流有效值。

因為同相補(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，其計算值為Icβp=KNIL1p。

同時，引入無功補(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，負(fù)載電流諧波含量低。此處為便于計算分析，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中兩張圖對比可以發(fā)現(xiàn)：功率因數(shù)較小時，總補(bǔ)償容量隨負(fù)序補(bǔ)償度增長而增長的趨勢較慢，而隨著無功補(bǔ)償度增長而增長的趨勢較快;功率因數(shù)較大時，總補(bǔ)償容量隨負(fù)序補(bǔ)償度增長而增長的趨勢變快，而隨著無功補(bǔ)償度增長而增長的趨勢變慢。

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)償度和無功補(bǔ)償度，以減小補(bǔ)償裝置的容量。而為滿足國家電能質(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：