一種降低高鐵牽引供電系統(tǒng)負(fù)序電流的光伏發(fā)電接入方法

夏焰坤

(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(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610031)

0 引 言

牽引供電系統(tǒng)是高速鐵路電力機(jī)車的唯一供電來源，其供電質(zhì)量水平一方面會(huì)對(duì)機(jī)車安全可靠運(yùn)行帶來影響，另一方面也會(huì)對(duì)三相供電系統(tǒng)造成影響[1-5]。目前高速鐵路主要的電能質(zhì)量問題在于單相大功率牽引負(fù)荷造成的三相供電系統(tǒng)的不平衡，即負(fù)序問題[6-12]。

光伏發(fā)電[13]作為一種綠色、節(jié)能的新能源發(fā)電技術(shù)，在全世界電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的光伏發(fā)電領(lǐng)域研究主要關(guān)注點(diǎn)在三相電力系統(tǒng)，而隨著高速鐵路的快速發(fā)展，牽引供電系統(tǒng)伴隨鐵路線路的延伸也發(fā)展成一個(gè)非常龐大的供電網(wǎng)絡(luò)。在日照充足的地區(qū)，如果能夠?qū)⒐夥茉匆氲綘恳╇娤到y(tǒng)將會(huì)對(duì)提高牽引供電系統(tǒng)的綠色、環(huán)保水平。為加快鐵路行業(yè)應(yīng)用新能源技術(shù)，鐵道部門制定了多項(xiàng)相關(guān)規(guī)范，相關(guān)的研究報(bào)道和工程實(shí)際應(yīng)用相對(duì)較少。如何有效利用光伏電能，必將成為牽引供電系統(tǒng)一個(gè)重要的課題。

文獻(xiàn)[14]研究了在全電力電子化的獨(dú)立貫通牽引供電系統(tǒng)的直流母線中接入新能源的構(gòu)想，用于綜合能源利用，但其主要適用于未來貫通供電系統(tǒng)。文獻(xiàn)[15]提出了一種光伏接入方案，但未考慮牽引供電系統(tǒng)三相-單相供電結(jié)構(gòu)的特殊性，未能合理利用光伏接入電能來改善牽引供電系統(tǒng)自身的問題。為此，從牽引供電系統(tǒng)不對(duì)稱供電結(jié)構(gòu)角度出發(fā)，以平衡接線牽引變壓器牽引變電所為例，提出了一種既能充分利用光伏電能，又能有效改善牽引供電系統(tǒng)負(fù)序的光伏接入方法。

首先，提出了一種光伏接入方法；其次，分析了負(fù)序改善原理，并提出了變流器控制策略；最后，在仿真平臺(tái)上搭建了模型進(jìn)行驗(yàn)證，論證所提方法的有效性。

1 光伏接入方案結(jié)構(gòu)

以平衡接線牽引變壓器變電所為例，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。三相電網(wǎng)電壓經(jīng)過三相-兩相平衡變壓器對(duì)稱變換成α、β兩單相電壓。光伏發(fā)電系統(tǒng)電池組件采用集中接入的方式，其直流母線通過兩組單相變流器分別與α、β兩相供電臂相連，實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。

圖1 光伏接入牽引供電系統(tǒng)方案

兩組變流器安裝容量相同，但其每組變流器饋入供電臂的電流需要根據(jù)負(fù)荷情況進(jìn)行合理分配。并網(wǎng)變流器需要檢測α、β兩相牽引負(fù)荷的電流或功率大小，與自身輸出電流或功率進(jìn)行比較，經(jīng)過分析判斷，計(jì)算出反饋給α、β兩相的并網(wǎng)電流或功率。圖1中T為升壓變壓器，起到隔離和升壓作用。

2 光伏接入降低負(fù)序原理分析

為簡化分析，不考慮機(jī)車負(fù)載諧波分量，假設(shè)平衡變壓器次邊兩個(gè)端口電壓為

(1)

對(duì)應(yīng)的供電臂負(fù)載電流分別為

(2)

式中，U、I1、I2分別為端口電壓和端口電流有效值。

由文獻(xiàn)[16]相關(guān)理論可知，負(fù)載2個(gè)端口電流共同作用時(shí)的原邊三相電流表達(dá)式為

(3)

再利用對(duì)稱分量法可分解出正、負(fù)序電流，可得正序電流和負(fù)序電流通用表達(dá)式分別為

(4)

式中，φp為功率因數(shù)角。

未接入光伏時(shí)，牽引系統(tǒng)兩供電臂電壓和電流構(gòu)成的正序和負(fù)序見圖2所示。

圖2 正序和負(fù)序

負(fù)序合成電流大小為

式(5)說明，負(fù)序合成電流不僅與兩供電臂電流大小有關(guān)，還和功率因數(shù)角差值有關(guān)。兩供電臂電流有功成分在坐標(biāo)圖上共線反方向，起到相互抵消作用。

接入光伏電能后，僅以光伏饋入有功電流為例，負(fù)序合成電流為

(6)

從式(6)可以看出光伏系統(tǒng)接入改變了原有系統(tǒng)負(fù)荷有功分配，靈活調(diào)節(jié)輸出電流Ic1和Ic2的分配，將有利于降低系統(tǒng)負(fù)序合成電流的大小。

通常采用交直交變換的電力機(jī)車功率因數(shù)較高，忽略其無功，僅探討有功影響，則式(5)簡化為

I-=K|I1-I2|

(7)

說明此時(shí)負(fù)序電流與兩供電臂電流差額有關(guān)，當(dāng)兩供電臂負(fù)荷電流相等時(shí)，負(fù)序電流為0。

下面以高鐵負(fù)荷為例，不計(jì)無功影響，僅以有功來簡要分析Ic1和Ic2的分配對(duì)系統(tǒng)負(fù)序電流的影響。

假設(shè)光伏接入的等效額定電流為I=Ic1+Ic2，當(dāng)I≤|I1-I2|時(shí)，光伏容量補(bǔ)償負(fù)序不足，光伏電流完全饋入重載供電臂來減小負(fù)序，如圖3所示(以I2>I1為例)，此時(shí)I-=Kp|I1-I2-I|。相反，如果此時(shí)光伏饋入電流完全到輕載臂，將會(huì)加大負(fù)序電流，則I-=K|I1-I2+I|。

圖3 光伏接入負(fù)序

當(dāng)I>|I1-I2|時(shí)，說明光伏容量足夠補(bǔ)償負(fù)序，此時(shí)光伏電流同時(shí)饋入兩供電臂，既要補(bǔ)償電流差額，使得牽引負(fù)荷功率均衡，還要平衡多余的電流，使得合成負(fù)序?yàn)?，如圖4所示，此時(shí)兩組變流器饋入電流為

圖4 負(fù)序

圖5 僅光伏接入負(fù)序

由上述分析可知，無論是輕載、帶載情況下，通過合理分配饋入的供電臂，光伏接入后牽引系統(tǒng)合成負(fù)序電流要么為0，要么會(huì)得到明顯減小。

3 電流檢測與控制

光伏接入系統(tǒng)變流器電流檢測與控制見圖6所示。首先，對(duì)兩供電臂負(fù)載電流有功分量進(jìn)行檢測，得到有效值I1和I2，電流差值即為不平衡電流。不平衡電流與光伏電池輸出電流指令I(lǐng)相比較進(jìn)行判斷，判斷邏輯見負(fù)序分析原理，從而計(jì)算出兩變流器電流分配指令I(lǐng)c1和Ic2。指令電流分別乘以對(duì)應(yīng)的端口同步信號(hào)，即可得到變流器端口電流的瞬時(shí)值，該瞬時(shí)值經(jīng)過閉環(huán)控制得到變流器調(diào)制信號(hào)。

圖6 電流檢測及控制框

從而變流器端口的輸出電流指令為

(9)

4 仿真分析

為驗(yàn)證所提方法的有效性，在Matlab/Simulink平臺(tái)上建立了相應(yīng)的仿真模型，參數(shù)見表1所示。其中變流器采用電流閉環(huán)控制、滯環(huán)調(diào)制方式。

表1 仿真參數(shù)

為直觀看出補(bǔ)償效果，負(fù)載分空載和帶載2種情況分別展開仿真。

1)仿真情況1：兩供電臂空載

當(dāng)兩供電臂處于空載的情況下，光伏系統(tǒng)仍然需要向系統(tǒng)并網(wǎng)饋入電能，由負(fù)序分析可知，兩變流器輸出電流大小相同，在三相系統(tǒng)中電流對(duì)稱，仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 空載條件下仿真波形

從圖7可以看出，在供電臂處于空載的情況下，光伏并網(wǎng)電流三相電流對(duì)稱，負(fù)序分量接近為0，說明采用所提方法接入光伏不會(huì)引入新的負(fù)序分量，和理論分析相符合。

2)仿真情況2：兩供電臂帶載

假設(shè)α、β兩相供電臂分別所帶機(jī)車負(fù)載為5 MW和8 MW，此時(shí)光伏系統(tǒng)電能2 MW需要完全饋入α相(重載臂)以改善不平衡電流，仿真結(jié)果如圖8所示。

圖8 帶載條件下仿真波形

從圖8可以看出，光伏接入前三相電流不對(duì)稱，合成負(fù)序功率為3 MW，不平衡度為23.07%。采用光伏接入重載臂后，合成負(fù)序功率為1 MW，三相電流不平衡度降低為9.09%。假設(shè)三相系統(tǒng)短路容量為2000 MVA，此時(shí)對(duì)應(yīng)的三相不平衡電壓近似為0.05%。如果光伏電能接入輕載臂，合成負(fù)序功率為5 MW，則三相電流不平衡度為45.5%，此時(shí)對(duì)應(yīng)的三相不平衡電壓近似為0.25%。顯然采用光伏接入需要根據(jù)負(fù)荷情況合理分配并網(wǎng)供電臂，才能有效降低負(fù)序電流。

從以上兩種情況仿真可知，仿真結(jié)果符合理論分析。說明采用所提方法在充分利用新能源的前提下，同時(shí)有助于改善牽引供電系統(tǒng)負(fù)序電流問題。

5 結(jié) 語

上面提出了一種考慮光伏接入的牽引供電系統(tǒng)負(fù)序改善方法，得出如下結(jié)論：

1)針對(duì)牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特殊性，根據(jù)負(fù)荷電流差值情況，靈活選擇光伏電能接入的供電臂，能夠有效改善牽引供電系統(tǒng)負(fù)序電流問題；

2)該方法可以拓展到光伏加儲(chǔ)能接入、風(fēng)力發(fā)電接入等其他類型的新能源接入方式；

3)該方法同樣可以拓展適用于三相-兩相非平衡變壓器結(jié)構(gòu)牽引變壓器(如YN/d11和VX牽引變壓器)。