Scott三相平衡牽引供電系統及其工作原理分析

楊智靈 李宇航

摘要：現行電氣化鐵路所采用的供電制式為單相工頻25 kV交流制，電力機車為單相負荷，作用于三相電力系統，造成了負載不平衡。牽引網供電方案雖采取了分相分區、輪換相序等措施，但受機車負載空間分布不均勻性的影響，不能徹底消除負序。鑒于此，探討了一種基于Scott接線變壓器與四象限變流器拓撲的Scott三相平衡牽引供電系統，介紹了其系統拓撲及補償原理。該Scott三相平衡牽引供電系統結構簡單，能夠實現進線側三相平衡供電，不僅能消除牽引網有功功率導致的負序，也能消除牽引網無功功率導致的負序，還能對牽引網進行無功治理。該Scott三相平衡牽引供電系統能很好地適用于機車試驗線和檢修所等應用場合，保證試驗線路和檢修所供電質量。

關鍵詞：單相負荷；三相平衡；牽引供電；負序補償

中圖分類號：U223.1? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1671-0797（2023）12-0001-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.12.001

0? ? 引言

現行電氣化鐵路所采用的供電制式為單相工頻25 kV交流制，而電力機車的牽引負荷是一種單相電力負荷。單相電力負荷作用于三相電力系統，給三相電力系統造成了負載不平衡，即帶來了負序電流。負序電流給三相電力系統的穩定性和供電質量都造成了不利影響。通常情況下，為減小負序電流帶來的影響，牽引網供電方案采取分相分區、輪換相序等措施，受機車負載空間分布不均勻性的影響，該措施不能根本消除負序[1]。

三相平衡牽引供電系統主要功能之一就是解決牽引負載帶來的負序問題，目前主要有以下幾種方案：

（1）無源補償方案。由平衡變壓器配合以無源補償器件構成：無源補償器通常為晶閘管控制電抗器（Thyristor Controlled Reactor，TCR）、晶閘管投切電容器（Thyristor Switched Capacitor，TSC）等設備，特點是補償功率只能是無功，不可兼顧有功負序和無功負序，且會產生低次諧波。

（2）全功率方案。由輸入降壓變和三相-單相變流器構成，特點是所有牽引功率流經變壓器和變流器，效率低。

（3）同相供電方案。由牽引變壓器和同相供電裝置構成，特點是變壓器和變流器同時為牽引負載提供功率，變流器兼具補償功能。

從功率傳輸路徑看，無源補償方案和全功率方案是三相平衡牽引供電的兩個極端。無源補償方案中所有的有功功率從變壓器流通，補償裝置不傳遞有功，但由于補償裝置只提供無功，導致補償靈活性不夠，無法適應負載功率因數變化的負序補償。全功率方案中變流器傳遞所有的有功功率，該方案對于負序有很好的緩沖效果，但是所有功率流經變壓器和交直交變流器，導致效率降低。同相供電方案則是上述兩種極端方案的中間方案，與前兩個方案相比，同相供電方案拓撲多種多樣，主要有單相組合式、單三相組合式。同相供電方案中的補償裝置既可以提供無功補償又可以進行有功傳輸，且牽引負載功率由變壓器和補償裝置共同提供，因此其負序治理的靈活性和功率傳輸效率都得到了提高。

近年來，新型同相供電技術在鐵路領域逐步推廣，牽引所負序問題逐步得到解決[2-10]。為適應外部電網110 kV或220 kV高電壓以及較大的牽引負載容量，從設備經濟效益考慮，同相供電裝置一般采用AC-DC-AC背靠背變流拓撲以及高壓級聯并網的技術。這種方案直接用到廠內試驗線或車輛檢修所的牽引供電，設計裕量過大，屬于大材小用。

本文探討了一種基于Scott接線變壓器與四象限變流器拓撲的Scott三相平衡牽引供電系統，介紹了其系統拓撲及補償原理。該Scott三相平衡牽引供電系統結構簡單，能夠實現進線側三相平衡供電，不僅能消除牽引網有功功率導致的負序，也能消除牽引網無功功率導致的負序，還能對牽引網進行無功治理。該Scott三相平衡牽引供電系統能很好地適用于機車試驗線和檢修所等應用場合，保證試驗線路和檢修所供電質量。

1? ? Scott三相平衡牽引供電系統拓撲

Scott三相平衡牽引供電系統拓撲如圖1左所示，系統主要的組成設備包括：牽引變壓器TT、補償變壓器MT、四象限變流器CVT以及相關的開關器件KH、KT、KC。牽引變壓器TT包含兩個次邊繞組，其中端口T繞組直接為牽引負載供電，端口L繞組為補償繞組；補償變壓器MT次邊端口K繞組和端口L繞組的電壓幅值相等，相位相差90°，兩端口共同構成一個電壓相位垂直的兩相補償端口連接到四象限變流器CVT。四象限變流器CVT實時檢測牽引負載有功功率和無功功率，通過動態控制補償端口L和K對應繞組電流的大小和相位，對負載進行負序和無功補償，從而達到抑制三相電網側負序和無功的目的。圖1左所示系統的接線相序、補償變壓器MT和牽引變壓器TT次邊端口電壓與三相電壓的相量關系畫于圖1右側。

同時由式（6）可以發現，端口K和端口L純負序補償時，兩端口的有功成分大小相等，符號相反，這意味著圖1所示系統的變流器只需要在兩端口間轉移有功功率，不需要提供有功功率。因此，圖1所示系統可以實現純負序補償。

2.2? ? 純無功補償

若圖1所示系統能夠實現純無功補償，設：負載的視在功率幅值為st，功率因數角為φt；端口K純無功補償的視在功率幅值為sCk，功率因數角為φCk；端口L純無功補償的視在功率幅值為sCl，功率因數角為φCl；無功補償度為KC。

式（16）等式右邊，加號前的部分為負序補償分量；加號后的部分為無功補償分量。

3? ? 仿真驗證

為驗證以上推導的正確性，構建基于Matlab/Simulink的仿真模型，如圖2所示。

仿真參數：負載視在功率st=3 MVA，負載功率因數cos φt=0.8，補償系數KN=KC=1；三相電網電壓10 kV，牽引網電壓27.5 kV，補償端口電壓780 V。

控制模式：0～0.1 s時間段，不做任何補償；0.1～0.2 s時間段，純負序補償；0.2～0.3 s時間段，純無功補償；0.3～0.4 s時間段，負序和無功綜合補償。

仿真波形如圖3所示。

從圖3仿真波形可見：

（1）0～0.1 s時間段：系統沒有任何補償，此時電網側的三相電流不平衡；電網側的有功和無功瞬時功率為100 Hz波動功率，無功平均功率不為零；電網三相電流的正序和負序幅值相等，不平衡度為100%。

（2）0.1～0.2 s時間段：系統純負序補償，此時電網側的三相電流平衡；電網側的有功和無功瞬時功率穩定，無功功率不為零；電網三相電流的負序幅值接近零；系統實現了負序補償。

（3）0.2～0.3 s時間段：系統純無功補償，此時電網側的三相電流不平衡；電網側的有功和無功瞬時功率為100 Hz波動功率，無功平均功率接近零；電網三相電流的正序和負序幅值不為零；系統實現了純無功補償。

（4）0.3～0.4 s時間段：系統進行負序和無功綜合補償，此時電網側的三相電流平衡；電網側的有功和無功瞬時功率穩定，無功功率接近零；電網三相電流的負序幅值接近零；系統實現了負序和無功的綜合補償。

4? ? 結論

本文探討了一種基于Scott接線變壓器與四象限變流器拓撲的Scott三相平衡牽引供電系統方案，并搭建了基于Matlab/Simulink的仿真模型。理論推導與仿真驗證證明，本文所提Scott三相平衡牽引供電系統能夠實現為單相牽引負載供電時三相電網側電流的平衡，且能進行電網無功補償。同時，可以對本系統進行負序和無功的解耦補償，無功和負序解耦控制，增加了補償裝置補償的靈活性。根據負載或電網的特性合理設置負序補償度KN及無功補償度KC，可以使得補償變流器達到最優的補償效果。該方案可滿足電力機車調試與線路檢修時的供電需求，同時能夠實現電力系統側三相供電平衡，功率因數達標。

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收稿日期：2023-03-03

作者簡介：楊智靈（1988—），男，四川巴中人，工程師，研究方向：牽引供電與電力電子技術。

李宇航（1991—），男，山東樂陵人，碩士，工程師，研究方向：列車牽引變流器設計。