電氣化鐵道電能質(zhì)量綜合治理系統(tǒng)
摘要：針對(duì)目前電氣化鐵道AT或直供系統(tǒng)中普遍存在的負(fù)序、諧波和功率因數(shù)低等電能質(zhì)量問(wèn)題，提出了一種基于YN_接線平衡變壓器的電氣化鐵道電能質(zhì)量綜合治理系統(tǒng).該系統(tǒng)充分挖掘了YN_型牽引變壓器二次側(cè)可帶三相系統(tǒng)的潛能，在無(wú)需降壓變壓器的情況下，實(shí)現(xiàn)了三相全橋型有源功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)和主牽引變壓器的融合.給出了該系統(tǒng)的構(gòu)成方式，分析了該系統(tǒng)補(bǔ)償負(fù)序、諧波和無(wú)功的基本原理，提出了電流檢測(cè)和控制方法.根據(jù)實(shí)際變電站參數(shù)和實(shí)測(cè)牽引負(fù)荷數(shù)據(jù)建立了該系統(tǒng)的仿真模型.仿真結(jié)果表明所提系統(tǒng)具有良好的負(fù)序、諧波和無(wú)功補(bǔ)償性能.
關(guān)鍵詞：負(fù)序,諧波,平衡變壓器,電氣化鐵道,電能質(zhì)量治理
鐵路運(yùn)輸是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的大動(dòng)脈，其快速發(fā)展將給經(jīng)濟(jì)的增長(zhǎng)帶來(lái)強(qiáng)勁動(dòng)力和可靠保障.隨著電氣化鐵道的建設(shè)朝著重載貨運(yùn)和高速客運(yùn)方向發(fā)展，牽引機(jī)車(chē)的功率不斷增大，列車(chē)追蹤間隔進(jìn)一步減小，電氣化鐵道所引起的電能質(zhì)量問(wèn)題發(fā)生了一些變化.對(duì)于韶山型機(jī)車(chē)和動(dòng)車(chē)組混跑的線路，其負(fù)序、諧波和功率因數(shù)低仍然是比較嚴(yán)重的問(wèn)題，而對(duì)于高鐵專(zhuān)線，其主要問(wèn)題是負(fù)序問(wèn)題.這些問(wèn)題給牽引供電系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展帶來(lái)挑戰(zhàn)，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[1-3].
考慮到成本因素，牽引變電所高壓側(cè)三相進(jìn)線采用相序輪換技術(shù)是抑制負(fù)序最傳統(tǒng)的方法[4].但牽引網(wǎng)一旦建成相序無(wú)法再變更，缺乏靈活性是其主要缺點(diǎn). 另一種方法是采用平衡變壓器.平衡變壓器是一種在電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)中廣泛使用的特種變壓器，它主要將三相制公共電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)變成兩相制牽引供電系統(tǒng)，能完全消除一次側(cè)的零序電流，并具有一定的負(fù)序抑制能力，但該能力受到牽引負(fù)荷波動(dòng)影響較大，負(fù)荷越不平衡其抑制負(fù)序的能力越差，故難以完全消除負(fù)序?qū)﹄娏ο到y(tǒng)的影響.對(duì)于諧波和無(wú)功，則采用LC無(wú)源濾波器，兼做無(wú)功補(bǔ)償.
針對(duì)上述無(wú)源治理方法的缺點(diǎn)，多種有源治理方法彌補(bǔ)了無(wú)源治理方法的不足.在眾多有源治理方法中，鐵路功率調(diào)節(jié)器(railway power conditioner，RPC)[5-7]無(wú)疑是其中最成功的.它通過(guò)對(duì)兩相基波有功負(fù)荷進(jìn)行重新分配，并獨(dú)立補(bǔ)償各相的諧波和無(wú)功，能成功實(shí)現(xiàn)牽引變電站的負(fù)序、諧波和無(wú)功的綜合治理，并被部分牽引變電所采用、投入運(yùn)行[8-9].但該系統(tǒng)由于采用了背靠背單相全橋型逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其逆變器最高輸出電壓等于其直流側(cè)電壓，且共需8組功率器件，其直流電壓利用率有進(jìn)一步提高的空間，功率器件的數(shù)目也可進(jìn)一步減少.另一些背靠背結(jié)構(gòu)的有源和無(wú)源混合型鐵路功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)[10]也存在類(lèi)似的問(wèn)題.鑒于此，2004年，Sun等[11]提出了有源電能質(zhì)量補(bǔ)償器(active power quality compensator，APQC)系統(tǒng)，該系統(tǒng)成功將三相全橋型有源系統(tǒng)應(yīng)用在電氣化鐵道的電能質(zhì)量綜合治理中，減少了功率器件的使用，同時(shí)也提高了直流電壓的利用率，但是該系統(tǒng)需要一臺(tái)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的SCOTT變壓器將主變和有源系統(tǒng)進(jìn)行匹配，這將大大增加系統(tǒng)的投資成本，同時(shí)也降低了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性. 為彌補(bǔ)上述各系統(tǒng)存在的不足，本文提出了一種基于YN_接線平衡變壓器[12]的電氣化鐵道負(fù)序和諧波綜合治理系統(tǒng). 該系統(tǒng)充分利用了YN_平衡變壓器三相變?nèi)嗟臐撃?由于從YN_二次側(cè)a，c，b三抽頭引出的電力系統(tǒng)三相對(duì)稱(chēng)，故整個(gè)系統(tǒng)中三相全橋型有源系統(tǒng)可直接與主變進(jìn)行連接.與APQC相比，整個(gè)有源部分的電壓等級(jí)可以調(diào)節(jié).由于省掉了降壓耦合變壓器，其投資將有較大降低，可靠性也將得到提高.此外，由于 YN_二次側(cè)兩相系統(tǒng)完全獨(dú)立，適用于電氣化鐵道的AT或直接供電方式.且兩相可以做不等容設(shè)計(jì)，對(duì)于兩相負(fù)載容量長(zhǎng)期不同的牽引供電所來(lái)說(shuō)，可以大大降低牽引變電站的運(yùn)營(yíng)成本.
1系統(tǒng)構(gòu)成方式
基于YN_接線平衡變壓器的電氣化鐵道負(fù)序和諧波綜合治理系統(tǒng)如圖1所示.該系統(tǒng)由一臺(tái)YN_平衡變壓器和三相全橋有源功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)組成，其中變壓器可作為牽引變電站的主牽引變壓器，既可以聯(lián)接鐵道的兩相負(fù)載，也可以用于牽引變電站內(nèi)部三相電源的供電.其中三相全橋有源功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)作為治理整個(gè)牽引變電站負(fù)序、諧波和無(wú)功的綜合治理裝置.主變壓器的三相負(fù)載端的電壓等級(jí)可以靈活進(jìn)行設(shè)置，既可以滿足三相負(fù)載端的要求，也可以達(dá)到降低有源系統(tǒng)部分電壓等級(jí)的要求，從而達(dá)到經(jīng)濟(jì)性和可靠性的平衡.
2系統(tǒng)補(bǔ)償原理
2.1YN_平衡變壓器基本結(jié)構(gòu)
YN_平衡變壓器是一種基于國(guó)內(nèi)外各種平衡變壓器而提出來(lái)的新型的平衡變壓器，此種變壓器的綜合材料利用率達(dá)到90.2%，既可以同時(shí)接兩相負(fù)載又可以同時(shí)接三相負(fù)載，兩相負(fù)載還可以做不等容量設(shè)計(jì)，在整個(gè)變壓器的設(shè)計(jì)中需要滿足如下繞組關(guān)系：
WA/Wa1=Wc/Wc1=K1，
WA/Wa2=Wc/Wc2=K2，
WB/Wb1=K2/2，
WA/Wa3=WB/Wb2=Wc/Wc3=K3.(1)
其中有3/K2+1/(3K3)=1/K1.
該型變壓器滿足繞組關(guān)系的同時(shí)要滿足低壓側(cè)三角形回路等值阻抗值相等.且兩相短路時(shí)，從高壓側(cè)觀測(cè)的三相等值阻抗值相等，即滿足：
Za3=Zc3=Zb2.(2)
2.2負(fù)序、諧波和無(wú)功補(bǔ)償原理
當(dāng)變壓器只接有兩相機(jī)車(chē)負(fù)載時(shí)，一次側(cè)電流和二次側(cè)電流之間的關(guān)系為：
利用基爾霍夫電流定律(KCL)和磁勢(shì)平衡原理可得電流關(guān)系式為：
若利用此變壓器作為牽引供電所變壓器，對(duì)于兩相負(fù)載側(cè)接入負(fù)載，三相負(fù)載側(cè)接入三相全橋功率調(diào)節(jié)裝置，利用疊加定理，得
對(duì)兩相負(fù)載側(cè)的電流可以分解為基波有功分量和諧波無(wú)功分量，可以表示為：
式中：αp，βp為基波有功分量;*α，*β分別為基波無(wú)功分量和諧波分量之和.相量圖如圖3所示.
則一次側(cè)電流中只含有基波的有功分量，一次側(cè)電流中的諧波和無(wú)功分量被完全消除.此時(shí)一次側(cè)電流滿足：
只需調(diào)節(jié)三相負(fù)載端電流的大小便可以消除一次側(cè)的負(fù)序、諧波和無(wú)功分量，從而達(dá)到治理電氣化鐵道負(fù)序和諧波問(wèn)題.
3綜合控制系統(tǒng)
3.1檢測(cè)部分
對(duì)于兩相供電臂電壓相位相差90°的諧波、無(wú)功和負(fù)序電流的檢測(cè)方法，本文采用文獻(xiàn)[13-14]中的檢測(cè)方法.該方法可以在電壓波形畸變的情況下檢測(cè)到電流中的諧波、無(wú)功和負(fù)序電流的分量，并將直流側(cè)電容電壓的控制輸出疊加到檢測(cè)環(huán)節(jié)中.當(dāng)直流側(cè)電容電壓沒(méi)有穩(wěn)定時(shí)，整個(gè)有源系統(tǒng)工作于整流狀態(tài)，對(duì)電容進(jìn)行充電，當(dāng)直流側(cè)電壓穩(wěn)定時(shí)，系統(tǒng)工作于逆變狀態(tài).其電流檢測(cè)原理如圖4所示.
α，β相負(fù)載電流的傅里葉分解表達(dá)式為：式中：Iαp，Iβp為基波的有功分量;Iαq，Iβq為基波的無(wú)功分量;∑ωk=2iαk，∑ωk=2iβ k為諧波分量.將式(13)中iα(t)，iβ(t)分別乘以電壓相位的同步值sinωt，cosωt，再將iα(t)sinωt，iβ(t)cosωt 相加，經(jīng)過(guò)低通濾波器之后可以得到α，β相基波電流的平均值：
G=(Iαp+Iβp). (14)
再將G分別與sinωt，cosωt相乘，即可得到α，β相電流的理想平衡值.此理想值不含有諧波分量和無(wú)功分量，并且有效值大小相同，將實(shí)際電流值與理想電流值相減，便可以得到所需補(bǔ)償?shù)碾娏髦礽*α(t)和i*β(t)：
i*α=iα(t)-(Iαp+Iβp)sin ωt，
i*β=iβ(t)-(Iαp+Iβp)cos ωt.(15)
3.2控制部分
根據(jù)圖1給出的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并運(yùn)用基于瞬時(shí)無(wú)功功率的檢測(cè)方法來(lái)進(jìn)行諧波、負(fù)序和無(wú)功電流的檢測(cè)，并采取動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快、魯棒性好的滯環(huán)控制進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)的控制.控制框圖如圖5所示.
4仿真驗(yàn)證
結(jié)合某一實(shí)際采用YN_接線平衡變壓器的牽引供電站的系統(tǒng)參數(shù)，本文利用Matlab/simulink仿真軟件搭建了該系統(tǒng)的仿真模型.兩相負(fù)載側(cè)輸出電壓等級(jí)為27.5 kV，三相負(fù)載側(cè)輸出電壓等級(jí)為10 kV，負(fù)載選用一組實(shí)測(cè)的負(fù)載數(shù)據(jù)，實(shí)測(cè)所選用的測(cè)量?jī)x器為日置3198電能質(zhì)量分析儀.
兩相負(fù)載分別選用重載機(jī)車(chē)和輕載機(jī)車(chē)，具體數(shù)據(jù)如表1所示.表2為系統(tǒng)仿真參數(shù).由表1可知，α相負(fù)載機(jī)車(chē)少，β相負(fù)載機(jī)車(chē)多，整個(gè)兩相負(fù)載功率相差大，主要用于模擬負(fù)序電流較為嚴(yán)重的工況.仿真模型在0.1 s時(shí)投入三相全橋功率調(diào)節(jié)器，并在0.6 s切除α相負(fù)載.以此來(lái)驗(yàn)證整個(gè)系統(tǒng)在定負(fù)荷及負(fù)載波動(dòng)條件下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能.
圖6為負(fù)載實(shí)測(cè)波形和仿真波形對(duì)比圖.圖6(a)的上圖為實(shí)測(cè)電壓波形，下圖為實(shí)測(cè)電流波形.圖6(b)和(c)分別為仿真的電壓和電流波形.由圖6可知，仿真波形與實(shí)測(cè)波形較為吻合.圖7為仿真波形對(duì)比圖. 圖7(a)給出了牽引變壓器一次側(cè)的電流波形，0.1 s前后的電流波形充分說(shuō)明了，采用三相全橋功率調(diào)節(jié)器前后，三相負(fù)載電流基本對(duì)稱(chēng)，一次電流畸變率由7.9%，3.0%，9.3%分別下降為 2.0%，1.9%，1.9%.圖7(b)給出了系統(tǒng)采用三相全橋功率調(diào)節(jié)器前后的電流不平衡情況，不平衡度ε由0.63下降為0.01，結(jié)果表明電流不平衡度得到有效改善.圖7(c)給出了一次側(cè)三相的功率因數(shù)λ，一次側(cè)A，B，C三相的功率因數(shù)分別0.97，0.89，0.43提升接近為1.圖 7(d)給出了系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中直流側(cè)電壓的變化情況，結(jié)果說(shuō)明該系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能.
5結(jié)論
本文針對(duì)基于YN_平衡變壓器的電氣化鐵道牽引變電站，提出了一種采用三相全橋功率調(diào)節(jié)器的電氣化鐵道電能質(zhì)量綜合治理系統(tǒng)，分析了該系統(tǒng)的構(gòu)成及綜合補(bǔ)償原理，詳細(xì)分析了電流檢測(cè)及控制算法，并結(jié)合某牽引變電站實(shí)測(cè)負(fù)荷數(shù)據(jù)，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)能有效抑制牽引變電站一次側(cè)的負(fù)序和諧波電流，提高其受電端功率因數(shù).
本系統(tǒng)充分挖掘了YN_平衡變壓器和三相全橋型功率調(diào)節(jié)器的潛能，利用YN_平衡變壓器二次側(cè)三相系統(tǒng)的對(duì)稱(chēng)性實(shí)現(xiàn)了三相全橋型變流器與主牽引變壓器的結(jié)合，并成功對(duì)牽引變電站的負(fù)序、諧波和無(wú)功進(jìn)行了綜合治理.由于該系統(tǒng)的三相全橋功率調(diào)節(jié)器的端電壓可以在設(shè)計(jì)變壓器的時(shí)候調(diào)節(jié)，而主變的阻抗匹配條件又較我國(guó)廣泛使用的阻抗匹配平衡變壓器[15]匹配條件更加具有靈活性，且在獲得更高的直流側(cè)電壓功利用率的前提下，功率器件的數(shù)量也較少，因此，該系統(tǒng)在獲得相同治理效果的條件將更具成本優(yōu)勢(shì)，運(yùn)行可靠性高，是一種具有較高綜合性能的電氣化鐵道負(fù)序與諧波綜合治理系統(tǒng)，工程應(yīng)用前景廣闊.
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