許加柱,李　平，胡斯佳，董欣曉，周冠東，陳躍輝

(1.湖南大學 國家電能變換與控制工程技術(shù)中心，湖南 長沙　410082；2.湖南省電力公司，湖南 長沙　410007)

?

一種適用于高速電氣化鐵路的混合型功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)及其容量分析*

許加柱1?,李平1，胡斯佳1，董欣曉1，周冠東2，陳躍輝2

(1.湖南大學 國家電能變換與控制工程技術(shù)中心，湖南 長沙410082；2.湖南省電力公司，湖南 長沙410007)

摘要：隨著交流電力機車的廣泛使用，牽引網(wǎng)負序和過分相問題日益突出，采用配置鐵路功率調(diào)節(jié)器(railway power conditioner，RPC)的同相供電系統(tǒng)是一種可行方案.為了提高該方案中功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的性價比，本文提出了一種適用于同相供電系統(tǒng)的新型混合鐵路功率調(diào)節(jié)器(hybrid RPC，HRPC).與傳統(tǒng)RPC相比，該系統(tǒng)變流器的端口電壓更低，從而大幅降低了有源部分的容量.文章詳細描述了系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)、補償原理，給出了關(guān)鍵參數(shù)的設計方法，并對HRPC的容量進行了系統(tǒng)分析.研究結(jié)果表明，在完成相同補償任務的前提下，所提HRPC變流系統(tǒng)的容量將比傳統(tǒng)RPC降低46%～50%.所得結(jié)論通過仿真得到了驗證.

關(guān)鍵詞：高速電氣化鐵道;負序;混合式補償;鐵路功率調(diào)節(jié)器

隨著我國高鐵技術(shù)的成熟，直流電力機車正逐步被交流電力機車所取代.由于交流機車整流級普遍采用PWM調(diào)制技術(shù)，網(wǎng)側(cè)功率因素一般較高(接近1)；然而與機車牽引能力(功率)和運行速度大幅提高相伴隨是日益嚴峻的負序和牽引網(wǎng)過分相問題[1-3].采用相序輪換可使上述矛盾得到一定緩解，但在電網(wǎng)相對薄弱的地區(qū)，仍難以滿足相關(guān)國家標準[4-5].

為了綜合解決上述問題,采用對稱補償技術(shù)的同相供電系統(tǒng)是一種可行的方案[5-6].當補償系統(tǒng)為TCR或TSC時，雖能起到一定補償作用，但該方案易與電網(wǎng)發(fā)生諧振，且TCR需要額外濾波裝置才能投入運行，更為重要的是該系統(tǒng)體積龐大、集成度低，不利于在面積極為有限的牽引供電所中大規(guī)模安裝[7-8].與此相比， RPC具有更高的控制靈活性和系統(tǒng)集成度，在獲得較好補償效果的前提下，不會占用太多安裝空間(尤其在采用級聯(lián)模塊的集裝箱型系統(tǒng)時)，具有較好的應用前景[9-12].但較大的補償容量限制了它的大范圍推廣.

為了降低有源部分的容量，混合有源濾波器已在常規(guī)三相電力系統(tǒng)的工業(yè)應用中得到了廣泛認可[13-15]，然而，該系統(tǒng)難以解決負序問題，尤其在采用單相供電系統(tǒng)的牽引網(wǎng)中[16-18].基于此，本文提出了一種適用于同相供電系統(tǒng)的新型混合RPC(即：HRPC).與傳統(tǒng)RPC相比，HRPC通過精心設計耦合支路的參數(shù)和對主變輸出端口的選擇，其有源部分的端口電壓(或直流側(cè)電壓)將大幅降低，從而有效降低了補償系統(tǒng)的容量，對提高系統(tǒng)的性價比具有較大益處.

1拓撲結(jié)構(gòu)及補償原理

HRPC和RPC的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，110 kV(或220 kV)電網(wǎng)電壓經(jīng)V/v牽引變降為27.5 kV為機車供電.

二者最顯著的區(qū)別主要表現(xiàn)在：

1) HRPC為牽引饋線供電的電壓為V/v變壓器兩副邊繞組端口電壓之和(即圖1(a)中的FH端口)，且主變二次側(cè)DE相連，這使得α,β相負荷電流滿足iαL=-iβL=iL(圖1(a))；RPC采用T1副邊電壓為機車供電(圖1(b)中端口ED)，T1,T2二次側(cè)分離，故主變α、β相負荷互相獨立.

2) HRPC的β相采用LC耦合支路與變流器相連； RPC則為L耦合支路(注：HRPC中α,β相的耦合支路均需通過精心設計，具體見后文).

另外，在圖1中還需說明的是，若變流器采用多個小功率背靠背單元并聯(lián)的方案時(工業(yè)應用方案)，主變與變流器之間應加入隔離變壓器，以防止主變二次側(cè)因變流器開關(guān)動作而短路.

(a) HRPC

(b) RPC

HRPC的補償原理如圖2所示.該圖有三點需要注意：首先，牽引饋線的端口電壓既非Vα也非Vβ，而是兩者之差Vab.由于V/v變壓器二次側(cè)端口電壓相位差為60°，所以由圖2可知Vab=Vα=Vβ=27.5 kV，故該種接線并未改變牽引饋線的電壓等級.其次，由于T1,T2二次側(cè)繞組串聯(lián)，所以圖2中有IαL=-IβL=IL.此外，還需注意的是，圖2中直線Γ1//Vab，故θ為負荷電流的功率因數(shù)角，由于交流機車功率因數(shù)接近于1，所以可近似認為IαL,IβL與Γ1共線.顯然，為將IαL,IβL分別校正為Iα*和Iβ*，補償電流IcαH,IcβH中無功分量占主要部分(即：IcαHp<

圖2　HRPC的補償原理

λ

由圖3可以看出，負荷功率因數(shù)越高，HRPC轉(zhuǎn)移的有功電流越小，故無功電流占補償電流的比例隨λ的增大不斷增大，這些無功中的大部可由L或LC耦合支路承擔(注：圖2顯示HRPC中α相補償感性無功，β相補償容性無功)，這是HRPC有源部分的容量能大幅低于傳統(tǒng)RPC的主要原因.

2端口電壓特性分析

參照圖1～2可得HRPC和RPC的端口電壓相量圖如圖4所示(RPC的端口電壓相量圖可參閱[3,19-20]).從圖4可以觀察到，HRPC變流器的端口電壓VcαH，VcβH均低于饋線電壓，而傳統(tǒng)RPCα相變流器端口電壓Vcα高于饋線電壓Vα(RPCα相需補償容性無功).

(a) HRPC

(b) RPC

產(chǎn)生這一現(xiàn)象的物理本質(zhì)是，HRPC的α，β相需分別補償感性和容性無功，而設置在α，β相的L耦合支路和LC耦合支路(基波下呈容性)能代替變流器分擔部分補償任務.對于RPC，α，β相需分別補償容性和感性無功[3，20]，其β相的L耦合支路能分擔部分補償任務(故VcβVα.

由圖4并結(jié)合圖1～2容易得到HRPC和RPC變流器端口電壓VcαH，VcβH,Vcα,Vcβ可分別表示為：

(1)

(2)

其中，下標“p”，“q”分別表示各變量的有功、無功分量.

以VB=VN=Vα=Vβ，IB=IL為基值，將式(1)～(2)化成標幺值，可得HRPC和RPC變流器端口電壓(Vcα(H)-pu,Vcβ(H)-pu)與耦合支路電抗(XLα(H)-pu,XL(C)β(H)-pu)的關(guān)系如圖5所示(下標“pu”表示標幺值).

如圖5(a)所示，對于α相，RPC中Vcα隨耦合支路電抗線性增大，且其值大于1；而HRPC在不同功率因數(shù)下均存在一個最優(yōu)阻抗使VcαH小于1(圖5中圓點)，其在λ=0.95,λ=0.98時僅是Vα的0.57和0.35倍 .圖5(b)顯示HRPC和RPC的β相在不同功率因數(shù)下均存在最優(yōu)耦合電抗使β相變流器端口電壓最低，但當λ=0.95和0.98時，HRPC的最低變流器端口電壓僅分別為Vβ的0.26和0.36倍，其值大幅低于RPC的變流器端口電壓.

XLα(H)-pu

XL(C)β(H)-pu

綜上所述，通過精心設計HRPC LC和L耦合支路的電抗，可使其變流器兩相端口電壓(或直流側(cè)電壓)大幅低于RPC，這樣變流器的開關(guān)損耗、輸出電流質(zhì)量、及容量(或成本)都會低于RPC，而系統(tǒng)的可靠性則相應提高[13].耦合支路的具體設計方法及變流器容量分析將在下一節(jié)詳細論述.

3HRPC參數(shù)設計及容量分析

3.1參數(shù)設計

由于α，β相的設計類似，本文只對α相進行討論.

由圖4(a)可知，當VcαH⊥VLαH(或VcαH//IcαH)時VcαH達到其最小值.此時L耦合支路電抗XLαH須滿足如下條件：

(3)

其中：

(4)

(5)

當λ∈[0.95,1]時，二者均隨λ增大而增大.

由式(3)～(5)可知，XLαH與負載電流的幅值和功率因數(shù)有關(guān)，由于機車負載IL具有波動性，需綜合考慮Icα，φα的選擇.具體可通過圖6加以說明.

圖6為負載電流幅值和功率因素變化時，端口電壓的動態(tài)相量圖，其中IcαH1,IcαH2,IcαH3為λ=λmin時α相的補償電流，IcαH4,IcαH5為λ>λmin時α相的補償電流.與上述補償電流相對應的負載電流滿足：IL4=IL1

圖6　負荷變化時α相變流器端口電壓相量圖

情形1λ不變(但小于1)，IL變化.

此時IcαH1，IcαH2，IcαH3所對應之φα均為φαmin(圖6)，且它們滿足：IcαH1VLαH2>VLαH3，且VcαH1>VcαH2，VcαH3>VcαH2.顯然，該情形下變流器端口電壓最大值VcαHmax需由VcαH1，VcαH3確定.

情形2IL不變，λ>λmin.

由圖6可知φαmin變至φα，系統(tǒng)輕載時，該工況下的補償電流為IcαH4，由式(5)知，此時IcαH4>IcαH1(IcαH1為情形1中的輕載補償電流).當IcαH1→IcαH4時，VcαH1>VcαH4(即圖6中AE>AB)；系統(tǒng)重載時，該工況下的補償電流為IcαH5，同理，IcαH5>IcαH2.

由圖6知：

(6)

(7)

其中：k=ILmax/ILmin.

令：

k∈[0,1].

(8)

f(λ,k)的三維圖像如圖7所示.由圖7可知，當λ∈[0.95,1]，k∈[0,1]時，f(λ,k)≤0恒成立，即|AD|/|AF|≤ε(λmin)/ε(λ)，所以|AG|<|AF|，故點G落在以端口電壓VcαHmax為半徑的圓O內(nèi)，即VcαH5

綜上所述，只要變流器端口電壓能滿足負載電流在最低功率因數(shù)BD段的波動，則系統(tǒng)在其他功率因數(shù)和負載電流情況下均能滿足補償要求.故考慮負荷波動情況下，式(3)應進一步修正為：

(9)

其中：

(10)

它為當λ=λmin時，α相變流器最低端口電壓對應的補償電流.

按此設計，α相變流器端口電壓將會在|OC|～|OD|之間變化，即：

(11)

圖7　f(λ,k)曲面

按照α相參數(shù)的設計方法，同理可得β相耦合支路阻抗為：

(12)

其中，φβmin為IcβH與Vβ之間的夾角，ε'min為β相最小的補償因子，它們滿足：

(13)

(14)

式(12)中電感和電容可通過圖8靈活選擇(注：圖8是以k=0.4，λmin=0.95，ILmax=600 A所繪制的).從圖6可以看出，α相變流器端口電壓大于β相，由于α相和β相共用直流側(cè)電容，故直流側(cè)電壓VdcH應由端口電壓較高的α相變流器來決定，參照式(11)有：

(15)

取λmin=0.95，k=0.4(k一般在0.3～0.5之間變化[10])，由式(15)可得VdcH=0.94Vα.

對于RPC，由式(2)易得其直流側(cè)電壓為：

(16)

其中：

(17)

φαmax=

(18)

當RPC的單邊補償容量達5～17 MW時，其耦合電感一般在15～25 Ω 間取值[21]，若取17.27 Ω，將其代入式(16)～(18)可得RPC的直流側(cè)電壓為1.75Vα.顯然HRPC直壓相比RPC降低了47.3%，變流器的容量大為降低.

CβH/μF

3.2容量分析

由式(3)～(18)并結(jié)合圖2和圖4可得HRPC和RPC變流器的設計容量SHRPC，SRPC分別為：

(19)

(20)

取λmin=0.95，k=0.4，IB=ILmax，VB=Vα可得HRPC和RPC容量標幺值SHRPC-pu,SRPC-pu與λ的關(guān)系如圖9 所示.

從圖9可以看出，HRPC的變流器設計容量大幅低于RPC.具體而言，當λ=0.95時，HRPC的容量為RPC容量的50.7%；當λ=0.99時，HRPC容量為RPC的51.2%，λ=1時，HRPC的容量較RPC也降低了46.4%.故HRPC的節(jié)容效果明顯.

λ

4仿真分析

為了驗證所提HRPC的正確性，參照圖1，搭建了HRPC和RPC的仿真模型.T1,T2的變比為110 kV/27.5 kV，機車負荷的視在功率為16.5 MVA(最大值)，k=0.4，λ=0.95(最小值)，RPC耦合支路阻抗設定為17.27 Ω.HRPC和RPC的其他參數(shù)如表1所示.

表1　仿真參數(shù)

圖10是機車負載功率為16.5 MVA(最大值)功率因數(shù)為0.95(最小值)時，HRPC和RPC投入前后網(wǎng)側(cè)三相電流、主變二次側(cè)電流和直流側(cè)電壓波形圖.圖11為與之對應的網(wǎng)側(cè)電流不平衡度和功率因數(shù)曲線.從圖10～11可以看出，投入HRPC和RPC后，電流不平衡度均由100%降到了1%以下，三相功率因數(shù)接近1，電能質(zhì)量均得到了明顯的提高，直流側(cè)電壓VdcH，Vdc均穩(wěn)定在給定值26 kV和48 kV附近. HRPC和RPC在相同負荷條件下具有滿意的補償效果.另外，從圖11可知，穩(wěn)定后HRPC直流側(cè)電壓僅為RPC的54%，這與理論分析值基本吻合，也驗證了本文所提參數(shù)設計方法的正確性.另外，直流側(cè)電壓的降低減少了有源部分的容量，有利于降低系統(tǒng)成本.

t/s

t/s

t/s

t/s

圖12是在上述條件下，HRPC和RPC變流系統(tǒng)的容量曲線，其中實線為理論計算值，虛線為仿真測量值.由圖12可知，穩(wěn)定后HRPC變流系統(tǒng)的仿真測量容量為27.401 MVA，理論計算值為27.311 MVA；RPC的仿真測量容量為54.145 MVA，理論計算值為54.149 MVA.由此可見HRPC有源部分的容量僅為RPC有源部分容量的50.6%，同時，理論計算值和仿真實測值曲線基本吻合(誤差小于5%)，這進一步驗證了本文容量分析的正確性.

t/s

為了驗證負荷變化時HRPC的動態(tài)性能，選取輕載為6.6 MVA(λ=0.95)，重載為16.5 MVA(λ=1)機車負荷進行仿真.圖13顯示的是HRPC和RPC在0.4 s負荷由輕載突變?yōu)橹剌d時網(wǎng)側(cè)三相電流與直流側(cè)電壓的波形.網(wǎng)側(cè)電流經(jīng)短暫暫態(tài)過程又回到了三相對稱，過渡過程較為平滑，直流側(cè)電壓經(jīng)短暫的降落后重新回到給定值，這說明HRPC和RPC具有較好的動態(tài)性能.但仔細觀察會發(fā)現(xiàn)，暫態(tài)時HRPC直流壓的跌落百分比約為0.4%，而RPC卻有1%，這說明相同負荷條件下HRPC具有比傳統(tǒng)RPC更平滑的動態(tài)性能.

t/s

t/s

圖14為HRPC和RPC的直流側(cè)電壓減少18%，負荷在0.4s由9.9 MVA(λ=0.95)變?yōu)?6.5 MVA(λ=1)時的網(wǎng)側(cè)三相電流波形.從圖14中可以看出，HRPC在中、重載工況下，補償性能依然保持良好，而RPC電流已經(jīng)表現(xiàn)出了一定畸變.這說明當直流壓進一步降低時，HRPC仍能獲得較好的補償能力，但此時的RPC卻已接近其補償能力的邊緣.這進一步驗證了HRPC在低直流電壓下的良好補償性能，同時，也驗證了參數(shù)設計的合理性.

t/s

5結(jié)論

針對高速電氣化鐵路，本文提出了一種新型混合型功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)，該系統(tǒng)充分挖掘了V/v牽引主變和混合型補償支路的潛能，使得HRPC較傳統(tǒng)的RPC在治理負序時，具有更低的端口電壓和補償容量.文章系統(tǒng)分析了HRPC的拓撲結(jié)構(gòu)和補償原理，給出了耦合支路關(guān)鍵參數(shù)的設計方法，并與RPC在端口電壓和補償容量進行了詳細的對比分析.分析表明，在高速電氣化鐵路中，HRPC有源部分的容量比RPC降低了46%～50%.

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A Hybrid Power Conditioner for High-speed Electric Railway and Its Power Capacity Analysis

XU Jia-zhu1?，LI Ping1,HU Si-jia1,DONG Xin-xiao1,ZHOU Guan-dong2,CHEN Yue-hui2

(1.National Electric Power Conversion and Control Engineering Technology Research Center,Hunan Univ,Changsha,Hunan410082,China;2.Hunan Electric Power Company, Changsha, Hunan410007,China)

Abstract:With wide application of AC drive electric locomotives in railway networks, the negative sequence current and neutral section increase significantly, and the co-phase power supply system with Railway Power Conditioner (RPC) is an effective solution. In order to increase its cost performance, a new Hybrid Railway Power Conditioner(HRPC) for co-phase was proposed. Compared with the traditional RPC, HRPC is much lower than RPC in operation voltage, so its capacity of active part decreases significantly. This paper analyzed its topology, compensation principle and operation voltage of its active part. The design of its key parameter was given. The results prove that HRPC is lower by 46%～50% than that of RPC in completing similar compensational tasks through simulation.

Key words:high-speed electric railway; negative sequence;hybrid compensation;railway power conditioner

中圖分類號：TM401

文獻標識碼：A

作者簡介：許加柱(1980-)，男,湖南長沙人,湖南大學副教授,博士?通訊聯(lián)系人，E-mail:xujiazhu@126.com

收稿日期：2015-01-29基金項目：國家自然科學基金資助項目(51477046,51477044),National Natural Science Foundation of China(51477046,51477044)

文章編號：1674-2974(2016)04-0089-09