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　李平　胡斯佳　董欣曉　周冠東　陳躍輝

摘要：隨著交流電力機(jī)車的廣泛使用，牽引網(wǎng)負(fù)序和過分相問題日益突出，采用配置鐵路功率調(diào)節(jié)器（railwaypowerconditioner，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(jià)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(xì)描述了系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、補(bǔ)償原理，給出了關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)HRPC的容量進(jìn)行了系統(tǒng)分析。研究結(jié)果表明，在完成相同補(bǔ)償任務(wù)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(yàn)證。

關(guān)鍵詞：高速電氣化鐵道；負(fù)序；混合式補(bǔ)償；鐵路功率調(diào)節(jié)器

中圖分類號(hào)：TM401 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著我國高鐵技術(shù)的成熟，直流電力機(jī)車正逐步被交流電力機(jī)車所取代。由于交流機(jī)車整流級(jí)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(jī)車牽引能力（功率）和運(yùn)行速度大幅提高相伴隨是日益嚴(yán)峻的負(fù)序和牽引網(wǎng)過分相問題。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(duì)薄弱的地區(qū)，仍難以滿足相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)。

為了綜合解決上述問題，采用對(duì)稱補(bǔ)償技術(shù)的同相供電系統(tǒng)是一種可行的方案。當(dāng)補(bǔ)償系統(tǒng)為TCR或TSC時(shí)，雖能起到一定補(bǔ)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(yùn)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。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(bǔ)償效果的前提下，不會(huì)占用太多安裝空間（尤其在采用級(jí)聯(lián)模塊的集裝箱型系統(tǒng)時(shí)），具有較好的應(yīng)用前景。但較大的補(bǔ)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(yīng)用中得到了廣泛認(rèn)可，然而，該系統(tǒng)難以解決負(fù)序問題，尤其在采用單相供電系統(tǒng)的牽引網(wǎng)中?；诖耍疚奶岢隽艘环N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(shè)計(jì)耦合支路的參數(shù)和對(duì)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(bǔ)償系統(tǒng)的容量，對(duì)提高系統(tǒng)的性價(jià)比具有較大益處。

1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及補(bǔ)償原理

HRPC和RPC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，110kV（或220kV）電網(wǎng)電壓經(jīng)V/v牽引變降為27.5kV為機(jī)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(fù)荷電流滿足i_αL=-i_βL=i_L（圖1（a））；RPC采用T₁副邊電壓為機(jī)車供電（圖1（b）中端口ED），T₁，T₂二次側(cè)分離，故主變?chǔ)痢ⅵ孪嘭?fù)荷互相獨(dú)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(shè)計(jì)，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(gè)小功率背靠背單元并聯(lián)的方案時(shí)（工業(yè)應(yīng)用方案），主變與變流器之間應(yīng)加入隔離變壓器，以防止主變二次側(cè)因變流器開關(guān)動(dòng)作而短路。

HRPC的補(bǔ)償原理如圖2所示。該圖有三點(diǎn)需要注意：首先，牽引饋線的端口電壓既非V_α也非V_β，而是兩者之差V_ab。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V_ab=V_α=V_β27.5kV，故該種接線并未改變牽引饋線的電壓等級(jí)。其次，由于T₁，T₂二次側(cè)繞組串聯(lián)，所以圖2中有I_αL=-I_βL=I_L。此外，還需注意的是，圖2中直線Г₁//V_ab，故θ為負(fù)荷電流的功率因數(shù)角，由于交流機(jī)車功率因數(shù)接近于1，所以可近似認(rèn)為I_αL，I_βL與Г₁共線。顯然，為將I_αL，I_βL分別校正為I_α^*和I_β^*，補(bǔ)償電流I_CαH，I_CβH中無功分量占主要部分（即：I_CαHp<CαHq，I_CβHP<CβHq），特別地，當(dāng)負(fù)荷功率因數(shù)為1時(shí)，I_CαHp=I_CβHp=0（圖3），變流器只需補(bǔ)償無功功率；而傳統(tǒng)RPC除需補(bǔ)償兩相無功之外，還需必須補(bǔ)償0.5倍兩相有功之差（圖2中△L_p，具體可見文獻(xiàn)）。相同負(fù)荷電流I_L下，HRPC和RPC需補(bǔ)償?shù)挠泄﹄娏鳌鱅_p如圖3所示（圖中λ為負(fù)荷功率因數(shù)）。

由圖3可以看出，負(fù)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(bǔ)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(dān)（注：圖2顯示HRPC中α相補(bǔ)償感性無功，β相補(bǔ)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?qǐng)D1～2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）。從圖4可以觀察到，HRPC變流器的端口電壓V_CαH，V_CβH均低于饋線電壓，而傳統(tǒng)RPCα相變流器端口電壓V_Cα高于饋線電壓V_α（RPC_α相需補(bǔ)償容性無功）。

產(chǎn)生這一現(xiàn)象的物理本質(zhì)是，HRPC的α，β相需分別補(bǔ)償感性和容性無功，而設(shè)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(dān)部分補(bǔ)償任務(wù)。對(duì)于RPC，α，β相需分別補(bǔ)償容性和感性無功，其β相的L耦合支路能分擔(dān)部分補(bǔ)償任務(wù)（故V_Cββ），但α相的L耦合支路非但不能補(bǔ)償容性無功還要發(fā)出感性無功，變流器需首先抵消該支路的感性無功，才能發(fā)出系統(tǒng)所需要的容性無功，故V_CαH>Vo。

由圖4并結(jié)合圖1～2容易得到HRPC和RPC變流器端口電壓V_CαH，V_CβH，V_Cα，V_Cβ可分別表示為：

如圖5（a）所示，對(duì)于α相，RPC中V_Cα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(gè)最優(yōu)阻抗使V_CαH小于1（圖5中圓點(diǎn)），其在λ=0.95，λ=0.98時(shí)僅是V_α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(dāng)λ=0.95和0.98時(shí)，HRPC的最低變流器端口電壓僅分別為V_β的0.26和0.36倍，其值大幅低于RPC的變流器端口電壓。

綜上所述，通過精心設(shè)計(jì)HRPCLC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(huì)低于RPC，而系統(tǒng)的可靠性則相應(yīng)提高。耦合支路的具體設(shè)計(jì)方法及變流器容量分析將在下一節(jié)詳細(xì)論述。

3 HRPC參數(shù)設(shè)計(jì)及容量分析

3.1 參數(shù)設(shè)計(jì)

由于α，β相的設(shè)計(jì)類似，本文只對(duì)α相進(jìn)行討論。

當(dāng)λ∈[0.95，1]時(shí)，二者均隨λ增大而增大。

由式（3）～（5）可知，X_LαH與負(fù)載電流的幅值和功率因數(shù)有關(guān)，由于機(jī)車負(fù)載I_L具有波動(dòng)性，需綜合考慮I_Cα，φ_α的選擇。具體可通過圖6加以說明。

綜上所述，只要變流器端口電壓能滿足負(fù)載電流在最低功率因數(shù)BD段的波動(dòng)，則系統(tǒng)在其他功率因數(shù)和負(fù)載電流情況下均能滿足補(bǔ)償要求。故考慮負(fù)荷波動(dòng)情況下，式（3）應(yīng)進(jìn)一步修正為：

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，λ_min=0.95，I_Lmax=600A所繪制的）。從圖6可以看出，a相變流器端口電壓大于β相，由于a相和β相共用直流側(cè)電容，故直流側(cè)電壓V_dcH應(yīng)由端口電壓較高的a相變流器來決定，參照式（11）有：

當(dāng)RPC的單邊補(bǔ)償容量達(dá)5～17MW時(shí)，其耦合電感一般在15～25Ω間取值，若取17.27Ω，將其代入式（16）～（18）可得RPC的直流側(cè)電壓為1.75V_α。顯然HRPC直壓相比RPC降低了47。3%，變流器的容量大為降低。

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(shè)計(jì)容量S_HRPC，S_PRC分別為：

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

4 仿真分析

為了驗(yàn)證所提HRPC的正確性，參照?qǐng)D1，搭建了HRPC和RPC的仿真模型。T₁，T₂的變比為110kV/27.5kV，機(jī)車負(fù)荷的視在功率為16.5MVA（最大值），k=0.4，λ=0.95（最小值），RPC耦合支路阻抗設(shè)定為17.27Ω。HRPC和RPC的其他參數(shù)如表1所示。

圖10是機(jī)車負(fù)載功率為16.5MVA（最大值）功率因數(shù)為0.95（最小值）時(shí)，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(duì)應(yīng)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V_dcH，V_dc均穩(wěn)定在給定值26kV和48kV附近。HRPC和RPC在相同負(fù)荷條件下具有滿意的補(bǔ)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(yàn)證了本文所提參數(shù)設(shè)計(jì)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。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(shí)線為理論計(jì)算值，虛線為仿真測(cè)量值。由圖12可知，穩(wěn)定后HRPC變流系統(tǒng)的仿真測(cè)量容量為27.401MVA，理論計(jì)算值為27.311MVA；RPC的仿真測(cè)量容量為54.145MVA，理論計(jì)算值為54.149MVA。由此可見HRPC有源部分的容量?jī)H為RPC有源部分容量的50.6%，同時(shí)，理論計(jì)算值和仿真實(shí)測(cè)值曲線基本吻合（誤差小于5%），這進(jìn)一步驗(yàn)證了本文容量分析的正確性。

為了驗(yàn)證負(fù)荷變化時(shí)HRPC的動(dòng)態(tài)性能，選取輕載為6.6MVA（λ=0.95），重載為16.5MVA（λ=1）機(jī)車負(fù)荷進(jìn)行仿真。圖13顯示的是HRPC和RPC在0.4s負(fù)荷由輕載突變?yōu)橹剌d時(shí)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(duì)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(dòng)態(tài)性能。但仔細(xì)觀察會(huì)發(fā)現(xiàn)，暫態(tài)時(shí)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(fù)荷條件下HRPC具有比傳統(tǒng)RPC更平滑的動(dòng)態(tài)性能。

圖14為HRPC和RPC的直流側(cè)電壓減少18%，負(fù)荷在0.4s由9.9MVA（λ=0.95）變?yōu)?6.5MVA（λ=1）時(shí)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(bǔ)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(dāng)直流壓進(jìn)一步降低時(shí)，HRPC仍能獲得較好的補(bǔ)償能力，但此時(shí)的RPC卻已接近其補(bǔ)償能力的邊緣。這進(jìn)一步驗(yàn)證了HRPC在低直流電壓下的良好補(bǔ)償性能，同時(shí)，也驗(yàn)證了參數(shù)設(shè)計(jì)的合理性。

5 結(jié)論

針對(duì)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(bǔ)償支路的潛能，使得HRPC較傳統(tǒng)的RPC在治理負(fù)序時(shí)，具有更低的端口電壓和補(bǔ)償容量。文章系統(tǒng)分析了HRPC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和補(bǔ)償原理，給出了耦合支路關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，并與RPC在端口電壓和補(bǔ)償容量進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)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%。