周方圓，呂順凱，胡 前

?

基于Scott變壓器供電的新型電能質(zhì)量治理系統(tǒng)研究

周方圓，呂順凱，胡 前

針對(duì)Scott變壓器供電系統(tǒng)牽引功率大、功率因數(shù)低、諧波和負(fù)序電流含量高等問題，提出了一種新型電能質(zhì)量綜合治理系統(tǒng)，分析了該系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和工作原理，提出了適合該系統(tǒng)的負(fù)序和諧波檢測(cè)方法及補(bǔ)償策略，并仿真驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性和優(yōu)越性。

牽引供電系統(tǒng)；諧波；負(fù)序電流；無(wú)功功率；補(bǔ)償策略

0 引言

近年來我國(guó)電氣化鐵路發(fā)展迅速，對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展起到了舉足輕重的作用。然而由于電力機(jī)車為大功率單相負(fù)荷，具有非線性、不對(duì)稱性和波動(dòng)性等特點(diǎn)，運(yùn)行過程中產(chǎn)生的大量負(fù)序、無(wú)功和諧波電流注入電網(wǎng)，使電網(wǎng)出現(xiàn)電壓波動(dòng)畸變、三相不平衡、功率因數(shù)低等問題[1]，對(duì)電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行造成嚴(yán)重影響。

為減小電氣化鐵路對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，目前國(guó)內(nèi)外采用了多種方式解決該問題，如國(guó)內(nèi)電氣化鐵路應(yīng)用最為廣泛的靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置（Static Var Compensator，SVC），它不僅可以補(bǔ)償無(wú)功功率還可以補(bǔ)償負(fù)序電流，但由于不能實(shí)現(xiàn)兩供電臂之間的有功轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致負(fù)序補(bǔ)償效果不理想；有源電力濾波器（APF）只能對(duì)電氣化鐵路的諧波進(jìn)行抑制，不能有效補(bǔ)償負(fù)序電流；鐵路功率調(diào)節(jié)器（Railway Static Power Conditioner，RPC）能夠?qū)﹄姎饣F路的負(fù)序、諧波和無(wú)功進(jìn)行綜合補(bǔ)償，受到廣泛關(guān)注，但由于成本高，推廣應(yīng)用受到限制[2]。

本文針對(duì)基于Scott變壓器的牽引供電系統(tǒng)，提出一種新型電能質(zhì)量治理系統(tǒng)和相應(yīng)補(bǔ)償策略。該系統(tǒng)可以達(dá)到理想的負(fù)序、無(wú)功和諧波綜合治理效果，有效減小RPC的容量，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

1 新型治理系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

基于Scott變壓器牽引供電的新型電能質(zhì)量治理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該系統(tǒng)由鐵路功率調(diào)節(jié)器（RPC）和晶閘管控制3次濾波器（Thyristor Controlled 3thFilter，TCF）構(gòu)成。

圖1 新型治理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

RPC由多個(gè)共用直流側(cè)電容形成背靠背結(jié)構(gòu)形式的兩變流器并聯(lián)構(gòu)成，兩變流器的交流輸出端均通過連接電抗器和單相多繞組變壓器連接至兩供電座[3]。2個(gè)單相多繞組變壓器副邊的一個(gè)繞組分別安裝了多組TCF支路，TCF與RPC并聯(lián)連接。針對(duì)機(jī)車負(fù)載的諧波特性，TCF支路設(shè)置為3次濾波器，目的在于提供容性無(wú)功的同時(shí)濾除機(jī)車產(chǎn)生的3次諧波電流，并由晶閘管電子開關(guān)控制其投切，具有無(wú)沖擊且本身不產(chǎn)生諧波等優(yōu)點(diǎn)。RPC只需負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)Scott牽引變壓器M座和T座之間的有功功率，從而有效降低了有源裝置RPC的容量。

2 工作原理

2.1 負(fù)序和無(wú)功的產(chǎn)生

如圖1所示，設(shè)系統(tǒng)標(biāo)稱電壓為110 kV，Scott牽引變壓器次邊M座和T座的額定電壓為55 kV，以原邊A相電壓為參考，則原、次邊的電壓相量如圖2所示。

圖2 原、次邊電壓相量

M座電壓為

T座電壓為

令=j120°，M和T分別為M座和T座的功率因數(shù)角，則Scott變壓器產(chǎn)生的負(fù)序電流為

由式（6）可知，當(dāng)T座和M座的電流有效值和功率因數(shù)角相等時(shí)，可消除負(fù)序電流。但是由于調(diào)度和地勢(shì)等各種因素制約，該情況幾乎不可能出現(xiàn)，因此負(fù)序電流總會(huì)存在[4]。

另外，Scott變壓器主要應(yīng)用于大容量供電的重載鐵路（如神朔鐵路和大秦鐵路等），目前仍以直流機(jī)車為主，因此無(wú)功功率較大。

2.2 工作原理

圖3 負(fù)序補(bǔ)償原理

圖3為負(fù)序補(bǔ)償原理圖，要實(shí)現(xiàn)上述補(bǔ)償，補(bǔ)償裝置需完成以下步驟：

（1）平衡2座有功功率。假設(shè)T座為重載座，M座為輕載座，則新型治理系統(tǒng)中的RPC將M座和T座負(fù)載的有功電流差值的一半從重載T座轉(zhuǎn)移到輕載M座，其值為

（2）無(wú)功功率補(bǔ)償。新型治理系統(tǒng)中的TCF根據(jù)各自供電臂機(jī)車感性無(wú)功功率電流的大小，通過投入幾組濾波支路提供相應(yīng)的容性無(wú)功電流，從而補(bǔ)償機(jī)車產(chǎn)生的感性無(wú)功電流。

M座需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功電流為fMsinM，T座需要補(bǔ)償?shù)臒o(wú)功電流為fTsinT。

可見，該新型治理系統(tǒng)RPC裝置只需負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)移有功功率，無(wú)功功率補(bǔ)償和諧波濾除則由TCF完成，因此大大降低了RPC的容量，同時(shí)也達(dá)到了負(fù)序、無(wú)功和諧波綜合治理的效果。

3 補(bǔ)償策略

基于上述補(bǔ)償原理，進(jìn)行新型補(bǔ)償系統(tǒng)的補(bǔ)償策略設(shè)計(jì)，主要對(duì)補(bǔ)償容量和補(bǔ)償策略進(jìn)行分析。

3.1 補(bǔ)償容量確定

3.1.1 RPC補(bǔ)償容量

考慮到國(guó)標(biāo)對(duì)電力系統(tǒng)各用戶引起正常電壓不平衡度有一最大允許值，在最嚴(yán)重情況時(shí)設(shè)RPC的最大轉(zhuǎn)移電流為pmax，此時(shí)T座無(wú)功電流按全部被TCF補(bǔ)償考慮，以A相電壓為參考，則原邊三相電流分別為

定義I為三相不平衡度，其值為三相負(fù)序電流與正序電流之比[5]。

按照I=的情況考慮得出pmax，從而確定RPC的容量。RPC由組變流器構(gòu)成，每組變流器的最大輸出電流為pmax/。

3.1.2 TCF容量確定

設(shè)置TCF部分的最大無(wú)功補(bǔ)償電流sM與機(jī)車負(fù)載的最大無(wú)功電流相等，即sM=qmax。TCF的支路數(shù)量由最大無(wú)功電流和單條支路最大允許電流確定，通常設(shè)置3～4條支路[6]。

3.2 補(bǔ)償策略

采用瞬時(shí)鑒相檢測(cè)法[7]，分別求出M座和T座負(fù)載電流的有功分量、無(wú)功分量的幅值，然后對(duì)RPC和TCF分別采取不同的補(bǔ)償策略。

3.2.1 RPC的補(bǔ)償策略

RPC由多組背靠背的變流器組成，每組變流器由2個(gè)獨(dú)立的單相變流器構(gòu)成，每個(gè)變流器均采用獨(dú)立控制，單個(gè)變流器的控制框圖如圖4所示[8]。

圖4 變流器控制框圖

3.2.2 TCF的補(bǔ)償策略

TCF根據(jù)各座的無(wú)功電流大小進(jìn)行投切，由于TCF為有級(jí)補(bǔ)償，因此在不同情況下將投入不同的支路數(shù)。本文按4條支路考慮，各支路容量按1∶2∶4∶4分配，則負(fù)載無(wú)功電流在不同情況下的投切支路如表1所示。

表1 不同負(fù)載無(wú)功電流時(shí)投切的支路

注：①表示該TCF支路為投入狀態(tài)。

4 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文所提出的新型治理系統(tǒng)在容量設(shè)計(jì)方法、有功和無(wú)功電流檢測(cè)及補(bǔ)償策略方面的有效性，利用Matlab進(jìn)行仿真。

建立與圖1相對(duì)應(yīng)的新型治理系統(tǒng)的仿真模型，RPC結(jié)構(gòu)為4組背靠背變流器并聯(lián)，每組背靠背變流器參數(shù)均相等。單相降壓變壓器副邊為5個(gè)繞組，分別接TCF和4組背靠背結(jié)構(gòu)交流輸出端，系統(tǒng)仿真參數(shù)如表2所示。

M座和T座功率不相等時(shí)仿真效果接近，本文按一種情況考慮。設(shè)M座的視在功率為 38.4 MV·A，功率因數(shù)角M為35°，T座的視在功率為12.8 MV·A，功率因數(shù)角T為32°。采用新型治理系統(tǒng)進(jìn)行治理，治理前后系統(tǒng)的三相電流如圖5所示，仿真圖中縱坐標(biāo)電流單位為A。

表2 系統(tǒng)仿真參數(shù)

圖5 治理前后系統(tǒng)三相電流

對(duì)諧波治理效果進(jìn)行仿真分析，治理前后系統(tǒng)諧波頻譜如圖6所示。

圖6 治理前后系統(tǒng)諧波電流頻譜

仿真結(jié)果表明，治理前三相電流幅值互不相等，測(cè)得電流不平衡度為12.8%，并且含有大量諧波。從圖5（b）可以看到，經(jīng)TCF+RPC治理后，三相電流趨于平衡，電流不平衡度降為0.28 %，負(fù)序治理效果顯著。從圖6可以看到，治理后系統(tǒng)低次諧波含量明顯減小，測(cè)得M座供電臂電流畸變率從13.15%降至3.6%。另仿真測(cè)得系統(tǒng)功率因數(shù)角≈16°，功率因數(shù)達(dá)0.96，表明該新型電能質(zhì)量治理系統(tǒng)具有很好的負(fù)序、無(wú)功補(bǔ)償和諧波抑制能力。

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)Scott變壓器牽引供電系統(tǒng)，提出了一種基于有源裝置RPC和無(wú)源裝置TCF相結(jié)合的新型電能質(zhì)量治理系統(tǒng)，并采取適合該系統(tǒng)的補(bǔ)償策略。通過仿真驗(yàn)證，該新型電能質(zhì)量治理系統(tǒng)能夠達(dá)到良好的治理效果，通過無(wú)源裝置TCF有效降低有源裝置RPC的容量，降低了系統(tǒng)的成本，特別適用于大容量Scott變壓器供電系統(tǒng)負(fù)序、諧波和無(wú)功的綜合治理。

[1] 李群湛. 牽引變電所供電分析及綜合補(bǔ)償技術(shù)[M]. 北京：中國(guó)鐵道出版社，2006.

[2] 馬伏軍，羅安，吳傳平，等. V/V牽引供電系統(tǒng)中鐵路功率調(diào)節(jié)器的控制方法研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2011，31（13）：63-70.

[3] V.B.Bhavaraju, P.N.Enjeti, Analysis and Design of an Active Power Filter for Balancing Unbalanced Loads[J]. IEEE Transaction on Power Electronics, vol 8, No.4, Oct, 1993, 640-647.

[4] 王衛(wèi)安，桂衛(wèi)華，張定華，等. 基于大容量SVC的SCOTT變壓器電能質(zhì)量治理方案及應(yīng)用[J]. 鐵道學(xué)報(bào)，2011，33（1）：31-38.

[5] T.A.Kneschke, Control of Utility System Unbalance Caused by Single-phase Electric Traction[J]. IEEE Transactions on Industry Application, Vol IA-21, No 6, November, 1985, pp:1559-1569.

[6] 萬(wàn)慶祝. 牽引供電系統(tǒng)負(fù)序問題研究[D]. 清華大學(xué)，2008.

[7] 徐敏，吳越濤，趙劍鋒. 基于鑒相原理的新型單相電路諧波檢測(cè)方法[J].電工電氣，2009（1）：50-52.

[8] 周春曉，高云峰，沈斐，等. 兩相型SVG在電鐵電能質(zhì)量治理中的應(yīng)用研究[J]. 電氣化鐵道，2008（1）：6-9.

[9] 趙成勇，李庚銀，李海生，等. 電力牽引系統(tǒng)的預(yù)測(cè)型諧波電流檢測(cè)方法研究[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2001，16（1）：85-88.

[10] 張志文. 星形-雙梯形接線三相變四相或三相變兩相平衡變壓器原理研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2007，27（3）：78-82.

With regards to the issues of high traction power, low power factors, high content of harmonics and negative sequence current resulted from the Scott transformer based power supply system, the paper puts forward a new type comprehensive power energy control system, analyzes the topological structure and working principles of the system, proposes the inspection methods for negative sequence current and harmonics as well as the compensation strategies of the system. The simulation verifies the effectiveness and advantages of the system.

Tractivepowersupplysystem; harmonic; negative sequence current; reactive power; compensation strategy

U226.8+1

A

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.01.003

1007-936X(2018)01-0009-05

2017-07-02

周方圓.株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，高級(jí)工程師；

呂順凱，胡 前.株洲中車時(shí)代電氣股份有限公司，工程師。

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目：高性能牽引供電系統(tǒng)技術(shù)（2017YFB1200800）。