高速铁路V型接线牵引变压器混合补偿式同相供电方案

高速铁路V型接线牵引变压器混合补偿式同相供电方案
夏焰坤;周福林;陈民武
【摘要】In order to solve the negative phase sequence problem of V connection transformer in the high-speed electrical railway of China,a hybrid compensative co-phase traction power supply scheme is proposed based on passive and active compensation.First,its construction and theory are analyzed,and the compensation current of active equipment is given.Second,the feature of the hybrid compensation scheme and methods of current detection are discussed.In the end,the related MATLAB simulation results and measured data verify the effectiveness of the compensation scheme proposed in this paper.%为解决我国高速电气化铁路采用的V型接线牵引变压器供电方式存在的负序问题,提出了一种无源和有源混合补偿式同相供电方案.首先,文中分析了V型接线牵引变压器有源补偿结构、原理和混合式补偿结构,给出了混合补偿时有源装置的补偿电流表达式.其次,分析了混合式补偿方案的特点和电流检测方法.最后,采用MATLAB仿真软件和变电所实测数据,对混合补偿效果进行了分析,结果表明了采用混合补偿式同相供电方案的有效性.【期刊名称】《电力系统及其自动化学报》
【年(卷),期】2017(029)004
【总页数】6页(P89-94)
【关键词】牵引变压器;混合式补偿;负序;同相供电;铁路
【作者】夏焰坤;周福林;陈民武
【作者单位】西华大学电气与电子信息学院,成都610039;西南交通大学电气工程
学院,成都610031;西南交通大学电气工程学院,成都610031
【正文语种】中文
【中图分类】TM713
我国电气化铁路采用单相交流供电方式，该方式是一种不对称供电方式，存在负序问题，而负序会对发电机、继电保护装置等带来一系列危害。

为了减小负序，我国高速电气化铁路主要采用V型接线牵引变压器，变压器次边
两个单相电源轮流向机车负载供电，俗称换相式供电。

V型接线变压器结构简单、制造成本低，但最多只能减少负载引起的一半负序电流。

未来，随着大功率电力机车功率的增大和线路运能的增加，高速电气化铁路引起的负序问题将会进一步恶化。

因此研究一种适用电气化铁路的三相—单相对称供电系统（又称同相供电系统）
来消除负序问题，对提升高速重载电气化铁路事业的发展具有重要的意义。

文献[1-2]较早地提出了基于无源对称补偿的同相供电方案；文献[3-7]提出了基于有源补偿的同相供电方案。

前者改造成本低，但动态性能差，难以实时跟随负荷变化而进行调节；后者实时性好，但成本高。

结合二者特点，文献[8-12]提出了无源和有源混合式综合补偿方案，并分析了其补偿特点、容量配置等问题，但并未取消变压器次边的换相环节，仍然是分相式供电。

文献[13]提出了基于平衡变压器的混合式补偿方案，但主要针对我国既有线路上的普速电气化铁路，不适合我国的高速电气化铁路V型接线牵引变压器。

文献[14-15]分别探讨了基于V/v接线的有源同相和换相式供电方案补偿容量及优化问题。

文献[16]研究了V型接线牵引变压器
在换相和同相供电两种模式下有源补偿结构和原理。

本文在上述研究的基础上，提出了一种结合无源补偿和有源补偿优点的V型接线
变压器的混合式补偿方案，采用无源补偿来分担部分补偿功率，从而来减小有源补
偿装置容量，最后进行了相关仿真分析和实测数据效果分析。

有源功率补偿是在现代电力变流器能够传递有功功率、补偿无功功率等基础上发展起来。

基于单相功率补偿装置的V型接线同相供电方案结构如图1所示，两组单相潮流控制器PFC（power flow controller）共用中间直流电压，交流侧分别接端口a和端口b。

不考虑高速铁路交直交型机车负载谐波含量，功率因数假定为1。

以电力系统侧A 相电压为基准，次边两臂电流分别为
式中Ia、Ib表示供电臂电流基波有效值。

则系统原边侧电流为
式中k为变压器变比。

此时，变压器的原边和次边的电压和电流矢量关系如图2所示，次边两相电流矢量相角为60°，原边三相电流不平衡，始终存在负序分量。

由文献[16]可知，V型接线要实现同相供电，假定负载有功功率为P1，则要求单相功率补偿装置从端口a传递有功功率0.5P1给端口b，并需要同时在端口a和b 补偿无功分量。

原边和次边的电压和电流矢量关系如图3所示。

补偿后正序和负序矢量关系见图4，其中端口a补偿容性电流为icaC，端口b补偿感性电流为icbL，iaL为PFC在端口a需要传递的有功电流。

由图4可知，通过PFC补偿后，系统三相侧负序分量为0。

有源补偿基本原理如下。

令原边A相电压为。

以原边A相电压为基准，变压器次边两供电臂电压为
机车负载电流为
式中：为负载电流中谐波成分；h为谐波次数。

负载的瞬时功率为
式中：I1p=I1cosφ1；I1q=I1sinφ1。

负序完全补偿的情况下，两臂提供的电流有效值为，再乘以UA和UB对应的同步电压信号和，可以得到两臂电流瞬时值为
式（6）两臂电流包含有功电流分量和无功电流分量，PFC两端口相应的补偿电流指令为
PFC装置在计算出补偿电流ica和icb后，经过电流跟踪控制算法和开关管调制方式，及时补偿三相系统中的负序分量，使得三相侧电流完全对称，从而消除了负序。

有源补偿能够根据负载功率的变化实时补偿负载需要的功率电流，系统控制灵活，但存在着补偿装置造价高的特点。

因此有必要在满足补偿要求的条件下，研究有源补偿装置容量最小化，以减小补偿系统工程投资。

如果能结合无源补偿和有源补偿的特点，采用无源固定补偿来减小有源补偿装置容量，有源补偿仅工作在传递有功功率模式，由此构成混合式补偿方案，可以使得补偿系统投资减小。

根据有源补偿原理，混合式补偿方案如图5所示，图6给出了混合补偿负序矢量
关系。

无源补偿装置和有源补偿装置均接在端口a和端口b，PFC传递负载一半
的有功功率，无源装置补偿端口无功分量。

完全补偿条件下，无源补偿投入容量
S1和有源装置投入容量S2为
该方案中无源和有源补偿装置容量比是固定的。

PFC只传递有功电流，此时两端
口电流为
2.1 混合式补偿特性分析
（1）由于无源补偿装置中电容和电感的容量相同，且二者通常采用固定或投切方式运行，因此不会引入多余的无功分量，不会影响三相系统的功率因数。

（2）由于高速铁路机车负载是随工况频繁变化的，因此当无源补偿装置按固定方式投入时，不可避免地出现负序的过补偿或欠补偿。

因此，需要合理设计无源补偿装置的容量来减轻负序过补偿或欠补偿程度。

2.2 负载电流检测
当无源装置固定投入时，有源补偿装置PFC的电流检测结构如图7所示。

图7中，负载电流与端口电压相位相乘，经过低通滤波器后，可得到负载电流中的有功分量。

该分量一般与对应的端口电压相位相乘，得到端口指令电流为
两供电臂PFC补偿电流为
为了验证本文所分析的混合补偿式同相供电方案补偿原理的正确性，在MATLAB/simulink平台上进行了仿真验证。

仿真模型参数如下：电力系统侧电压为220 kV，牵引网额定电压为27.5 kV，PFC装置采用单相背靠背结构，降压变压器电压比为27 500 V∶930 V，中间直流侧电压设定为3 000 V，控制系统采用电压和电流双闭环结构，机车负载采用10 MV·A恒功率源表示。

下面就混合补偿方案进行仿真分析。

图8给出了同相供电时b相机车负载有功功率为10 MW。

在未补偿的情况下，A 相电流为0，B和C相电流大小相等，一次侧电流不对称度达到100%，存在大量负序电流分量注入到电力系统中。

经过PFC从a相传递功率5 MW给b相，电流不平衡度变为50%。

然后分别在a相和b相端口配置2.887 MV·A电容和电抗，一次侧三相电流基本平衡，不平衡度为0。

通过上述仿真分析可知，采用混合补偿装置能够很好地治理V型接线变压器引起的负序电流，为高速重载电气化铁路电能质量治理提供了一种良好的解决途径。

在第3节仿真分析中，负载大小恒定不变，无源补偿装置以某一固定容量投入运行，此时混合补偿装置处于完全补偿状态。

但实际中，由于负载大小随运行工况变化较大。

为分析混合补偿装置实际补偿效果，以某一高速铁路牵引变电所实测数据为例对本文提出的混合补偿效果进行分析。

在同相供电模式下，可测得变电所全天24 h负载数据如图9所示，其中每3 s取一个点，不计负载谐波分量。

假设变电所投入的无功补偿电容和电抗容量均为3.4 MV·A，投入的PFC变流器功率为12 MW。

对比不同补偿结构效果，分3种模式进行分析。

模式1不进行任何补偿，此时单相负载负序功率正好等于正序功率，即负载功率；模式2仅投入无源固定
补偿；模式3既投入无源固定补偿，又投入PFC进行混合补偿。

图9给出了几种模式下负序功率曲线。

从图9可以看出，全天负载功率变化较大，最大值达到34 MW，最小值为0。

投入固定无功补偿后，等效补偿6 MW的负序功率，使得负序最大值减小，在负载为0时出现了-6 MW的过补现象，投入混合补偿后，负序功率得到进一步减小。

表1给出了3种模式下负序功率统计表，取95%功率大值作为评价指标，对3种模式进行比较。

从表1负序功率比较结果可以看出，采用混合补偿有助于减小负
序功率。

本文在V型接线牵引变压器基础上，结合无源和有源补偿技术原理，提出了混合
式补偿方案，为优化补偿装置容量节省投资提供了一种新的途径，仿真结果验证了方案的有效性。

本文所提出的混合式同相供电方案不仅适合高速电气化铁路，同样也可适用于既有线普速电气化铁路V型接线变压器供电方式。

夏焰坤（1984—），男，博士，讲师，研究方向为电力系统分析和电能质量分析与控制。

Email：******************
【相关文献】
[1]李群湛.牵引变电所供电分析及综合补偿技术[M].北京：中国铁道出版社，2006．
[2]李群湛，贺建闽（Li Qunzhan，He Jianmin）.电气化铁路的同相供电系统与对称补偿技术（Electrified railway feeding system without phase exchange and symmetrical compensation technology）[J].电力系统自动化（Automation of Electric Power Systems），1996，20（4）：9-11，28．
[3]李群湛.电气化铁路电能质量分析与控制[M].成都：西南交通大学出版社，2011.
[4]于坤山，周胜军.电气化铁路供电与电能质量[M].北京：中国电力出版社，2011.
[5]常非，赵丽平，冯金博（Chang Fei，Zhao Liping，Feng Jinbo）.五电平交直交变换器在贯通同相供电中的应用（Application of five-level AC/DC/AC converter on continuous co-phase power supply system）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2015，27（1）：26-31.
[6]魏光（Wei Guang）.同相牵引供电系统负序、谐波、无功电流实时检测方法及其补偿策略（Real-time detection of negative，harmonic and reactive power currents in cophase traction power supply system and its compensation strategy）[J].电力系统保护与控制（Power System Protection and Control），2010，38（20）：51-56．
[7]常非，冯金博，赵丽平（Chang Fei，Feng Jinbo，Zhao Liping）.同相贯通牵引供电系统综合潮流控制器设计（Design of comprehensive power flow controller used in co-phase continuous traction power supply system）[J].电力系统及其自动化学报（Proceedings of the CSU-EPSA），2012，24（1）：54-58.
[8]邱大强，李群湛，周福林，等（Qiu Daqiang，Li Qunzhan，Zhou Fulin，et al）.基于背靠背SVG的电气化铁路电能质量综合治理（Comprehensive power quality control of electric railway based on back-to-back SVG）[J].电力自动化设备（Electric Power Automation Equipment），2010，30（6）：36-39，44.
[9]邱大强，李群湛，余俊祥（Qiu Daqiang，Li Qunzhan，YuJunxiang）.混合式电铁电能质量调节器补偿原理及容量分析（Compensation principle of hybrid power quality conditioner for electric railways and capacity analysis）[J].电力自动化设备（Electric Power Automation Equipment），2012，32（10）：59-64.
[10]方璐，罗安，徐先勇，等（Fang Lu，Luo An，Xu Xianyong，et al）.高速电气化铁路新型电能质量补偿系统（A novel power quality compensator for high-speed electric railway）[J].电工技术学报（Transactions of China Electrotechnical Society），2010，25（12）：167-176．
[11]曾灿林，罗安，马伏军，等（Zeng Canlin，Luo An，Ma Fujun，et al）.新型高速铁路电能质量补偿系统及参数设计（A novel power quality compensation system for highspeed railway and its parameter design）[J].电网技术（Power System Technology），2011，35（10）：64-69．
[12]马伏军，罗安，徐先勇，等（Ma Fujun，Luo An，Xu Xianyong，et al）.大功率混合型电气化铁路功率补偿装置（High-power hybrid power quality compensation system in electrified railway）[J].电工技术学报（Transactions of China Electrotechnical Society），2011，26（10）：93-102．
[13]周福林，李群湛，邱大强（Zhou Fulin，Li Qunzhan，Qiu Daqiang）.基于混合补偿的同相牵引供电系统（Cophased traction power supply system based on hybrid compensation）[J].铁道学报（Journal of the China Railway Society），2012，34（1）：19-23.
[14]魏光（Wei Guang）.基于V型接线的同相牵引供电系统（Cophase traction power supply system based on V connection）[J].电力自动化设备（Electric Power Automation Equipment），2010，30（12）：60-65．
[15]吴传平，罗安，徐先勇，等（Wu Chuanping，Luo An，Xu Xianyong，et al）.采用V/v变压器的高速铁路牵引供电系统负序和谐波综合补偿方法（Integrative compensation method of negative phase sequence and harmonic for high-speed railway traction supply system
with V/v transformer）[J].中国电机工程学报（Proceedings of the CSEE），2010，30（16）：111-117．
[16]夏焰坤，李群湛，解绍锋，等（Xia Yankun，Li Qunzhan，Xie Shaofeng，et al）.高速和重载电气化铁路V型接线牵引变压器负序补偿研究（Negative sequence compensation of high-speed and heavy-haul electric railroad with V-connection transformer）[J].电力自动化设备（Electric Power Automation Equipment），2014，34（2）：73-78.。