王冬梅 王 晨

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都 610031）

為減少電氣化鐵路牽引負(fù)荷造成的不平衡影響，目前主要的解決方法有：采用三相-兩相平衡牽引變壓器，換相連接，采用不平衡補(bǔ)償裝置等[1]。這些措施能夠改善三相不平衡狀態(tài)，但由于牽引負(fù)荷的特殊性，效果并不理想。同相供電技術(shù)為綜合解決電氣化鐵路電能質(zhì)量問題和取消牽引變電所換相連接方式提供了方案，受到了廣泛重視。

我國電氣化鐵路主要的供電方式有：直接供電，BT供電，AT供電；其中AT供電方式適用于重載、高速和繁忙干線電氣化鐵路，隨著高速鐵路在中國和世界的推廣和發(fā)展，AT供電方式以其技術(shù)經(jīng)濟(jì)的整體優(yōu)勢，將得到進(jìn)一步采用[2]。YN，d11接線變壓器能適應(yīng)牽引供電短期嚴(yán)重過載、頻繁近地短路等特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)簡單、制造方便，在我國電氣應(yīng)用經(jīng)驗豐富，所以研究基于YN，d11接線變壓器的同相AT供電系統(tǒng)方案具有重大意義。

1 同相AT牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

同相AT牽引供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由AT牽引網(wǎng)和同相 AT牽引變電所組成[3]，圖中SS1-SS3為同相AT牽引變電所，PP為平衡變換裝置，它與牽引變壓器相連接，主要任務(wù)是平衡變換與補(bǔ)償無功、濾除諧波。針對不同接線的變壓器，平衡變換裝置的主電路部分可以由三相三橋臂變流器、兩“背靠背”單相變流器等構(gòu)成[4-6]。

圖2是基于單臺YN,d11變壓器的同相AT所接線圖，變壓器為一臺變比110kV/27.5kV的雙繞組變壓器，平衡變換裝置由三相四橋臂變流器構(gòu)成，通過對平衡器適當(dāng)控制，能夠使得牽引側(cè)各供電臂電壓相同，從而取消電分相，實現(xiàn)同相供電。

圖1 AT同相供電系統(tǒng)

圖2 單臺YN,d11-27.5同相AT牽引變電所

2 平衡變換基本原理

式中，iL為負(fù)荷電流；i1p為負(fù)荷電流基波有功分量；Ps、PL分別為電源功率和負(fù)荷有功功率；K為變壓器原副邊電壓比值，K=110/27.5。

平衡變換后，變壓器原邊電流為對稱的三相基波正序電流，可得110kV側(cè)電流的瞬時值為

YN,d11變壓器原次邊電流關(guān)系為

根據(jù)式（5）得牽引側(cè)各相電流瞬時值為

根據(jù)圖2可得，若要使得變壓器牽引側(cè)各相電流滿足式（6），則平衡變換器輸出的的補(bǔ)償電流應(yīng)為

當(dāng)平衡變化裝置各橋臂電流滿足式（7）時，電源只提供負(fù)載有功功率，負(fù)載所需的負(fù)載基波正序無功電流、負(fù)序電流和諧波電流由平衡變換器提供。

3 補(bǔ)償電流的實時檢測

由式（7）可知，若能夠檢測出負(fù)荷電流iL的基波電流有功分量的有效值I1p，就可得到平衡變換器需要輸出的綜合補(bǔ)償電流[7]。

將系統(tǒng)的負(fù)載電流表示為

式中，iL(t)為負(fù)載電流，iLh(t)為諧波電流，i1q(t)為基波無功電流分量，i1p(t)為基波有功電流分量。

將式（8）等號兩端同乘 2sinwt，可得

觀察式（9），等號右邊由兩部分構(gòu)成，I1p為其中的直流分量，若將其中的交流分量通過低通濾波器濾除便可得到I1p。那么變流器需要輸出的的補(bǔ)償電流可根據(jù)式（7）得出。

對式（7）進(jìn)行變換可得

由式（10）構(gòu)造出平衡變換器補(bǔ)償電流的生成原理圖如圖3所示。

圖3 補(bǔ)償電流生成框圖

圖3中所示的sinwt和coswt通過鎖相環(huán)和信號發(fā)生器得到，與負(fù)載電壓同相位。圖3中M為矩陣：

根據(jù)圖3原理可實現(xiàn)對平衡變換器補(bǔ)償電流的實時檢測。

4 平衡補(bǔ)償及控制策略

基于單臺YN,d11變壓器的同相AT供電系統(tǒng)，平衡變換裝置由三相四橋臂變流器構(gòu)成，結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 三相四橋臂平衡變換器

其控制策略采用基于三維空間電壓矢量的電流調(diào)節(jié)方案[8-9]，方案由最高開關(guān)頻率受限的三電平比較器和電壓矢量選擇表構(gòu)成，控制原理如圖5所示。電流誤差信號經(jīng)坐標(biāo)變換得到在αβγ 坐標(biāo)系下的誤差信號，eα，eβ和 eγ，經(jīng)最高開關(guān)頻率受限的三電平比較器輸出信號dα，dβ和 dγ，用以選擇空間電壓矢量，驅(qū)動逆變器產(chǎn)生在指令電流誤差范圍內(nèi)的電感電流。具體的空間電壓矢量選擇分析，詳見文獻(xiàn)[9]。

圖5 電流調(diào)節(jié)方案控制框圖

5 系統(tǒng)仿真分析

本文在Matlab/Simulink環(huán)境下，構(gòu)建了基于單臺YN,d11（110kV/27.5kV）接線變壓器的AT同相供電系統(tǒng)，觀察其經(jīng)平衡變換裝置后的補(bǔ)償效果。

平衡變換裝置采用三相四橋臂變流器，如圖 4所示，參數(shù)設(shè)為L=0.3mH，C=15mF，直流側(cè)電壓設(shè)定為10kV；降壓變壓器變比為27.5kV/2.5kV，牽引網(wǎng)電壓為 27.5kV，負(fù)荷端口電壓和負(fù)荷電流分別為式中，ψL為負(fù)荷端口接線角。

仿真結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 補(bǔ)償前原邊電流

圖7 補(bǔ)償后變壓器原邊電流

圖6為補(bǔ)償前變壓器原邊三相電流波形，可以看出補(bǔ)償前110kV側(cè)三相電流中諧波和無功的含量很高。圖7為補(bǔ)償后變壓器原邊三相電流，經(jīng)平衡變換裝置作用后三相電流基本對稱，補(bǔ)償效果明顯，驗證了方案的正確性。

6 結(jié)論

本文主要研究基于單臺 YN,d11接線變壓器的AT同相供電系統(tǒng)，變壓器為110kV/27.5kV雙繞組變壓器，選用三相四橋臂變流器構(gòu)成平衡變換裝置。通過分析和系統(tǒng)仿真說明，該系統(tǒng)能夠動態(tài)濾除諧波和補(bǔ)償無功，使110kV側(cè)三相電流對稱并與相電壓同相位，這樣就使得牽引負(fù)荷相對電力系統(tǒng)而言，相當(dāng)于一個純阻性的三相對稱負(fù)荷，實現(xiàn)了由單相牽引負(fù)荷到三相電力系統(tǒng)的平衡變換。

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[2]李群湛, 賀建閩. 牽引供電系統(tǒng)分析[M]. 成都: 西南交通大學(xué)出版社, 2010.

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[6] 張秀峰, 李群淇, 呂曉琴, 等. 基于有源濾波器的V,v接線同相供電系統(tǒng)研究[J]. 中國鐵道科學(xué), 2006,27(2): 98-103.

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