夏　炎

(鐵道部經(jīng)濟規(guī)劃研究院，北京　100038)

Cophase Traction Power Supply System Based on YNvd Connection Transformer

XIA Yan

基于YNvd接線變壓器的同相牽引供電系統(tǒng)

夏炎

(鐵道部經(jīng)濟規(guī)劃研究院，北京100038)

Cophase Traction Power Supply System Based on YNvd Connection Transformer

XIA Yan

摘要基于YNvd接線變壓器的同相供電系統(tǒng)有其優(yōu)越性，利用有功電流分離法檢測其綜合補償電流，并通過滯環(huán)比較電流控制方法對IPFC進行有效控制，可消除牽引系統(tǒng)造成的三相不平衡，濾除諧波和無功電流。在Matlab/Simulink環(huán)境下建立該同相供電系統(tǒng)，仿真驗證了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、電流檢測方法和控制策略正確，方案可行。

關(guān)鍵詞同相供電系統(tǒng)YNvd接線變壓器綜合潮流控制器有功電流分離法滯環(huán)比較電流控制法

鐵路牽引供電系統(tǒng)是電力系統(tǒng)的重要負(fù)載之一，由于其采用的是單相工頻交流供電制式，對于電力系統(tǒng)而言為三相不平衡負(fù)載，會引起系統(tǒng)產(chǎn)生大量諧波、負(fù)序和無功。為減少牽引系統(tǒng)對電力系統(tǒng)的不良影響，必須采用換相連接，可相對減小三相不平衡度。但這種改善是有限的，且不同供電區(qū)段之間必須用分相絕緣器來進行分離，而絕緣器又限制了機車連續(xù)平滑受流，限制了高速、重載鐵路的發(fā)展。

為解決鐵路牽引供電系統(tǒng)所引起的這些問題，許多方案被提出。從目前來看，同相供電技術(shù)是最有效的方法，即全線采用同一相位的電壓。這種方法可以取消電分相，提高高速、重載鐵路供電性能，同時同相轉(zhuǎn)換裝置可以補償負(fù)載所需要的諧波和無功，大大改善電能質(zhì)量[1-3]。

同相牽引供電系統(tǒng)主要由牽引變壓器和綜合潮流控制器(IPFC)組成。常見的牽引變壓器接線形式有YNd11接線、Vv接線和平衡變壓器等；根據(jù)變壓器接線形式的不同，IPFC的結(jié)構(gòu)也有所不同，主要分為三相三(四)橋臂結(jié)構(gòu)和背靠背結(jié)構(gòu)。文獻[4-9]分別提出了基于YNd11變壓器、Vv變壓器、阻抗匹配平衡變壓器以及斯科特變壓器的同相供電系統(tǒng)方案。這些方案雖然實現(xiàn)了三相平衡變換，但都有一定局限性。本文將對基于YNvd接線變壓器的同相供電系統(tǒng)方案進行研究以及仿真，驗證其能夠?qū)崿F(xiàn)三相平衡輸出，提高電能質(zhì)量，是更加理想的同相供電系統(tǒng)方案。

1同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

同相供電系統(tǒng)是指全線提供同一相位的單相電，從而取消電分相，提高重載、高速鐵路供電性能。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　同相牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從圖1可以看到，同相供電系統(tǒng)由牽引變壓器和綜合潮流控制器(IPFC)組成，牽引變壓器將電網(wǎng)電能傳遞給IPFC，通過IPFC調(diào)節(jié)，輸出單相牽引電給接觸網(wǎng)。其中IPFC能夠補償負(fù)載所造成的無功和諧波，實現(xiàn)三相平衡變換，使電網(wǎng)僅提供有功功率，提高電能質(zhì)量。在變電所饋線處就可以取消電分相，但考慮到多個相同結(jié)構(gòu)的變電所可能形成環(huán)流以及靈活供電的需求，分段絕緣器(SP)依然需要保留。分段絕緣器距離短且兩側(cè)電壓相位基本相同，機車可平滑通過，避免牽引力損失，減小對電網(wǎng)的不利影響，利于實現(xiàn)全線貫通供電和鐵路高速、重載的發(fā)展。

2牽引變壓器的選擇

牽引變壓器接線方式有很多，主要有單相接線、單相Vv接線、Scott接線、YNd11接線以及YNvd接線，各自擁有各自的特點，而其中又以YNvd接線變壓器性能較優(yōu)。YNvd接線變壓器兼有阻抗匹配平衡變壓器和斯科特變壓器兩者的優(yōu)點：高壓側(cè)中性點可以直接接地，可降低絕緣制造成本；低壓側(cè)有三角形接線，利于三次諧波環(huán)流，改善波形；具有斯科特平衡變壓器的優(yōu)點，利于實現(xiàn)平衡輸出；同時，YNvd變壓器繞組數(shù)目較少，制造工藝簡單。YNvd接線變壓器為較為理想的變壓器形式。

YNvd變壓器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　YNvd變壓器接線形式

根據(jù)YNvd變壓器特性分析可知[10]，其原副邊電流關(guān)系如式(1)

(1)

由對稱分量法可對該式進行變化，得：

(2)

3IPFC結(jié)構(gòu)及控制策略

3.1　IPFC結(jié)構(gòu)

綜合潮流控制器(IPFC)的結(jié)構(gòu)由牽引變壓器接線形式所決定。對于YNvd接線牽引變壓器，IPFC采用背靠背四象限電壓源型變流器，其具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　背靠背型IPFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

從圖3中可以看出，YNvd接線變壓器副邊輸出的Uα和Uβ，分別供給IPFC兩側(cè)端口；iα和iβ為變壓器副邊輸出的相應(yīng)電流；ipα和ipβ為IPFC提供的補償電流；負(fù)載供電從α端口輸出，負(fù)載電流為iL。IPFC作為補償調(diào)節(jié)裝置，補償負(fù)載電流iL所需的無功和諧波電流，使電網(wǎng)只提供有功功率。

3.2　平衡變換原理

(3)

其中Isr為電源指令電流幅值。

為簡化分析，可根據(jù)變壓器特性，設(shè)副邊繞組輸出電壓如下

(4)

其中U為電源電壓幅值。

此時電源輸出瞬時功率為

(5)

負(fù)載電流iL可設(shè)為

(6)

其中In和φn非別為負(fù)載電流n(n=2、3、4…)次諧波的幅值和相位。

將基波電流按電壓同軸和交軸方向分解，可對應(yīng)得到Ip和Iq，則Ip=I1cosφ1，Iq=I1sinφ1。則負(fù)載電流iL可另寫為

(7)

(8)

其中h(t)為諧波電流。

此時，負(fù)載瞬時功率為

pL(t)=uα·iL=UIp(1-cos2ωt)+

(9)

(10)

根據(jù)圖3 所示，IPFC 對電源的補償電流期望值為ipar = iL－iαr，ipβr= －iβr，即為

(11)

從上式中可以看出，IPFC的α端口補償負(fù)載所需的無功及諧波電流；變壓器副邊α端口和β端口各為負(fù)載提供一半的有功電流，其中β端口提供的一半有功電流經(jīng)由IPFC，由α端口輸出，該式被稱為系統(tǒng)的平衡變換條件[10]。此時，電力系統(tǒng)只提供有功功率，Ps=3UAIA(功率因數(shù)為1)，其中UA、IA為電力系統(tǒng)的相電壓和相電流幅值，負(fù)載有功功率為PL=UαIp，且Ps=PL，可得

(12)

其中K為YNvd牽引變壓器的變比。

當(dāng)按上述方法完成平衡變換后，電源電流為基波正序電流，其瞬時值為

(13)

3.3　綜合補償電流檢測

為了實現(xiàn)平衡補償?shù)哪康?，IPFC需要補償負(fù)載所需的無功和諧波電流，此時電源只提供負(fù)載所需的有功功率。將需要補償?shù)臒o功和諧波電流稱為綜合補償電流，其檢測方法的優(yōu)劣直接影響同相供電系統(tǒng)實現(xiàn)平衡補償?shù)男Ч?/p>

綜合補償電流檢測方法的種類很多，如頻域分析FFT檢測法、模擬帶通濾波器檢測諧波法、瞬時無功功率理論法、自適應(yīng)檢測法、有功電流分離法等[10]。其中有功電流分離法具有電路簡單、實用性好、檢測精度高等特點，這里采用有功電流分離法進行綜合補償電流檢測。

其具體方法如下：

將有功電流分離法和平衡變換條件相結(jié)合，生成IPFC所需指令電流。已知負(fù)載電流如下

(14)

由基波有功電流、基波無功電流及諧波電流組成。將等式兩端都乘以sinωt，得

(15)

將其通過低通濾波器，得

(16)

將該式左右兩邊分別乘以sinωt、cosωt，得

(17)

基于有功電流分離法和平衡變換條件的綜合補償電流檢測策略如圖4所示。

圖4 有功電流分離法綜合補償電流檢測

3.4 控制策略

確定了綜合補償電流檢測方式，接下來可以通過控制電力電子器件開關(guān)狀態(tài)，使IPFC輸出能實時跟蹤指令電流的補償電流，從而達到良好的同相供電效果。滯環(huán)比較電流控制是一種得到廣泛應(yīng)用的控制方式，其魯棒性好，容易實現(xiàn)[11]。該方法利用滯環(huán)比較器形成以0為中心、H和-H為上下限的死區(qū)，這樣實際輸出電流就被控制在以指令電流為中心、H和-H為限界的滯環(huán)寬度范圍內(nèi)。H的大小要綜合考慮開關(guān)管性能和輸出特性，過大的H會造成輸出電流的準(zhǔn)確性差，波形不理想，過小的H則會要求開關(guān)管頻繁切換狀態(tài)，容易發(fā)生故障。滯環(huán)比較電流控制的工作原理如圖5。

圖5　滯環(huán)比較電流控制

其中i為實際電流，i*為指令電流，Δi為比較差值。

當(dāng)i-i*>H時，說明實際電流太大，此時開關(guān)管輸出1，減小輸出電流；當(dāng)i-i*<-H時，說明實際電流太小，此時開關(guān)管輸出-1，增大輸出電流；當(dāng)-H

4仿真驗證

以上給出了一種效果較優(yōu)的同相供電系統(tǒng)形式，即基于YNvd接線變壓器的同相供電系統(tǒng)，同時研究了其電流檢測方法和控制策略。接下來將在MATLAB/Simulink環(huán)境下進行仿真驗證。

4.1　YNvd牽引變壓器構(gòu)造

MATLAB/Simulink提供了通用三相變壓器模型，但YNvd接線變壓器結(jié)構(gòu)特殊，需要自行搭建模型。根據(jù)YNvd變壓器接線結(jié)構(gòu)，可通過三個單獨變壓器組合而成，其中a、c兩相為三繞組，b相為雙繞組，其具體聯(lián)接方式如圖6所示[12]。

圖6　YNvd變壓器仿真模型

圖6中，電力系統(tǒng)供電制式為工頻110 kV，鐵路牽引供電制式為工頻27.5 kV。則a、b、c三相中匝數(shù)比為

(18)

(19)

這樣設(shè)置參數(shù)后，YNvd 接線變壓器輸出Uα和Uβ，為工頻27. 5 kV 交流電，相位互差90°。

4.2　IPFC 仿真波形

完成了YNvd接線變壓器的搭建，再根據(jù)圖3完成IPFC仿真模型搭建，將兩者相聯(lián)接，IPFC模型兩端接入YNvd接線變壓器副邊繞組輸出的電壓Uα和Uβ，完成基于YNvd接線變壓器的同相供電系統(tǒng)仿真模型。

圖7　綜合補償電流ipα

圖8　變壓器副邊輸出電流波形

圖9　電網(wǎng)側(cè)三相電流波形

圖10　電網(wǎng)側(cè)a相電壓和電流波形

圖11　a相電流諧波含量

通過IPFC生成負(fù)載所需的綜合補償電流如圖7所示。補償后，YNvd接線變壓器副邊輸出電流波形如圖8所示，為互成90°的正弦電流波形。則在電網(wǎng)側(cè)，電流波形如圖9所示，為三相對稱的電流波形，說明通過IPFC的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)了平衡變換，三相對稱輸出。取電網(wǎng)側(cè)a相電壓和經(jīng)幅值放大1 000倍后的相電流進行相位比較，如圖10所示，可見相電壓和相電流相位完全相同，功率因數(shù)為1，實現(xiàn)了電網(wǎng)側(cè)只輸出有功功率的目標(biāo)。最后對電網(wǎng)側(cè)a相電流進行FFT分析，如圖11所示，電流諧波畸變率為1.36%，符合國標(biāo)要求。

5結(jié)論

具體研究了基于YNvd接線變壓器的同相供電系統(tǒng)。首先比較牽引變壓器的優(yōu)劣，選出YNvd接線形式，給出其輸出特性；然后根據(jù)牽引變壓器的接線形式，選擇IPFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，研究了其平衡變換原理；為了實現(xiàn)平衡變換，采用有功電流分離法，能夠較好的獲得綜合補償電流；滯環(huán)比較電流控制法具有較好的魯棒性，且容易實現(xiàn)，因此采用該控制策略；最后，在MATLAB/Simulink平臺上進行仿真驗證，仿真結(jié)果顯示，利用以上方法構(gòu)造并控制的同相供電系統(tǒng)具有較好的調(diào)節(jié)效果，實現(xiàn)了同相供電，取消了電分相，同時對電網(wǎng)有著較好的補償作用，減小了諧波畸變，使其只輸出有功功率，功率因數(shù)為1。因此，基于YNvd接線變壓器的同相供電系統(tǒng)具有較好的推廣應(yīng)用價值。

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中圖分類號：U223.5

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)03-0120-05

作者簡介：夏炎(1989—)，男，2014年畢業(yè)于北京交通大學(xué)電氣工程專業(yè)，碩士，助理工程師。

收稿日期：2015-02-06