許加柱,李　平，胡斯佳，董欣曉，周冠東，陳躍輝

(1.湖南大學(xué) 國(guó)家電能變換與控制工程技術(shù)中心，湖南 長(zhǎng)沙　410082；2.湖南省電力公司，湖南 長(zhǎng)沙　410007)

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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1?,李平1，胡斯佳1，董欣曉1，周冠東2，陳躍輝2

(1.湖南大學(xué) 國(guó)家電能變換與控制工程技術(shù)中心，湖南 長(zhǎng)沙410082；2.湖南省電力公司，湖南 長(zhǎng)沙410007)

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(guò)分相問(wèn)題日益突出，采用配置鐵路功率調(diào)節(jié)器(railway power conditioner，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(guò)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

隨著我國(guó)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(guò)分相問(wèn)題[1-3].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(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[4-5].

為了綜合解決上述問(wèn)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[5-6].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[7-8].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[9-12].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[13-15]，然而，該系統(tǒng)難以解決負(fù)序問(wèn)題，尤其在采用單相供電系統(tǒng)的牽引網(wǎng)中[16-18].基于此，本文提出了一種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(guò)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，110 kV(或220 kV)電網(wǎng)電壓經(jīng)V/v牽引變降為27.5 kV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iαL=-iβL=iL(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)?、β相?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(zhǎng)耦合支路(注：HRPC中α,β相的耦合支路均需通過(guò)精心設(shè)計(jì)，具體見(jiàn)后文).

另外，在圖1中還需說(shuō)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(kāi)關(guān)動(dòng)作而短路.

(a) HRPC

(b) RPC

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Vα也非Vβ，而是兩者之差Vab.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Vab=Vα=Vβ=27.5 kV，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IαL=-IβL=IL.此外，還需注意的是，圖2中直線Γ1//Vab，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IαL,IβL與Γ1共線.顯然，為將IαL,IβL分別校正為Iα*和Iβ*，補(bǔ)償電流IcαH,IcβH中無(wú)功分量占主要部分(即：IcαHp<

圖2　HRPC的補(bǔ)償原理

λ

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(wú)功電流占補(bǔ)償電流的比例隨λ的增大不斷增大，這些無(wú)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(wú)功，β相補(bǔ)償容性無(wú)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[3,19-20]).從圖4可以觀察到，HRPC變流器的端口電壓VcαH，VcβH均低于饋線電壓，而傳統(tǒng)RPCα相變流器端口電壓Vcα高于饋線電壓Vα(RPCα相需補(bǔ)償容性無(wú)功).

(a) HRPC

(b) RPC

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(wú)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(wú)功[3，20]，其β相的L耦合支路能分擔(dān)部分補(bǔ)償任務(wù)(故VcβVα.

由圖4并結(jié)合圖1～2容易得到HRPC和RPC變流器端口電壓VcαH，VcβH,Vcα,Vcβ可分別表示為：

(1)

(2)

其中，下標(biāo)“p”，“q”分別表示各變量的有功、無(wú)功分量.

以VB=VN=Vα=Vβ，IB=IL為基值，將式(1)～(2)化成標(biāo)幺值，可得HRPC和RPC變流器端口電壓(Vcα(H)-pu,Vcβ(H)-pu)與耦合支路電抗(XLα(H)-pu,XL(C)β(H)-pu)的關(guān)系如圖5所示(下標(biāo)“pu”表示標(biāo)幺值).

如圖5(a)所示，對(duì)于α相，RPC中Vcα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VcαH小于1(圖5中圓點(diǎn))，其在λ=0.95,λ=0.98時(shí)僅是Vα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Vβ的0.26和0.36倍，其值大幅低于RPC的變流器端口電壓.

XLα(H)-pu

XL(C)β(H)-pu

綜上所述，通過(guò)精心設(shè)計(jì)HRPC LC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(kāi)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[13].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.

3HRPC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.

由圖4(a)可知，當(dāng)VcαH⊥VLαH(或VcαH//IcαH)時(shí)VcαH達(dá)到其最小值.此時(shí)L耦合支路電抗XLαH須滿足如下條件：

(3)

其中：

(4)

(5)

當(dāng)λ∈[0.95,1]時(shí)，二者均隨λ增大而增大.

由式(3)～(5)可知，XLαH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IL具有波動(dòng)性，需綜合考慮Icα，φα的選擇.具體可通過(guò)圖6加以說(shuō)明.

圖6為負(fù)載電流幅值和功率因素變化時(shí)，端口電壓的動(dòng)態(tài)相量圖，其中IcαH1,IcαH2,IcαH3為λ=λmin時(shí)α相的補(bǔ)償電流，IcαH4,IcαH5為λ>λmin時(shí)α相的補(bǔ)償電流.與上述補(bǔ)償電流相對(duì)應(yīng)的負(fù)載電流滿足：IL4=IL1

圖6　負(fù)荷變化時(shí)α相變流器端口電壓相量圖

情形1λ不變(但小于1)，IL變化.

此時(shí)IcαH1，IcαH2，IcαH3所對(duì)應(yīng)之φα均為φαmin(圖6)，且它們滿足：IcαH1VLαH2>VLαH3，且VcαH1>VcαH2，VcαH3>VcαH2.顯然，該情形下變流器端口電壓最大值VcαHmax需由VcαH1，VcαH3確定.

情形2IL不變，λ>λmin.

由圖6可知φαmin變至φα，系統(tǒng)輕載時(shí)，該工況下的補(bǔ)償電流為IcαH4，由式(5)知，此時(shí)IcαH4>IcαH1(IcαH1為情形1中的輕載補(bǔ)償電流).當(dāng)IcαH1→IcαH4時(shí)，VcαH1>VcαH4(即圖6中AE>AB)；系統(tǒng)重載時(shí)，該工況下的補(bǔ)償電流為IcαH5，同理，IcαH5>IcαH2.

由圖6知：

(6)

(7)

其中：k=ILmax/ILmin.

令：

k∈[0,1].

(8)

f(λ,k)的三維圖像如圖7所示.由圖7可知，當(dāng)λ∈[0.95,1]，k∈[0,1]時(shí)，f(λ,k)≤0恒成立，即|AD|/|AF|≤ε(λmin)/ε(λ)，所以|AG|<|AF|，故點(diǎn)G落在以端口電壓VcαHmax為半徑的圓O內(nèi)，即VcαH5

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：

(9)

其中：

(10)

它為當(dāng)λ=λmin時(shí)，α相變流器最低端口電壓對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償電流.

按此設(shè)計(jì)，α相變流器端口電壓將會(huì)在|OC|～|OD|之間變化，即：

(11)

圖7　f(λ,k)曲面

按照α相參數(shù)的設(shè)計(jì)方法，同理可得β相耦合支路阻抗為：

(12)

其中，φβmin為IcβH與Vβ之間的夾角，ε'min為β相最小的補(bǔ)償因子，它們滿足：

(13)

(14)

式(12)中電感和電容可通過(guò)圖8靈活選擇(注：圖8是以k=0.4，λmin=0.95，ILmax=600 A所繪制的).從圖6可以看出，α相變流器端口電壓大于β相，由于α相和β相共用直流側(cè)電容，故直流側(cè)電壓VdcH應(yīng)由端口電壓較高的α相變流器來(lái)決定，參照式(11)有：

(15)

取λmin=0.95，k=0.4(k一般在0.3～0.5之間變化[10])，由式(15)可得VdcH=0.94Vα.

對(duì)于RPC，由式(2)易得其直流側(cè)電壓為：

(16)

其中：

(17)

φαmax=

(18)

當(dāng)RPC的單邊補(bǔ)償容量達(dá)5～17 MW時(shí)，其耦合電感一般在15～25 Ω 間取值[21]，若取17.27 Ω，將其代入式(16)～(18)可得RPC的直流側(cè)電壓為1.75Vα.顯然HRPC直壓相比RPC降低了47.3%，變流器的容量大為降低.

CβH/μF

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SHRPC，SRPC分別為：

(19)

(20)

取λmin=0.95，k=0.4，IB=ILmax，VB=Vα可得HRPC和RPC容量標(biāo)幺值SHRPC-pu,SRPC-pu與λ的關(guān)系如圖9 所示.

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.

λ

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110 kV/27.5 kV，機(jī)車負(fù)荷的視在功率為16.5 MVA(最大值)，k=0.4，λ=0.95(最小值)，RPC耦合支路阻抗設(shè)定為17.27 Ω.HRPC和RPC的其他參數(shù)如表1所示.

表1　仿真參數(shù)

圖10是機(jī)車負(fù)載功率為16.5 MVA(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VdcH，Vdc均穩(wěn)定在給定值26 kV和48 kV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.

t/s

t/s

t/s

t/s

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27.401 MVA，理論計(jì)算值為27.311 MVA；RPC的仿真測(cè)量容量為54.145 MVA，理論計(jì)算值為54.149 MVA.由此可見(jiàn)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.

t/s

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6.6 MVA(λ=0.95)，重載為16.5 MVA(λ=1)機(jī)車負(fù)荷進(jìn)行仿真.圖13顯示的是HRPC和RPC在0.4 s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(guò)程又回到了三相對(duì)稱，過(guò)渡過(guò)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(shuō)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(shuō)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.

t/s

t/s

圖14為HRPC和RPC的直流側(cè)電壓減少18%，負(fù)荷在0.4s由9.9 MVA(λ=0.95)變?yōu)?6.5 MVA(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(shuō)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.

t/s

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%.

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A Hybrid Power Conditioner for High-speed Electric Railway and Its Power Capacity Analysis

XU Jia-zhu1?，LI Ping1,HU Si-jia1,DONG Xin-xiao1,ZHOU Guan-dong2,CHEN Yue-hui2

(1.National Electric Power Conversion and Control Engineering Technology Research Center,Hunan Univ,Changsha,Hunan410082,China;2.Hunan Electric Power Company, Changsha, Hunan410007,China)

Abstract:With wide application of AC drive electric locomotives in railway networks, the negative sequence current and neutral section increase significantly, and the co-phase power supply system with Railway Power Conditioner (RPC) is an effective solution. In order to increase its cost performance, a new Hybrid Railway Power Conditioner(HRPC) for co-phase was proposed. Compared with the traditional RPC, HRPC is much lower than RPC in operation voltage, so its capacity of active part decreases significantly. This paper analyzed its topology, compensation principle and operation voltage of its active part. The design of its key parameter was given. The results prove that HRPC is lower by 46%～50% than that of RPC in completing similar compensational tasks through simulation.

Key words:high-speed electric railway; negative sequence;hybrid compensation;railway power conditioner

中圖分類號(hào)：TM401

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

作者簡(jiǎn)介：許加柱(1980-)，男,湖南長(zhǎng)沙人,湖南大學(xué)副教授,博士?通訊聯(lián)系人，E-mail:xujiazhu@126.com

收稿日期：2015-01-29基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51477046,51477044),National Natural Science Foundation of China(51477046,51477044)

文章編號(hào)：1674-2974(2016)04-0089-09