孫鏡堤， 解紹鋒， 張 凱， 李海燕， 陳民武

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川 成都 610031)

0 引言

現(xiàn)有電氣化鐵路采用分段異相供電，會造成三相不平衡、功率因數(shù)低、諧波含量大等電能質(zhì)量問題，以及由于存在電分相會影響列車速度及機(jī)電性能。同相牽引供電系統(tǒng)可從根本上解決牽引供電網(wǎng)中的負(fù)序電流、諧波電流、無功電流的補(bǔ)償以及電分相問題，是電能質(zhì)量治理較為理想的措施。

再生制動是指將列車運(yùn)行的動能轉(zhuǎn)化為電能通過電網(wǎng)直接供給其他負(fù)荷使用或者通過儲能裝置儲存起來以供其他負(fù)荷使用的工作過程[1-3]。目前高速列車普遍采用“交-直-交”方式牽引，這為實(shí)現(xiàn)再生制動提供了必要條件。再生制動技術(shù)的采用可以節(jié)約列車運(yùn)行時消耗的能量，是一種較為理想的制動方式。在牽引供電系統(tǒng)中，電力機(jī)車是大功率、單相整流負(fù)荷，具有沖擊性、不對稱和非線性的特點(diǎn)，在快速運(yùn)行時會對牽引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生較大影響。文獻(xiàn)[4]討論了再生制動工況下負(fù)序電流的計(jì)算，提出了一種簡便的工程計(jì)算方法。文獻(xiàn)[5]介紹了同相供電系統(tǒng)工作原理，并分析了再生制動對于電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響。文獻(xiàn)[6]仿真分析了同相供電系統(tǒng)能抑制再生制動引起的牽引網(wǎng)電壓抬升。文獻(xiàn)[7—11]主要對同相供電系統(tǒng)的控制策略、仿真建模等進(jìn)行分析?，F(xiàn)有的論文大多對既有牽引供電系統(tǒng)分析再生制動對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，對同相供電系統(tǒng)分析再生制動對牽引網(wǎng)和電網(wǎng)電能質(zhì)量影響的較少。

文中介紹了同相供電系統(tǒng)的工作原理，通過Matlab/Simulink軟件建立了單相組合式同相供電系統(tǒng)以及機(jī)車模型，分析了列車處于再生制動工況下對同相供電系統(tǒng)及電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響，驗(yàn)證了同相供電系統(tǒng)解決電能質(zhì)量問題的有效性。

1 組合式同相供電系統(tǒng)

同相供電系統(tǒng)是指為電力機(jī)車或動車組提供電能的各供電區(qū)間具有相同的電壓和相位的牽引供電系統(tǒng)。目前包括多種技術(shù)方案，組合式同相供電是其中一種，其優(yōu)勢是實(shí)現(xiàn)最小同相補(bǔ)償裝置容量取消牽引變電所電分相，包括單相組合式同相供電和單三組合式同相供電[2]。兩種方案區(qū)別為同相供電裝置高壓匹配變壓器接線形式不同。

本文以單相組合式同相供電為例進(jìn)行討論。單相組合式同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 單相組合式同相供電系統(tǒng)Fig.1 Single-phase combined co-phase power supply system

同相供電牽引變電所由牽引變壓器和同相補(bǔ)償裝置組成，牽引變壓器和高壓匹配變壓器構(gòu)成一種供電容量不等、電壓幅值不等、電壓相位垂直的特殊三相-兩相平衡變壓器，使得同相補(bǔ)償裝置端口和牽引變壓器端口電壓相位相差90°。若同相供電補(bǔ)償裝置與牽引變壓器分別供給牽引負(fù)荷功率的1/2，可使得負(fù)序電流完全補(bǔ)償，電力系統(tǒng)三相電壓不平衡度為零。正常運(yùn)行中，牽引變壓器起著主要供電作用，同相供電補(bǔ)償裝置根據(jù)三相電壓不平衡度國標(biāo)要求擔(dān)負(fù)輔助供電任務(wù)。同相補(bǔ)償裝置包括高壓匹配變壓器、同相補(bǔ)償變流器和牽引匹配變壓器。通過同相補(bǔ)償裝置傳遞功率，提供列車牽引負(fù)荷的一半，同時與負(fù)荷直接相連的變流器一端兼顧補(bǔ)償牽引負(fù)荷的無功和諧波。

圖2為單相組合式同相供電系統(tǒng)供電電壓向量圖(實(shí)線代表原邊電壓，虛線代表次邊電壓)，通過特殊接線實(shí)現(xiàn)原邊三相對稱電壓向次邊電壓Ubc和Uao相位互差90°的變換。同相補(bǔ)償裝置通過采集牽引網(wǎng)上電壓、電流來控制電力電子開關(guān)器件的通斷，實(shí)現(xiàn)交流-直流-交流變換，使輸出電流滿足補(bǔ)償需求。

圖2 單相組合式同相供電電壓向量圖Fig.2 Single-phase combined co-phase supply voltage vector diagram

2 再生制動工作過程

再生制動就是當(dāng)列車減速運(yùn)行時，牽引電機(jī)由電動機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)狀態(tài)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，并通過牽引網(wǎng)供給其他運(yùn)行于牽引工況的電力機(jī)車使用或通過儲能裝置儲存起來以供其他用電負(fù)荷使用的工作過程。

列車再生制動時，過程與牽引運(yùn)行正好相反，功率流向相反，整流器將牽引電機(jī)產(chǎn)生的三相交流電變換為直流電，通過中間直流環(huán)節(jié)后，再由逆變器將直流電變換為與牽引網(wǎng)頻率相同的單相交流電，最后由牽引變電所主變壓器將交流電升壓后反饋回電網(wǎng)[1]。其工作原理如圖3所示。

圖3 再生制動工作原理Fig.3 Principle diagram of regenerative braking working

3 再生制動對電能質(zhì)量的影響

本文采用Matlab/Simulink軟件分別建立了單相組合式同相供電系統(tǒng)仿真模型和某型動車組等效模型。圖4為組合式同相供電系統(tǒng)仿真圖，圖5為同相補(bǔ)償裝置控制仿真圖。

圖4 組合式同相供電系統(tǒng)仿真圖Fig.4 Simulation of combined co-phase power system

圖5 同相補(bǔ)償裝置控制圖Fig.5 Control chart of compensation device of co-phase power system

參考文獻(xiàn)[12]，設(shè)三相電力系統(tǒng)線電壓UL為220 kV，牽引網(wǎng)電壓U為27.5 kV，系統(tǒng)短路容量Sd為1500 MV·A，同相補(bǔ)償裝置容量SC為10 MV·A，牽引變壓器容量ST為35 MV·A。

3.1 再生制動對同相牽引網(wǎng)電能質(zhì)量的影響

3.1.1 對牽引網(wǎng)電壓偏差的影響

根據(jù)鐵道干線電力牽引交流電壓規(guī)定，牽引變電所牽引側(cè)母線的額定電壓為27.5 kV, 短時允許為29 kV，電力機(jī)車、動車組上受電弓上最低工作電壓為20 kV。為保證牽引變電所接入系統(tǒng)公共連接點(diǎn)處其他負(fù)荷的電壓水平，首先要保證牽引負(fù)荷在牽引網(wǎng)帶來的電壓偏差要小[11]。

列車再生制動時會將產(chǎn)生的電能反饋回牽引網(wǎng)，特別是列車處于牽引網(wǎng)末端或者多輛列車共線時再生制動，會導(dǎo)致受電弓處牽引網(wǎng)電壓過高，從而產(chǎn)生諸多影響，如保護(hù)裝置誤動作，電力設(shè)備絕緣受損等，可能造成重大的經(jīng)濟(jì)損失。

假設(shè)牽引負(fù)荷為一列滿載運(yùn)行的某型交直交機(jī)車，參考文獻(xiàn)[11—14]，基于實(shí)測數(shù)據(jù)，設(shè)定負(fù)荷電流iL為：

(1)

i1(t)=384sin(ωt-11.48°)+8sin(3ωt-30°)+ 5sin(5ωt+15°)+4sin(7ωt+60°)+ 4sin(45ωt-60°)+8sin(47ωt+50°)+ 6sin(49ωt)A

(2)

i2(t)=-i1(t)

(3)

牽引負(fù)荷總功率為9600 kW，同時含有3，5，7，45，47，49次諧波，總諧波畸變率為3.87%。通過仿真設(shè)置列車在0～2 s正常牽引取流，負(fù)荷電流為i1(t)；2～5 s變?yōu)樵偕苿臃答伳芰浚?fù)荷電流為i2(t)。

根據(jù)我國某牽引變電站的實(shí)際參數(shù)，牽引網(wǎng)等值阻抗為0.058 4+j0.125 Ω/km，由于要研究列車在同相供電系統(tǒng)供電臂末端時再生制動的情況，設(shè)列車再生制動位置距離牽引變電所首端25 km，此時牽引網(wǎng)一個供電臂總阻抗為1.46+j3.125 Ω，從2 s時刻機(jī)車由牽引變?yōu)樵偕苿?。在牽引供電臂末端測量0～5 s內(nèi)牽引網(wǎng)電壓變化如圖6所示。

圖6 再生制動時同相牽引網(wǎng)末端電壓變化波形Fig.6 The terminal voltage change waveform of co-phase traction network during regenerative braking

與既有牽引網(wǎng)供電臂末端電壓(如圖7所示)進(jìn)行比較可得，2 s時列車再生制動，同相供電系統(tǒng)牽引網(wǎng)末端電壓抬升在國標(biāo)規(guī)定以內(nèi)。若線路上存在其他處于牽引工況的列車，牽引網(wǎng)電壓將會進(jìn)一步降低，可見同相供電系統(tǒng)對于牽引網(wǎng)電壓抬升具有較好的抑制作用，會大大避免由于電壓過高引起的事故。

圖7 再生制動時既有牽引網(wǎng)末端電壓變化波形Fig.7 The terminal voltage change waveform of the existing traction network during regenerative braking

3.1.2 對牽引網(wǎng)諧波的影響

設(shè)定的牽引負(fù)荷電流如式(1)，同時含有3，5，7，45，47，49次諧波，對負(fù)荷電流進(jìn)行快速傅里葉變換(fast fourier transformation,FFT)，得出其各次諧波分布如圖8所示，在牽引負(fù)荷處測出其總的諧波畸變率為3.87%。

圖8 牽引負(fù)荷諧波電流分布Fig.8 Harmonic current distribution of traction load

如圖9所示為負(fù)荷電流、諧波補(bǔ)償電流和牽引網(wǎng)饋線電流?？傻?，在列車再生制動時同相補(bǔ)償裝置能對牽引網(wǎng)諧波電流兼顧補(bǔ)償。

圖9 負(fù)載電流、諧波補(bǔ)償電流與牽引網(wǎng)饋線電流Fig.9 Load current, harmonic compensation current and traction network feeder current

3.2 再生制動對電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的影響

3.2.1 對三相電壓不平衡度的影響

GB/T 15543—2008中規(guī)定,電力系統(tǒng)公共連接點(diǎn)正常電壓不平衡度的允許值為2%，短時不超過4%。接于公共連接點(diǎn)的每個用戶引起的該點(diǎn)負(fù)序電壓不平衡度的允許值一般為1.3%，短時不超過2.6%[12]。標(biāo)準(zhǔn)中指出，在公共連接點(diǎn)電力系統(tǒng)的等值正序阻抗與負(fù)序阻抗相等的前提下，由負(fù)序電流換算為電壓不平衡度的近似公式為：

(4)

式中：I2為負(fù)序電流值；UL為線電壓；SSC為公共連接點(diǎn)三相短路容量?？梢钥闯鋈嚯妷翰黄胶舛扰c系統(tǒng)短路容量成反比，與牽引變電所的負(fù)序電流成正比。

GB/T 15543—2008在其附錄A中給出不平衡度的表達(dá)式為：

(5)

式中：U1為三相電壓正序分量方均根值；U2為三相電壓負(fù)序分量方均根值。

根據(jù)式(5)在Matlab/Simulink中建立三相電壓不平衡度檢測模塊，如圖10所示。

圖10 三相電壓不平衡度檢測模塊Fig.10 Three-phase voltage imbalance detection module

由圖11可得，電力系統(tǒng)側(cè)三相電壓不平衡度在列車再生制動期間穩(wěn)定在0.05%到0.08%之間，滿足國標(biāo)要求?？傻迷诹熊囋偕苿訒r，同相供電系統(tǒng)同樣能有效地解決負(fù)序電流帶來的三相不平衡問題。

圖11 再生制動時電力系統(tǒng)三相電壓不平衡度Fig.11 Three-phase voltage unbalance on power system during regenerative braking

3.2.2 對功率因數(shù)和諧波的影響

功率因數(shù)和諧波也是考核供電品質(zhì)的重要指標(biāo)之一，組合式同相供電系統(tǒng)也對其兼顧進(jìn)行補(bǔ)償。

按原水利電力系統(tǒng)和國家物價(jià)局頒布的《功率因數(shù)調(diào)整電費(fèi)辦法》規(guī)定電氣化鐵路功率因數(shù)不能低于0.9。電能質(zhì)量公用電力系統(tǒng)諧波規(guī)定，標(biāo)稱電壓為110 kV(或220 kV)的電力系統(tǒng)電壓共諧波畸變率不超過2%。

列車處于再生制動工況時，同相供電系統(tǒng)饋線負(fù)載電流iL(t)為：

iL(t)=-[i1p(t)+i1q(t)+ih(t)]

(6)

式中：i1p(t)，i1q(t)分別為負(fù)載電流基波有功分量和無功分量；ih(t)為諧波電流。

在補(bǔ)償電流的檢測中要實(shí)現(xiàn)有功電流、無功電流以及諧波電流的分離，才能控制同相補(bǔ)償裝置輸出滿意的補(bǔ)償電流。有功電流、無功電流以及諧波電流的檢測控制框圖如圖12所示。將實(shí)際補(bǔ)償電流和理想補(bǔ)償電流做差后經(jīng)過PI控制器校正，與三角載波進(jìn)行比較產(chǎn)生控制同相補(bǔ)償裝置的開關(guān)信號，從而輸出滿意的補(bǔ)償電流。

圖12 補(bǔ)償電流分離檢測控制框圖Fig.12 Compensation current separation detection control block diagram

在仿真中搭建的有功電流、無功電流以及諧波電流的檢測模型如圖13所示。

搭建功率因數(shù)檢測模塊，對電力系統(tǒng)側(cè)功率因數(shù)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖14所示。

由圖14可以看出， 列車處于牽引工況時， 電力

圖13 補(bǔ)償電流檢測仿真模塊Fig.13 Compensation current detection simulation module

圖14 電力系統(tǒng)功率因數(shù)變化Fig.14 Power factor change diagram of Power system

系統(tǒng)側(cè)功率因數(shù)接近1，2 s時刻開始處于再生制動工況時，電力系統(tǒng)側(cè)功率因數(shù)接近-1。圖15為再生制動時電力系統(tǒng)側(cè)的瞬時功率因數(shù)，其波動處于-0.96到-1之間。同相補(bǔ)償裝置可對再生制動工況下的負(fù)荷無功功率進(jìn)行補(bǔ)償。

圖15 再生制動時電力系統(tǒng)瞬時功率因數(shù)Fig.15 Power system instantaneous power factor in regenerative braking

負(fù)荷由牽引工況變?yōu)樵偕苿庸r下電力系統(tǒng)側(cè)的三相電壓如圖16所示。

圖16 電力系統(tǒng)三相電壓波形Fig.16 Power system three-phase voltage waveform

分別在牽引工況和再生制動時對電力系統(tǒng)側(cè)三相電壓進(jìn)行FFT變換，得出同相補(bǔ)償裝置在不進(jìn)行諧波補(bǔ)償和進(jìn)行諧波補(bǔ)償時電力系統(tǒng)側(cè)三相電壓諧波畸變率如表1、表2所示。

表1 電力系統(tǒng)諧波畸變率(不補(bǔ)償)Tab.1 Power system harmonic distortion rate

表2 電力系統(tǒng)諧波畸變率(補(bǔ)償)Tab.2 Power system harmonic distortion rate

由表1、表2可得，負(fù)荷處于牽引工況和再生制動工況時，其電力系統(tǒng)側(cè)三相電壓諧波畸變率均低于2%，滿足國標(biāo)要求。并且同相補(bǔ)償裝置補(bǔ)償諧波的情況下電力系統(tǒng)側(cè)電壓諧波畸變率低于不補(bǔ)償?shù)那闆r，證明同相補(bǔ)償裝置在列車再生制動工況下同樣能對諧波進(jìn)行補(bǔ)償以滿足國標(biāo)要求。

綜上，同相補(bǔ)償裝置可在不調(diào)整控制策略的情況下，向三相電力系統(tǒng)回饋再生制動能量[15]。

4 結(jié)語

同相供電系統(tǒng)可以有效地解決牽引供電系統(tǒng)中的三相不平衡、功率因數(shù)低、諧波含量大的電能質(zhì)量問題。列車在再生制動工況下，同相補(bǔ)償裝置可在不改變控制策略的情況下對三相不平衡進(jìn)行滿意的補(bǔ)償，使得各項(xiàng)指標(biāo)符合國家標(biāo)準(zhǔn)。