魏光

高鐵牽引供電系統(tǒng)綜合補(bǔ)償容量?jī)?yōu)化研究

魏光

(軌道交通工程信息化國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(中鐵一院)，陜西 西安 710043)

大功率跨線動(dòng)車組在時(shí)速250 km/h高鐵上運(yùn)行通過(guò)電分相時(shí)，引起牽引變壓器過(guò)負(fù)荷嚴(yán)重，且易導(dǎo)致保護(hù)誤動(dòng)作。為此，提出一種基于潮流控制器的解決方案，分析電流分配機(jī)理，推導(dǎo)補(bǔ)償控制策略。通過(guò)對(duì)潮流的均衡控制，使得動(dòng)車組在兩供電臂的負(fù)荷得到優(yōu)化分配，均勻配置在牽引變壓器的兩繞組上，降低了其容量需求。同時(shí)，對(duì)于改善電能質(zhì)量起到明顯作用。此方案適合于改造既有或新建牽引變電所，仿真驗(yàn)證了其可行性與優(yōu)越性。其滿足優(yōu)化潮流控制，改善了工程的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性。

時(shí)速250 km/h高鐵；Vx接線；潮流控制；電能質(zhì)量補(bǔ)償

中國(guó)高鐵已基本形成互聯(lián)互通，大功率、長(zhǎng)編組的跨線動(dòng)車組大量投運(yùn)；運(yùn)輸組織為適應(yīng)節(jié)假日的高峰運(yùn)量，臨時(shí)性的增加列車對(duì)數(shù)及編組長(zhǎng)度。這些給時(shí)速250 km/h高鐵的牽引供電能力帶來(lái)了前所未有的挑戰(zhàn)。基于牽引變電所現(xiàn)有的配置，本文提出了一種容量補(bǔ)償方案，將負(fù)荷均勻的分?jǐn)偟綘恳儔浩鞯牟煌@組上，充分利用變壓器的過(guò)負(fù)荷能力。如此，極大的節(jié)約了更換牽引變壓器的成本，提高了特殊工況下牽引供電系統(tǒng)的能力。西南交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)從無(wú)源和有源補(bǔ)償角度提出了同相供電系統(tǒng)[1?4]，其旨在將牽引側(cè)的單相電對(duì)稱映射至電源側(cè)的三相電，為取消電分相，提高電能質(zhì)量起到了巨大的作用，未考慮功率的傳遞。普速鐵路普遍采用Vv接線牽引變壓器，國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)此類接線的變電所進(jìn)行了功率控制及補(bǔ)償?shù)南嚓P(guān)研 究[5?9]，但對(duì)于高鐵普遍采用的Vx接線牽引變壓器未作詳述。隨著250 km/h高鐵的迅速發(fā)展，采用Vx接線牽引變壓器的變電所數(shù)量激增。工程設(shè)計(jì)致力于以最小的經(jīng)濟(jì)代價(jià)，實(shí)現(xiàn)最大利益的需求。故研究其供電能力適應(yīng)性及補(bǔ)強(qiáng)措施，成為提升運(yùn)輸能力，降低工程改造成本的必然趨勢(shì)。

1 過(guò)負(fù)荷現(xiàn)狀

目前高鐵牽引變電所普遍采用Vx接線牽引變壓器，由2臺(tái)單相變壓器組成。每臺(tái)單相變壓器對(duì)應(yīng)一個(gè)供電臂，副邊采用中點(diǎn)抽頭接地、±27.5 kN供電。牽引變壓器按2倍過(guò)負(fù)荷2 h，3倍過(guò)負(fù)荷2 min設(shè)計(jì)配置。時(shí)速250 km/h高鐵的一個(gè)供電臂單相變壓器安裝容量普遍為20～31.5 MVA。也就是說(shuō)，一個(gè)供電臂最多允許負(fù)荷在40～63 MVA。一般，跨鐵路局的動(dòng)車組采用長(zhǎng)編組動(dòng)車組，其容量為20 MVA左右。按照時(shí)速250 km/h以及供電臂的長(zhǎng)度，一個(gè)供電臂最多存在4列動(dòng)車組。當(dāng)然，4列動(dòng)車組不會(huì)同時(shí)達(dá)到最大功率。但是有2列同時(shí)達(dá)到，而另外2列正常發(fā)揮功率，是比較常見(jiàn)的。這種工況下，負(fù)荷基本上可以達(dá)到50 MVA。如果牽引變壓器安裝容量偏低，即容易引發(fā)過(guò)負(fù)荷跳閘、阻抗I段保護(hù)跳閘等現(xiàn)象。

對(duì)已運(yùn)行的某高鐵進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，如圖1所示。當(dāng)動(dòng)車組剛通過(guò)電分相后，其將以最大的輸出功率進(jìn)行加速，此時(shí)動(dòng)車組是滿功率運(yùn)行。牽引變電所高壓側(cè)電流對(duì)應(yīng)的測(cè)試電壓為353 kV，牽引變壓器發(fā)生2.7倍的過(guò)負(fù)荷。同一供電臂正好有2列動(dòng)車組駛出電分相，供電臂其他位置又同時(shí)還有2列動(dòng)車組在運(yùn)行，牽引變壓器一臂的總?cè)萘繜o(wú)法滿足供電需求，保護(hù)動(dòng)作。

(a) 現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試；(b) 測(cè)試電流

2 容量補(bǔ)償原理

設(shè)牽引側(cè)電壓有效值為，動(dòng)車組最大運(yùn)行電流有效值為。假設(shè)供電臂中僅有1列動(dòng)車組運(yùn)行，且接觸網(wǎng)阻抗均勻。牽變副邊繞組容量輸出如表1所示。可見(jiàn)，T繞組承擔(dān)了更多的負(fù)荷。為了便于牽變的制造，Vx接線牽變往往將T和F繞組設(shè)置為相同容量。設(shè)牽變?cè)吚@組為31.5 MVA，T和F繞組均設(shè)置為20 MVA。所以，限制牽變溫升的是T繞組的容量輸出。若能采取措施，優(yōu)化T繞組的容量發(fā)揮，即能提高牽變的過(guò)負(fù)荷能力。

表1 副邊繞組容量輸出

基于國(guó)內(nèi)250 km/h高鐵的容量現(xiàn)狀，在不改變既有牽引供電設(shè)施的前提下，增設(shè)潮流控制器(Power Flow Controller，以下簡(jiǎn)稱PFC)，將負(fù)荷按需分配給Vx牽引變壓器2個(gè)供電臂的T繞組，如圖2所示。

PFC采用單相全橋背靠背變流器，作為有功功率傳輸?shù)某绷骺刂蒲b置，同時(shí)補(bǔ)償部分負(fù)序、諧波、無(wú)功。其僅連接T繞組，大大減小了安裝容量，降低了經(jīng)濟(jì)成本。

設(shè)電網(wǎng)側(cè)電壓三相對(duì)稱，取U為基準(zhǔn)向 量，則

考慮Vx接線牽引變壓器，設(shè)PFC 2個(gè)端口電壓為

T線輸出電流為

其中諧波電流為

從負(fù)載角度看，牽引側(cè)T線輸出功率為

暫不考慮F繞組的負(fù)序影響，Vx接線向量關(guān)系如圖3所示。

由圖3(a)可知，兩供電臂電流映射到電源側(cè)，存在負(fù)序電流。這是由V型接線的結(jié)構(gòu)決定的。

對(duì)兩供電臂分別補(bǔ)償無(wú)功功率，將相電流補(bǔ)償超前30°，相電流補(bǔ)償滯后30°，從而實(shí)現(xiàn)電源側(cè)三相電流對(duì)稱，如圖3(c)所示。

(a) 補(bǔ)償前；(b) 平衡有功功率后；(c) 補(bǔ)償無(wú)功功率后

由向量圖的補(bǔ)償分析可知，牽引變壓器副邊端口電流期望值為

牽引變壓器T繞組輸出功率為

以一個(gè)電源周期計(jì)算，牽引變壓器T繞組輸出能量等于牽引側(cè)T線輸出能量與直流側(cè)變化的能量之和，即

由式(5)和式(7)得

由式(9)可知，穩(wěn)態(tài)時(shí)，PFC的兩端口分別需傳遞兩供電臂有功分量的差值，實(shí)現(xiàn)牽引變壓器容量利用均攤；補(bǔ)償無(wú)功分量，實(shí)現(xiàn)電源側(cè)三相對(duì)稱；補(bǔ)償諧波分量，實(shí)現(xiàn)T繞組的完全補(bǔ)償。所以，Vx牽引變壓器副邊T繞組指令電流為

從而補(bǔ)償指令電流為

3 控制策略

考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，宜采用級(jí)聯(lián)變流器。為此，配置單極性載波相移正弦脈寬調(diào)制CPS-SPWM (Carrier phase shifted SPWM)技術(shù)，將等效開關(guān)頻率提高至SPWM控制的2 N倍，從而大大降低變流器自身產(chǎn)生的諧波最低次數(shù)。

常規(guī)運(yùn)行工況，當(dāng)動(dòng)車組位于第二AT段時(shí)，T繞組與F繞組的功率輸出相同，且均不高，不必投入PFC，牽引變壓器的過(guò)負(fù)荷能力完全勝任。當(dāng)動(dòng)車組位于第一AT段時(shí)，T繞組的輸出功率大于F繞組。F繞組功率輸出小，不必投入PFC；T繞組功率輸出高，極端情況下多列動(dòng)車組同時(shí)運(yùn)行有可能超過(guò)牽引變壓器的過(guò)負(fù)荷能力。所以，以牽引變壓器2倍過(guò)負(fù)荷為啟動(dòng)條件，當(dāng)同一供電臂負(fù)荷達(dá)到啟動(dòng)條件時(shí)，投入PFC，將兩供電臂的輸出功率均攤在兩相上，充分利用輕負(fù)荷相的變壓器供電能力，同時(shí)兼顧電能質(zhì)量的補(bǔ)償。

圖4 控制策略

4 仿真分析

基于MATLAB/Simulink建立仿真模型，參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)參數(shù)

4.1 單列SS機(jī)車運(yùn)行工況

為了驗(yàn)證PFC的電能質(zhì)量補(bǔ)償能力，負(fù)荷采用SS機(jī)車特性，即

為驗(yàn)證潮流的控制能力，設(shè)牽變相上行有1列機(jī)車滿功率運(yùn)行(剛通過(guò)變電所出口處的電分相)，牽引變電所兩供電臂再無(wú)其他負(fù)荷。仿真動(dòng)車組過(guò)分相后，位于相首端，牽變T繞組端口及PFC兩端口的電流，如圖5所示。

由仿真結(jié)果可知，當(dāng)動(dòng)車組接近牽引變電所相首端時(shí)，PFC的兩端口分擔(dān)T繞組一半的有功功率輸出，同時(shí)補(bǔ)償無(wú)功、負(fù)序、諧波。

(a) 負(fù)荷電流；(b) 牽引側(cè)電流；(c) 補(bǔ)償電流；(d) 電源側(cè)電流

4.2 兩供電臂均有SS機(jī)車負(fù)荷運(yùn)行工況

當(dāng)兩供電臂均有負(fù)荷存在時(shí)，假設(shè)相的負(fù)荷為2列機(jī)車，相的負(fù)荷為1列機(jī)車。仿真結(jié)果如圖6所示。

(a) 負(fù)荷電流；(b) 牽引側(cè)電流；(c) 補(bǔ)償電流；(d) 電源側(cè)電流

可知，PFC的雙向有功傳輸及補(bǔ)償作用，實(shí)現(xiàn)了在兩供電臂內(nèi)的負(fù)荷能量均勻分?jǐn)偅⒃谝欢ǔ潭壬蠈?shí)現(xiàn)了電能質(zhì)量補(bǔ)償(因?yàn)榧僭O(shè)暫不考慮F 繞組)。

如圖7所示，CPS-SPWM技術(shù)提升了變流器產(chǎn)生的最低諧波次數(shù)，從而降低了開關(guān)管的成本。

4.3 380AL動(dòng)車組容量補(bǔ)償運(yùn)行工況

如圖8所示，仿真采用380AL動(dòng)車組(29MVA)。0.1～0.2 s，相供電臂近端僅有1列動(dòng)車組時(shí)，相端口發(fā)揮29 MVA(1.45倍過(guò)負(fù)荷)，變壓器自身的過(guò)負(fù)荷能力可以滿足要求，PFC無(wú)需投入。0.2～0.4 s，相供電臂近端上下行同時(shí)運(yùn)行2列動(dòng)車組時(shí)，相端口發(fā)揮58 MVA(2.9倍過(guò)負(fù)荷)。0.4～0.6 s，PFC啟動(dòng)，將負(fù)荷在牽引變壓器兩副邊繞組中平分，由于PFC通過(guò)補(bǔ)償無(wú)功功率來(lái)補(bǔ)償負(fù)序，使得牽引變壓器兩副邊端口實(shí)際各發(fā)揮33.5 MVA的能力(1.67倍過(guò)負(fù)荷)。

圖7 單極性載波相移正弦脈寬調(diào)制輸出

(a) 容量輸出；(b) 牽引側(cè)電流；(c) 電源側(cè)電流

5 結(jié)論

2) 在一定程度上補(bǔ)償了電能質(zhì)量。尤其在運(yùn)營(yíng)初期，供電臂容性負(fù)荷偏高，可有效提高功率因數(shù)。

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Study on optimization of comprehensive compensation capacity of high-speed railway traction power supply system

WEI Guang

(State Key Laboratory of Rail Transit Engineering Informatization (FSDI), Xi’an 710043, China)

When the high-power cross line EMU runs on the 250 km/h high-speed railway and passes through the electric phase separation, the overload of the traction transformer is serious and the protection is easy to misoperate. Therefore, a solution based on the power flow controller (PFC) was proposed, the current distribution mechanism was analyzed, and the compensation control strategy was deduced. Through the balance control of power flow, the load of EMU in the two power supply arms is optimally distributed and evenly distributed on the two windings of traction transformer, which reduces its capacity demand. At the same time, it plays an obvious role in improving the power quality. This scheme is suitable for the reconstruction of existing or new-built traction substation, and its feasibility and superiority are verified by simulation. It’s satisfactory optimization of power flow control improves the technical economy of the project.

250 km/h high speed railway; Vx connection; power flow control; power quality compensation

TM922.4；U223.5

A

1672 ? 7029(2020)12 ? 3021 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200109

2020?02?14

中國(guó)鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃課題(2017J005-C)；中國(guó)鐵建股份有限公司科技研究開發(fā)計(jì)劃課題(2018-B12)；川藏鐵路科研課題(院科(川藏)19-26)；中鐵一院青年創(chuàng)新科研課題(院科19-84)

魏光(1984?)，男，陜西西安人，高級(jí)工程師，從事高速鐵路牽引供電系統(tǒng)研究及工程設(shè)計(jì)；E?mail：184613852@qq.com

(編輯 涂鵬)