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        一種降低高鐵牽引供電系統(tǒng)負(fù)序電流的光伏發(fā)電接入方法

        2021-09-14 02:29:34夏焰坤
        四川電力技術(shù) 2021年4期
        關(guān)鍵詞:負(fù)序相電流變流器

        夏焰坤

        (1.西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院,四川 成都 610039;2.西南交通大學(xué)牽引動(dòng)力國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610031)

        0 引 言

        牽引供電系統(tǒng)是高速鐵路電力機(jī)車的唯一供電來源,其供電質(zhì)量水平一方面會(huì)對(duì)機(jī)車安全可靠運(yùn)行帶來影響,另一方面也會(huì)對(duì)三相供電系統(tǒng)造成影響[1-5]。目前高速鐵路主要的電能質(zhì)量問題在于單相大功率牽引負(fù)荷造成的三相供電系統(tǒng)的不平衡,即負(fù)序問題[6-12]。

        光伏發(fā)電[13]作為一種綠色、節(jié)能的新能源發(fā)電技術(shù),在全世界電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。傳統(tǒng)的光伏發(fā)電領(lǐng)域研究主要關(guān)注點(diǎn)在三相電力系統(tǒng),而隨著高速鐵路的快速發(fā)展,牽引供電系統(tǒng)伴隨鐵路線路的延伸也發(fā)展成一個(gè)非常龐大的供電網(wǎng)絡(luò)。在日照充足的地區(qū),如果能夠?qū)⒐夥茉匆氲綘恳╇娤到y(tǒng)將會(huì)對(duì)提高牽引供電系統(tǒng)的綠色、環(huán)保水平。為加快鐵路行業(yè)應(yīng)用新能源技術(shù),鐵道部門制定了多項(xiàng)相關(guān)規(guī)范,相關(guān)的研究報(bào)道和工程實(shí)際應(yīng)用相對(duì)較少。如何有效利用光伏電能,必將成為牽引供電系統(tǒng)一個(gè)重要的課題。

        文獻(xiàn)[14]研究了在全電力電子化的獨(dú)立貫通牽引供電系統(tǒng)的直流母線中接入新能源的構(gòu)想,用于綜合能源利用,但其主要適用于未來貫通供電系統(tǒng)。文獻(xiàn)[15]提出了一種光伏接入方案,但未考慮牽引供電系統(tǒng)三相-單相供電結(jié)構(gòu)的特殊性,未能合理利用光伏接入電能來改善牽引供電系統(tǒng)自身的問題。為此,從牽引供電系統(tǒng)不對(duì)稱供電結(jié)構(gòu)角度出發(fā),以平衡接線牽引變壓器牽引變電所為例,提出了一種既能充分利用光伏電能,又能有效改善牽引供電系統(tǒng)負(fù)序的光伏接入方法。

        首先,提出了一種光伏接入方法;其次,分析了負(fù)序改善原理,并提出了變流器控制策略;最后,在仿真平臺(tái)上搭建了模型進(jìn)行驗(yàn)證,論證所提方法的有效性。

        1 光伏接入方案結(jié)構(gòu)

        以平衡接線牽引變壓器變電所為例,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。三相電網(wǎng)電壓經(jīng)過三相-兩相平衡變壓器對(duì)稱變換成α、β兩單相電壓。光伏發(fā)電系統(tǒng)電池組件采用集中接入的方式,其直流母線通過兩組單相變流器分別與α、β兩相供電臂相連,實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。

        圖1 光伏接入牽引供電系統(tǒng)方案

        兩組變流器安裝容量相同,但其每組變流器饋入供電臂的電流需要根據(jù)負(fù)荷情況進(jìn)行合理分配。并網(wǎng)變流器需要檢測α、β兩相牽引負(fù)荷的電流或功率大小,與自身輸出電流或功率進(jìn)行比較,經(jīng)過分析判斷,計(jì)算出反饋給α、β兩相的并網(wǎng)電流或功率。圖1中T為升壓變壓器,起到隔離和升壓作用。

        2 光伏接入降低負(fù)序原理分析

        為簡化分析,不考慮機(jī)車負(fù)載諧波分量,假設(shè)平衡變壓器次邊兩個(gè)端口電壓為

        (1)

        對(duì)應(yīng)的供電臂負(fù)載電流分別為

        (2)

        式中,U、I1、I2分別為端口電壓和端口電流有效值。

        由文獻(xiàn)[16]相關(guān)理論可知,負(fù)載2個(gè)端口電流共同作用時(shí)的原邊三相電流表達(dá)式為

        (3)

        再利用對(duì)稱分量法可分解出正、負(fù)序電流,可得正序電流和負(fù)序電流通用表達(dá)式分別為

        (4)

        式中,φp為功率因數(shù)角。

        未接入光伏時(shí),牽引系統(tǒng)兩供電臂電壓和電流構(gòu)成的正序和負(fù)序見圖2所示。

        圖2 正序和負(fù)序

        負(fù)序合成電流大小為

        式(5)說明,負(fù)序合成電流不僅與兩供電臂電流大小有關(guān),還和功率因數(shù)角差值有關(guān)。兩供電臂電流有功成分在坐標(biāo)圖上共線反方向,起到相互抵消作用。

        接入光伏電能后,僅以光伏饋入有功電流為例,負(fù)序合成電流為

        (6)

        從式(6)可以看出光伏系統(tǒng)接入改變了原有系統(tǒng)負(fù)荷有功分配,靈活調(diào)節(jié)輸出電流Ic1和Ic2的分配,將有利于降低系統(tǒng)負(fù)序合成電流的大小。

        通常采用交直交變換的電力機(jī)車功率因數(shù)較高,忽略其無功,僅探討有功影響,則式(5)簡化為

        I-=K|I1-I2|

        (7)

        說明此時(shí)負(fù)序電流與兩供電臂電流差額有關(guān),當(dāng)兩供電臂負(fù)荷電流相等時(shí),負(fù)序電流為0。

        下面以高鐵負(fù)荷為例,不計(jì)無功影響,僅以有功來簡要分析Ic1和Ic2的分配對(duì)系統(tǒng)負(fù)序電流的影響。

        假設(shè)光伏接入的等效額定電流為I=Ic1+Ic2,當(dāng)I≤|I1-I2|時(shí),光伏容量補(bǔ)償負(fù)序不足,光伏電流完全饋入重載供電臂來減小負(fù)序,如圖3所示(以I2>I1為例),此時(shí)I-=Kp|I1-I2-I|。相反,如果此時(shí)光伏饋入電流完全到輕載臂,將會(huì)加大負(fù)序電流,則I-=K|I1-I2+I|。

        圖3 光伏接入負(fù)序

        當(dāng)I>|I1-I2|時(shí),說明光伏容量足夠補(bǔ)償負(fù)序,此時(shí)光伏電流同時(shí)饋入兩供電臂,既要補(bǔ)償電流差額,使得牽引負(fù)荷功率均衡,還要平衡多余的電流,使得合成負(fù)序?yàn)?,如圖4所示,此時(shí)兩組變流器饋入電流為

        圖4 負(fù)序

        圖5 僅光伏接入負(fù)序

        由上述分析可知,無論是輕載、帶載情況下,通過合理分配饋入的供電臂,光伏接入后牽引系統(tǒng)合成負(fù)序電流要么為0,要么會(huì)得到明顯減小。

        3 電流檢測與控制

        光伏接入系統(tǒng)變流器電流檢測與控制見圖6所示。首先,對(duì)兩供電臂負(fù)載電流有功分量進(jìn)行檢測,得到有效值I1和I2,電流差值即為不平衡電流。不平衡電流與光伏電池輸出電流指令I(lǐng)相比較進(jìn)行判斷,判斷邏輯見負(fù)序分析原理,從而計(jì)算出兩變流器電流分配指令I(lǐng)c1和Ic2。指令電流分別乘以對(duì)應(yīng)的端口同步信號(hào),即可得到變流器端口電流的瞬時(shí)值,該瞬時(shí)值經(jīng)過閉環(huán)控制得到變流器調(diào)制信號(hào)。

        圖6 電流檢測及控制框

        從而變流器端口的輸出電流指令為

        (9)

        4 仿真分析

        為驗(yàn)證所提方法的有效性,在Matlab/Simulink平臺(tái)上建立了相應(yīng)的仿真模型,參數(shù)見表1所示。其中變流器采用電流閉環(huán)控制、滯環(huán)調(diào)制方式。

        表1 仿真參數(shù)

        為直觀看出補(bǔ)償效果,負(fù)載分空載和帶載2種情況分別展開仿真。

        1)仿真情況1:兩供電臂空載

        當(dāng)兩供電臂處于空載的情況下,光伏系統(tǒng)仍然需要向系統(tǒng)并網(wǎng)饋入電能,由負(fù)序分析可知,兩變流器輸出電流大小相同,在三相系統(tǒng)中電流對(duì)稱,仿真結(jié)果如圖7所示。

        圖7 空載條件下仿真波形

        從圖7可以看出,在供電臂處于空載的情況下,光伏并網(wǎng)電流三相電流對(duì)稱,負(fù)序分量接近為0,說明采用所提方法接入光伏不會(huì)引入新的負(fù)序分量,和理論分析相符合。

        2)仿真情況2:兩供電臂帶載

        假設(shè)α、β兩相供電臂分別所帶機(jī)車負(fù)載為5 MW和8 MW,此時(shí)光伏系統(tǒng)電能2 MW需要完全饋入α相(重載臂)以改善不平衡電流,仿真結(jié)果如圖8所示。

        圖8 帶載條件下仿真波形

        從圖8可以看出,光伏接入前三相電流不對(duì)稱,合成負(fù)序功率為3 MW,不平衡度為23.07%。采用光伏接入重載臂后,合成負(fù)序功率為1 MW,三相電流不平衡度降低為9.09%。假設(shè)三相系統(tǒng)短路容量為2000 MVA,此時(shí)對(duì)應(yīng)的三相不平衡電壓近似為0.05%。如果光伏電能接入輕載臂,合成負(fù)序功率為5 MW,則三相電流不平衡度為45.5%,此時(shí)對(duì)應(yīng)的三相不平衡電壓近似為0.25%。顯然采用光伏接入需要根據(jù)負(fù)荷情況合理分配并網(wǎng)供電臂,才能有效降低負(fù)序電流。

        從以上兩種情況仿真可知,仿真結(jié)果符合理論分析。說明采用所提方法在充分利用新能源的前提下,同時(shí)有助于改善牽引供電系統(tǒng)負(fù)序電流問題。

        5 結(jié) 語

        上面提出了一種考慮光伏接入的牽引供電系統(tǒng)負(fù)序改善方法,得出如下結(jié)論:

        1)針對(duì)牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特殊性,根據(jù)負(fù)荷電流差值情況,靈活選擇光伏電能接入的供電臂,能夠有效改善牽引供電系統(tǒng)負(fù)序電流問題;

        2)該方法可以拓展到光伏加儲(chǔ)能接入、風(fēng)力發(fā)電接入等其他類型的新能源接入方式;

        3)該方法同樣可以拓展適用于三相-兩相非平衡變壓器結(jié)構(gòu)牽引變壓器(如YN/d11和VX牽引變壓器)。

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