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        基于組合式變換器的川藏鐵路貫通供電方案電氣性能仿真分析

        2022-05-09 13:23:30夏焰坤任俊杰
        四川電力技術(shù) 2022年2期
        關(guān)鍵詞:變壓器

        夏焰坤,任俊杰

        (西華大學(xué)電氣與電子信息學(xué)院,四川 成都 610039)

        0 引 言

        川藏鐵路全長近1514 km,是本世紀(jì)中國乃至世界最偉大的鐵路工程項(xiàng)目之一,也是迄今為止建設(shè)難度最大、風(fēng)險(xiǎn)最高的重點(diǎn)鐵路工程,號(hào)稱“高原過山車”。川藏鐵路自東向西依次經(jīng)過五大地貌單元,穿越6條構(gòu)造邊界斷裂和8條全新世活動(dòng)斷裂帶,翻越21座海拔4000m以上山峰,跨越14條江河,線路8起8伏,嶺谷相對高差達(dá)1500~3000 m,屬典型的多“V”型高山峽谷地貌。牽引供電系統(tǒng)是川藏鐵路的唯一動(dòng)力來源,其供電質(zhì)量的優(yōu)劣將對保障列車安全、可靠、高效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生重大影響。川藏鐵路牽引方面目前主要存在著高海拔、坡度大、自然環(huán)境惡劣、沿線電網(wǎng)薄弱等問題[1-3]。尤其是處于高原地帶外部電源(西藏電網(wǎng))十分薄弱地區(qū),其電網(wǎng)架構(gòu)稀疏,供電系統(tǒng)短路容量小,供電能力弱,既有平原電氣化鐵路供電方案難以滿足川藏鐵路建設(shè)技術(shù)要求,主要體現(xiàn)在以下方面的挑戰(zhàn):

        1)既有供電方案下各供電臂相互獨(dú)立,供電半徑較短,沿線需建設(shè)大量牽引變電所,由于外部電源薄弱和匱乏,無法滿足大規(guī)模供電需求。較小的系統(tǒng)短路容量導(dǎo)致較大的電力系統(tǒng)電壓損失,使得牽引網(wǎng)末端電壓可能低于電力機(jī)車車載變流器最低工作電壓,引起低電壓閉鎖。

        2)系統(tǒng)短路容量較小使得電力系統(tǒng)承受的負(fù)序能力低,電氣化鐵路產(chǎn)生的負(fù)序[4-7]通過公共連接點(diǎn)注入電力系統(tǒng),將對系統(tǒng)電能質(zhì)量造成嚴(yán)重“污染”。

        3)山區(qū)、高原地區(qū)海拔落差大,大長坡道區(qū)段較多,列車爬坡速度低,列車下坡里程長。這常常使得牽引供電臂一臂處于再生制動(dòng)狀態(tài)、另一臂處于空載或牽引狀態(tài),牽引供電臂能量得不到有效支援和利用,占用牽引供電系統(tǒng)供電容量,惡化負(fù)序水平,同時(shí)影響行車安全。

        上述問題的解決,將對促進(jìn)高原鐵路的順利建設(shè)和可靠運(yùn)行具有重要的工程現(xiàn)實(shí)意義。

        近年來興起的同相供電技術(shù)[8-15],將大功率的電力電子變流器引入到牽引變電所來補(bǔ)償負(fù)序,并能取消所內(nèi)電分相。國內(nèi)開展了同相供電技術(shù)的相關(guān)工程實(shí)踐,取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益,但主要側(cè)重于單個(gè)牽引變電所負(fù)序改善,線路分區(qū)所處依然保留有電分相環(huán)節(jié),未能實(shí)現(xiàn)線路的全線貫通[16-21]。

        在上述研究基礎(chǔ)上,提出了一種適用于川藏鐵路牽引供電系統(tǒng)的貫通供電方案。該方案在牽引變電所采用單相變壓器來實(shí)現(xiàn)供電同相位,通過大功率變換器來實(shí)現(xiàn)三相之間功率平衡,消除單相負(fù)荷引起的負(fù)序影響。下面首先分析了所提系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理,再介紹了變換器控制方法;最后,在仿真平臺(tái)上進(jìn)行了不同列車追蹤時(shí)間下的仿真。仿真結(jié)果表明所提方案電氣性能指標(biāo)能較好地滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

        1 基于組合式變換器的貫通供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與原理

        1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

        基于組合變換器的集中式貫通供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1所示。圖1中給出了4個(gè)牽引變電所,每個(gè)變電所均采用單相變壓器TT作為牽引變壓器,選取其中一個(gè)變電所安裝大功率電力電子變換器(power flow controller,PFC)。該變換器輸入側(cè)為一個(gè)三相變壓器T1,輸出側(cè)為一個(gè)單相變壓器T2,兩臺(tái)變壓器組合構(gòu)成一個(gè)等效平衡變壓器。變換器實(shí)現(xiàn)從三相系統(tǒng)中A相取電,傳遞功率到牽引網(wǎng)所在相(B、C相)。

        圖1 基于變換器的貫通同相牽引供電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

        1.2 組合式變壓器平衡原理

        由三相變壓器和單相變壓器構(gòu)成的等效平衡變壓器端口電壓相量關(guān)系見圖2所示。三相電壓分別為UA、UB和UC,等效的兩單相電壓分別為uα和uβ。一相對應(yīng)三相系統(tǒng)線電壓,一相對應(yīng)三相系統(tǒng)相電壓,二者剛好在相位上相差90°,即uα超前uβ90°。

        圖2 組合變壓器電壓相量

        單相背靠背連接的變換器兩端口與組合式變壓器連接在一起,如圖3所示。變換器實(shí)現(xiàn)uα和uβ兩個(gè)端口之間的功率融通,以最大限度消除負(fù)序。

        圖3 變換器結(jié)構(gòu)

        變換器平衡補(bǔ)償原理如下:

        忽略諧波影響,變換器端口電壓可假設(shè)為

        (1)

        式中:U1為基波電壓有效值;ω為角頻率。

        貫通線路等效負(fù)載電流為

        (2)

        式中:N為變電所數(shù);Im、φn為第n個(gè)變電所電流有效值、電流阻抗角;I、φ分別為等效負(fù)載電流有效值、電流阻抗角。

        則等效負(fù)載瞬時(shí)功率為

        s(t)=uβ(t)i(t)=U1Icosφ-U1Icos 2ωt

        (3)

        式中,U1Icosφ為負(fù)載有功功率。

        如果變換器剛好能從uα傳遞負(fù)載一半的有功功率到uβ,并在uβ側(cè)補(bǔ)償無功功率,則從平衡變壓器次變兩個(gè)端口看來,兩個(gè)端口輸出的有功功率完全相同,此時(shí)變換器兩端輸出的補(bǔ)償容量分別為

        (4)

        2 變換器控制策略

        變換器由大功率電力電子器件構(gòu)成,器件通常組成橋式結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)交流-直流-交流的變換。其控制方式靈活多樣,主要有直接電流控制、間接電流控制、瞬態(tài)電流控制和直接功率控制等。直接功率控制是一種標(biāo)量控制方法,具有實(shí)現(xiàn)簡單、控制穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),近年來得到快速發(fā)展。這里的變換器采用直接功率控制方法來實(shí)現(xiàn)功率指令的閉環(huán)跟蹤。以ua側(cè)為例,構(gòu)造對稱的電壓uα和uβ,對稱的電流為iα和iβ,此時(shí)單相側(cè)瞬時(shí)有功和無功功率為

        (5)

        對式(5)進(jìn)行求導(dǎo),可得

        (6)

        變換器端口列寫基爾霍夫電壓方程為:

        (7)

        (8)

        式中:ucα和ucβ為變流器端口電壓;L為電感。

        整理式(5)—式(8)可得到變換器端口輸出電壓表達(dá)式為

        (9)

        式中: dp=pref-p,dq=qref-q;pref與qref分別為有功指令和無功指令。

        在計(jì)算得到變換器端口輸出電壓之后,利用SPWM調(diào)制技術(shù),分別得到單相橋式結(jié)構(gòu)4個(gè)開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào),變換器控制結(jié)構(gòu)見圖4所示。從圖中可以看出,uα側(cè)以電壓為控制外環(huán),功率為控制內(nèi)環(huán);uβ側(cè)只有功率環(huán)。功率為穩(wěn)定的直流分量,方便控制環(huán)路的設(shè)計(jì)。

        圖4 變換器控制框

        3 建模與仿真分析

        為驗(yàn)證所提基于組合式變換器的貫通同相供電系統(tǒng)電氣性能,在Matlab仿真軟件上搭建了圖1相關(guān)電氣模型,假設(shè)貫通線路3個(gè)變電所互聯(lián)在一起。系統(tǒng)包含三相電網(wǎng)、3個(gè)單相牽引變壓器、組合式變換器等。與川藏電網(wǎng)供電實(shí)際情況相接近,三相系統(tǒng)電壓取115 kV,系統(tǒng)短路容量設(shè)置為1500 MVA,牽引變壓器容量設(shè)置為30 MVA,模擬3個(gè)變電所構(gòu)成一個(gè)貫通線路分區(qū),每個(gè)所供電線路長為40 km,牽引變壓器額定電壓為27.5kV,變換器安裝在第2個(gè)牽引變電所,變換器采用單相背靠背變流器結(jié)構(gòu),隔離變壓器低壓側(cè)為930 V,變換器采用直接功率控制,方便對輸入和輸出進(jìn)行快速跟蹤。牽引網(wǎng)采用直接供電方式,阻抗設(shè)為0.21+j0.52 Ω/km。

        動(dòng)車組采用額定功率5 MW/列,分別對15 min和30 min追蹤列車間隔時(shí)間來分析貫通系統(tǒng)相關(guān)電氣性能。15 min和30 min追蹤列車間隔時(shí)間下列車在線路上的分布見圖5所示(圖中△和○分別代表15 min追蹤和30 min追蹤列車位置),其中線路采用復(fù)線供電方式。

        圖5 列車分布位置

        1)電壓偏差分析

        電壓偏差是牽引網(wǎng)供電電壓重要的指標(biāo)之一,規(guī)定牽引網(wǎng)最低電壓不能低于19 kV。圖6給出不同列車追蹤時(shí)間下的牽引網(wǎng)電壓分布情況。

        圖6 不同追蹤列車間隔時(shí)間下的牽引網(wǎng)電壓分布

        從圖6中可以看出,不同追蹤列車間隔時(shí)間下,牽引網(wǎng)電壓均接近額定值。未采用組合變換器牽引網(wǎng)最低電壓為27.52 kV,電壓偏差很小。采用組合變換器補(bǔ)償后,牽引網(wǎng)電壓最低為27.61 kV,電壓偏差僅為110 V。

        2)負(fù)序和功率因數(shù)分析

        負(fù)序和功率因數(shù)是電網(wǎng)對牽引供電系統(tǒng)考核的兩個(gè)重要指標(biāo)。表1給出了不同追蹤列車間隔時(shí)間下的系統(tǒng)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,同時(shí)圖7給出了指標(biāo)對比情況。

        圖7 變換器投入前后(t=0.2 s投入)三相側(cè)負(fù)序和功率因數(shù)

        表1 負(fù)序和功率因數(shù)對比

        從表 1可以看出,采用組合變換器后,對負(fù)序改善較為明顯,沒有補(bǔ)償前負(fù)序最大為2.41%,大于國家標(biāo)準(zhǔn)2%限制要求。采用組合變換器補(bǔ)償后,負(fù)序最大僅0.21%,說明負(fù)序治理效果明顯。而功率因數(shù)主要受機(jī)車負(fù)載影響,因機(jī)車功率因數(shù)較高,系統(tǒng)側(cè)功率因數(shù)最小值均大于 0.95,高于國家標(biāo)準(zhǔn)值0.9的要求。此外,圖8給出了系統(tǒng)側(cè)三相電流在補(bǔ)償前后波形(0.2 s時(shí)投入補(bǔ)償),從圖中可以看出三相電流在補(bǔ)償前嚴(yán)重不對稱,經(jīng)過變換器補(bǔ)償后三相電流大小基本對稱,峰值由400 A降至280 A,降低了30%。

        圖8 變換器投入前后三相側(cè)電流波形

        3)變壓器容量分析

        傳統(tǒng)高速鐵路牽引變壓器容量一般都選50 MVA,并且三相系統(tǒng)短路容量較大,而川藏鐵路三相系統(tǒng)短路容量小得多,列車班次密度小。采用貫通供電模式后,牽引變壓器可如文中選取30 MVA,單個(gè)變電所短時(shí)負(fù)荷最大為10 MVA左右,這樣可減少牽引變壓器總?cè)萘客度?,從而有助于降低系統(tǒng)容量電費(fèi)、安裝和運(yùn)營成本。

        綜上所述,所提貫通供電系統(tǒng)電壓偏差、負(fù)序和功率因數(shù)等技術(shù)指標(biāo),在投入組合變換器后均能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)要求。

        4 結(jié) 論

        上面提出了一種適用于高原鐵路的貫通供電系統(tǒng)方案,建立了相關(guān)仿真模型,模型仿真表明:采用組合式變換器構(gòu)成的貫通供電系統(tǒng)多項(xiàng)主要電氣指標(biāo)能達(dá)到相關(guān)指標(biāo)要求。15 min追蹤列車間隔時(shí)間下,電壓偏差僅110 V;采用組合變換器補(bǔ)償后,負(fù)序最大僅0.21%;三相系統(tǒng)功率因數(shù)均高于0.98。

        該方案為實(shí)現(xiàn)工程設(shè)計(jì)和實(shí)施可提供理論借鑒和技術(shù)參考。

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