郭培健 ，嵇世卿 ，劉娟 ，何晉偉 ，白洋 ，郭巖

（1.電氣傳動(dòng)國家工程研究中心，天津 300180；2.深圳市寶安任達(dá)電器實(shí)業(yè)有限公司，廣東 深圳 518108；3.天津大學(xué)電氣自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，天津 300072；4.天津天傳電控設(shè)備檢測有限公司，天津 300180；5.空軍裝備部駐沈陽地區(qū)第一軍事代表室，遼寧 沈陽 110000）

目前，許多國家的遠(yuǎn)距離電氣化鐵路使用27.5 kV單相交流電源。由于這種牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和負(fù)荷的特殊性，電力機(jī)車在運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生大量的無功功率、諧波、過相和電網(wǎng)電壓不平衡等問題。同相供電技術(shù)是目前最為有效的解決方式之一，其不僅提高了電能質(zhì)量，還消除了牽引變電所出口處的電分相環(huán)節(jié)，對重載型和高速型的牽引都具有重大意義。

組合式同相供電系統(tǒng)是李群湛等專家提出的一種新型的供電技術(shù)，其中，同相供電設(shè)備是組合式同相供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償、濾除諧波、平衡變換的核心部分，因此對該設(shè)備配置的繼電保護(hù)至關(guān)重要。文獻(xiàn)[1]分析了基于潮流變換器的同相供電系統(tǒng)的工作原理，文獻(xiàn)[2-4]研究了采用兩’背靠背?單相變流器結(jié)構(gòu)的潮流變換器的保護(hù)原則與整定計(jì)算。結(jié)合沙峪變電站的單-三相組合同相供電系統(tǒng)的繼電保護(hù)要求，本文介紹和分析了同相供電設(shè)備保護(hù)的理論基礎(chǔ)和設(shè)置計(jì)算原理。

1 單-三相組合式同相供電系統(tǒng)簡介

1.1 單-三相組合式同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1示意了電力牽引自耦變壓器（auto?transformer，AT）供電方式下，單-三相組合式同相供電系統(tǒng)方案。

圖1 單-三相組合式同相供電方案Fig.1 Single-three-phase combined co-phase power supply scheme

組合式同相供電變電站包括一個(gè)單相牽引變壓器（traction transformer，TT）和一系列的同相補(bǔ)償裝置（co-phase compensation device，CPD）。CPD包括高壓匹配變壓器（high voltage matching transfomer，HMT）、同相補(bǔ)償交直交變流器（ADDC-AC converter，ADA）和牽引匹配變壓器（traction matching transformer，TMT）。HMT 是基于 Ynd11接線方式的三相降壓變壓器；ADA是由IGBT組成的四象限D(zhuǎn)C-AC變換器；TMT是單相多繞組升壓變壓器，其一次繞組產(chǎn)生的電壓與牽引變壓器TT的相位和頻率相同，二次繞組的電壓幅值和相位與牽引變壓器TT相同，并與牽引總線相連。

1.2 單-三相組合式同相供電方案工作原理

牽引負(fù)載的計(jì)算電容等于單相牽引變壓器（TT）的計(jì)算電容與同相補(bǔ)償裝置（CPD）的計(jì)算電容之和，而CPD的計(jì)算電容是由引起三相電壓不平衡度超標(biāo)部分的牽引負(fù)荷的容量來確定，TT的計(jì)算容量一般大于CPD的計(jì)算容量。

當(dāng)牽引負(fù)荷功率小于或等于同相補(bǔ)償裝置容量的2倍時(shí)，牽引變壓器和同相補(bǔ)償裝置各提供牽引負(fù)荷功率的50%。此時(shí)，可以完全補(bǔ)償負(fù)序電流，產(chǎn)生的不平衡三相電壓為零。

當(dāng)牽引負(fù)荷功率大于同相補(bǔ)償裝置容量的2倍時(shí)，同相補(bǔ)償裝置提供其最大容量功率，其余部分由牽引變壓器提供。這時(shí)，有未補(bǔ)償?shù)呢?fù)序電流，但這樣產(chǎn)生的三相電壓不平衡符合國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.3 同相供電設(shè)備結(jié)構(gòu)

同相供電設(shè)備是同相供電系統(tǒng)的核心模塊，其主電路圖如圖2所示。該設(shè)備實(shí)現(xiàn)了諧波濾波、功率因數(shù)校正和平衡轉(zhuǎn)換等功能。其中交直交變流器與有源濾波器結(jié)構(gòu)類似，但二者在功能上各有側(cè)重。交直交變流器主要功能是使系統(tǒng)三相對稱平衡，同時(shí)對諧波和無功功率進(jìn)行補(bǔ)償。

圖2 同相供電設(shè)備主電路圖Fig.2 Main circuit diagram of the co-phase power supply equipment

實(shí)際運(yùn)行中，考慮電力電子器件的耐壓程度，選擇15個(gè)交直交變流器ADA模塊串聯(lián)，每個(gè)模塊由兩個(gè)’背靠背?單相變流器構(gòu)成。多個(gè)模塊變流器的一側(cè)與TMT的660 V繞組相連，構(gòu)成多重并聯(lián)的逆變器。交流電抗器L配合同相補(bǔ)償變流器ADA在變流的過程中起到提升輸出電流質(zhì)量的作用。

1.4 系統(tǒng)平衡變換原理

在單-三相組合同相供電系統(tǒng)中，高壓匹配變壓器的兩個(gè)端口的連接角差±90°，該供電系統(tǒng)可等效為圖3所示電路。直流側(cè)的電壓因系統(tǒng)特性影響，會(huì)存在固有的100 Hz的波動(dòng)，因此加入LC低通濾波器，能使系統(tǒng)直流電壓更加平穩(wěn)，進(jìn)而提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

圖3 同相供電系統(tǒng)等效電路Fig.3 Equivalent circuit of the co-phase power supply system

在設(shè)備運(yùn)行過程中，單相變壓器與同相補(bǔ)償裝置各提供50%的負(fù)載功率，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載功率的合理調(diào)配。

圖4為單-三相組合式同相供電平衡變換原理圖。圖中，主變壓器的變比為K1，Ynd11變壓器的變比為K2，先將高壓側(cè)的電壓降為500～2 000 V等級的電壓輸入到變流器，再將輸出電壓升壓到27.5 kV給負(fù)荷供電。A，B，C相電流分別為IA，IB，IC，規(guī)定流出為正，把負(fù)載當(dāng)成一個(gè)純阻性負(fù)載。若三相電流IA，IB，IC之間相角相差大小相等，且與各自相電壓的相位夾角為0，則此時(shí)系統(tǒng)中無負(fù)序電流。

圖4 單-三相組合式同相供電平衡變換原理圖Fig.4 Single-three-phase combined balance transformation of co-phase power supply schematic

運(yùn)用疊加原理，畫出向量圖，如圖5所示。

圖5 無負(fù)序電流系統(tǒng)向量合成圖Fig.5 Vector synthesis diagram of a nonnegative sequence current system

圖5所示的無負(fù)序電流系統(tǒng)向量合成圖要完全補(bǔ)償負(fù)序，必須要滿足以下條件：IA1，IA2向量合成的 IA與UA同相位，IB1，IB2合成的 IB與 UB同相位，且合成后的IA，IB，IC大小相等。

通過上述分析可得：

式中：Iα，Iβ分別為靜止坐標(biāo)系下的α，β軸電流。因此，只要使得Iα和Iβ的比值與變壓器變比的比值相等，就可以完全補(bǔ)償系統(tǒng)的負(fù)序電流。

2 同相供電設(shè)備保護(hù)方案

本節(jié)在牽引變電所原有的保護(hù)控制基礎(chǔ)上，對同相補(bǔ)償裝置配置以下保護(hù)：變壓器保護(hù)、交直交變流器保護(hù)、同相補(bǔ)償裝置有功功率差動(dòng)保護(hù)。

2.1 高壓匹配變壓器保護(hù)配置

HMT是一種基于Ynd11接線模式的三相變壓器，一般設(shè)有以下保護(hù)：差動(dòng)速斷保護(hù)、變比制動(dòng)和諧波制動(dòng)的差動(dòng)保護(hù)、過流保護(hù)、本體保護(hù)（包括重瓦斯、超溫、壓力釋放跳閘、輕瓦斯、油溫過高、低油位報(bào)警等信號）。其中，變壓器高壓側(cè)的斷路器設(shè)有熔斷器后備保護(hù)，包括啟動(dòng)時(shí)的過流保護(hù)和失壓保護(hù)、兩段過負(fù)荷保護(hù)（一段告警、二段跳閘）、PT斷線告警等；低壓側(cè)斷路器設(shè)后備保護(hù)包括低壓啟動(dòng)的過流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)、PT斷線告警等。

2.1.1 過電流保護(hù)

如果變壓器油箱出現(xiàn)外部或內(nèi)部故障，或者高壓匹配變壓器和AC-DC-AC變換器之間的連接線出現(xiàn)故障，過電流保護(hù)可對其起到保護(hù)作用，同時(shí)，該保護(hù)可為變壓器差動(dòng)保護(hù)以及交直交變流器的故障提供后備保護(hù)，一般配置在變流器的兩端。由于變壓器的低壓額定電流非常大，過電流保護(hù)可能無法滿足快速動(dòng)作的靈敏度要求，因此經(jīng)常使用低電壓啟動(dòng)的過電流保護(hù)。

低電壓啟動(dòng)時(shí)過電流保護(hù)的動(dòng)作電流常按照下式進(jìn)行整定：

式中：IN為變壓器的額定電流；Krel為可靠性系數(shù)，通常為1.2～1.3；Kre為返回系數(shù)，一般取0.95。

當(dāng)母線故障或者失電，使同相供電設(shè)備退出運(yùn)行時(shí)，低壓保護(hù)動(dòng)作。常根據(jù)母線運(yùn)行的最低電壓對低電壓啟動(dòng)的電壓值進(jìn)行整定。當(dāng)出現(xiàn)勵(lì)磁涌流時(shí)，過電流保護(hù)可能會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤動(dòng)作，因此加入了二次諧波閉鎖功能。

變壓器高、低壓側(cè)的過電流保護(hù)原理基本相同，每一相都可獨(dú)立進(jìn)行整定。A相過電流保護(hù)原理框圖如圖6所示，B相與C相原理與之類似。

圖6 高壓側(cè)A相過電流保護(hù)原理框圖Fig.6 Block diagram of high-voltage side A-phase overcurrent protection

圖6中，Uβ為低壓側(cè)β相電壓；Uset為低壓啟動(dòng)的電壓整定值；iA1，iA2分別為所測A相電流的基波值和二次諧波值；Iset1為高壓側(cè)A相的過電流保護(hù)整定值；Tset為動(dòng)作時(shí)限；系數(shù)K為二次諧波的閉鎖閾值，一般取15%～20%。

2.1.2 非電量保護(hù)

非電量保護(hù)主要包括重瓦斯、超溫、泄壓跳閘、輕瓦斯、高油溫和低油位報(bào)警等信號。其中，輕瓦斯對信號動(dòng)作，可使工作人員迅速對故障進(jìn)行處理；重瓦斯則對變壓器兩側(cè)斷路器動(dòng)作，使之跳閘。

2.2 牽引匹配變壓器保護(hù)配置

對牽引匹配變壓器的保護(hù)設(shè)置與高壓匹配變壓器類似，一般配置過電流保護(hù)與本體保護(hù)即可。

2.3 交直交變流器保護(hù)配置

交直交變流器與有源濾波器的結(jié)構(gòu)相似，因此對于該模塊的保護(hù)，可以參考有源濾波器進(jìn)行討論。為了提高整個(gè)裝置的可靠程度，外部保護(hù)和內(nèi)部保護(hù)共同構(gòu)成了總的保護(hù)系統(tǒng)。外部保護(hù)包括交流過電流保護(hù)、交流過電壓和欠電壓保護(hù)、直流過電壓和欠電壓保護(hù)、短路保護(hù)等；內(nèi)部保護(hù)包括過溫保護(hù)、模塊斷電（模塊通信故障）保護(hù)等。交直交變流器綜合保護(hù)策略如圖7所示。

圖7 交直交變流器綜合保護(hù)策略Fig.7 Comprehensive protection strategy for AC-DC-AC converters

2.3.1 過壓保護(hù)

過壓保護(hù)主要是對IGBT設(shè)置浪涌電壓保護(hù)。一般采取以下措施：對IGBT設(shè)置足夠裕量，對驅(qū)動(dòng)電路合理調(diào)整，增設(shè)緩沖保護(hù)電路。

2.3.2 過流保護(hù)

過流保護(hù)一般分為短路電流保護(hù)和過載電流保護(hù)。前者短路電流值可達(dá)到額定電流的8～10倍；后者為1.2～1.5倍。因此兩者的保護(hù)電路響應(yīng)時(shí)間不同，但保護(hù)動(dòng)作基本相似，即封鎖IG?BT的觸發(fā)脈沖，使變流器的輸出電流為零。

2.3.3 過溫保護(hù)

通常情況下，溫度傳感器對IGBT的外殼溫度進(jìn)行檢測。當(dāng)收集的信號超過溫度閾值時(shí)，變換器的脈沖被阻斷，以實(shí)現(xiàn)過熱保護(hù)。

2.4 同相補(bǔ)償裝置縱差保護(hù)

同相補(bǔ)償裝置縱差保護(hù)即對同相補(bǔ)償裝置設(shè)置系統(tǒng)級的功率差動(dòng)保護(hù)。

由于同相供電設(shè)備基波輸入的有功功率值與其輸出的有功功率值相等，因此可對其配置有功功率差動(dòng)保護(hù)，其原理框圖如圖8所示。其中，PCD為差動(dòng)有功功率；Pα1，Pβ1分別為同相補(bǔ)償裝置的α口和β口的基波有功功率；Pset為有功功率差動(dòng)保護(hù)的設(shè)定閾值；TP為動(dòng)作時(shí)間限度。

圖8 有功功率差動(dòng)保護(hù)原理框圖Fig.8 Active power differential protection principle block diagram

3 仿真結(jié)果

3.1 正常工況

同相供電時(shí)，正常工況下的仿真模型見圖2，合上所有的斷路器，仿真結(jié)果如圖9所示，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行，但系統(tǒng)電流中存在著較大的負(fù)序電流分量。

圖9 傳統(tǒng)同相供電系統(tǒng)電壓、電流波形Fig.9 Voltage and current waveforms of a conventional co-phase power supply system

采用單-三相組合式供電時(shí)，正常工況下的仿真模型見圖4，仿真結(jié)果如圖10所示。主變壓器一次側(cè)各相的電壓電流處于相同相位，實(shí)現(xiàn)了諧波濾除和無功補(bǔ)償功能，達(dá)到了三相平衡，使該系統(tǒng)中的單相和非線性負(fù)荷等同于電力系統(tǒng)中的純電阻三相平衡負(fù)荷。

圖10 實(shí)現(xiàn)同相供電的三相電壓、電流Fig.10 Realization of three-phase voltage and current of the co-phase supply

3.2 空載運(yùn)行

同相供電設(shè)備空載運(yùn)行時(shí)，負(fù)載電流接近于零，變流器兩端電流如圖11所示。仿真中加入了變流器脈沖封鎖保護(hù)，因此空載運(yùn)行狀態(tài)下，兩變流器的補(bǔ)償電流均近似為零，此時(shí)同相補(bǔ)償裝置暫時(shí)失去補(bǔ)償效果。

圖11 變流器兩端電流Fig.11 Currents at both ends of the converter

3.3 交直交變流器內(nèi)部故障

仿真中暫不考慮交直交變流器內(nèi)部保護(hù)功能，0.1 s時(shí)，變流器內(nèi)部故障，過渡電阻取0.01 Ω，仿真結(jié)果如圖12、圖13所示。有功功率差動(dòng)保護(hù)和過電流保護(hù)均可以作為交直交變流器內(nèi)部故障時(shí)的后備保護(hù)，但有功功率差動(dòng)保護(hù)靈敏度更高。

圖12 交直交變流器輸出電流Fig.12 AC-DC-AC converter output current

圖13 差動(dòng)有功功率Fig.13 Differential active power

交直交變流器內(nèi)部短路故障后，其α側(cè)與β側(cè)的輸出電流和輸出功率均變化明顯，在故障發(fā)生瞬間，兩側(cè)的有功功率差值會(huì)出現(xiàn)一個(gè)峰值，繼而下降，這是由于短路后交直交變流器無法及時(shí)正常進(jìn)行功率交換所造成的。

4 結(jié)論

本文詳細(xì)介紹了單-三相組合式同相供電試運(yùn)行系統(tǒng)，利用單相變壓器與Ynd11接線方式的三相變壓器的配合，與同相電源連接，實(shí)現(xiàn)同相供電。同相供電技術(shù)可以全面解決當(dāng)前牽引供電系統(tǒng)中存在的負(fù)序、諧波、無功、過分相等諸多問題，是未來高速重載鐵路供電的一個(gè)重要研究方向。通過理論分析和仿真測試，本文研究了同相電源裝置的工作和保護(hù)原理。綜上所述，可得以下結(jié)論：

1）交直交變流器是同相供電設(shè)備中最主要的同相補(bǔ)償裝置，其本質(zhì)是兩’背靠背?單相變流器。用該設(shè)備實(shí)現(xiàn)的同相供電系統(tǒng)具有明顯的優(yōu)勢，它不僅可以從根本上改善電能質(zhì)量，解決當(dāng)前供電系統(tǒng)中的負(fù)序、諧波和無功等問題，而且供電的可靠性、靈活性和經(jīng)濟(jì)性均得到提高。

2）同相供電電源的保護(hù)配置，包括為高壓匹配變壓器、牽引匹配變壓器和交直交變流器設(shè)置特殊保護(hù)。同時(shí)，將同相供電電源作為一個(gè)整體來考慮。配置了有功功率差動(dòng)保護(hù)，分別作為兩變壓器、變壓器與交直交變流器之間連接電纜的主保護(hù)，并作為交直交變流器的后備保護(hù)。為了提供全面、完善的同相供電設(shè)備保護(hù)，還配置了過電流保護(hù)、低電壓保護(hù)、非電量保護(hù)等保護(hù)功能。

3）利用Matlab/Simulink對組合式同相供電系統(tǒng)建立了仿真模型，對系統(tǒng)正常負(fù)荷運(yùn)行、空載、交直交變流器故障等工況進(jìn)行了模擬和分析。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該同相供電方案的可行性及其保護(hù)方案的正確性。