引言

同相供電裝置的主要任務是補償因牽引負荷引起的以負序為主的電能質量問題。電能質量還包括無功、高次諧波、電壓波動、閃變等問題,早期的相控型機車功率因數(shù)較低,無功問題比較凸出。而新投運的主要為交直交型傳動機車,其功率因數(shù)接近于1,無功問題基本消除,低頻段高次諧波也得到顯著改善,負序補償成為同相供電裝置的首要任務。在單相組合式同相供電系統(tǒng)中,牽引變壓器實現(xiàn)三相-兩相變換,引出的兩相只選擇其中一相作為直接負載供電相,另外一相通過同相補償裝置連接負載,通過控制同相補償裝置兩端的輸出電流,抵消負序電流,實現(xiàn)牽引變壓器原邊三相平衡。

系統(tǒng)運行時,牽引變壓器始終負責為接觸網(wǎng)供電,同相補償裝置的主要任務是補償不平衡電流,同時會根據(jù)實時負荷情況調整自身輸出有功電流的大小:當負荷功率較小時,同相補償裝置輸出與牽引變壓器相等量的有功功率,同時補償全部不平衡電流,三相補償度為100%:當負荷功率較大時,牽引變壓器輸出額定有功功率,不平衡電流難以完全補償,三相補償度依據(jù)負荷實際情況而定。

1基本結構

同相供電系統(tǒng)通常由牽引網(wǎng)和同相牽引變電所構成,其基本結構如圖1所示,圖中同相補償裝置以IPFC為例。其中,牽引變壓器和同相補償裝置是牽引變電所的主要組成部分,前者負責將網(wǎng)側三相電壓轉換為兩相牽引電壓,在變換電壓相位的同時也改變了電壓等級,常用的牽引變壓器類型包括:scott接線牽引變壓器[1]、V/v接線牽引變壓器、YNd11接線牽引變壓器、阻抗匹配平衡變壓器等。

組合式結構同相供電系統(tǒng)的優(yōu)勢在于:牽引變壓器與同相補償裝置在結構上不捆綁,補償裝置投運與否不影響牽引變壓器工作,其主要功能是補償負序電流,同時兼顧輔助牽引變壓器供電的任務,是目前國內科研與工程應用中主流的技術方案。其中單相組合式同相供電系統(tǒng)由于其牽引變壓器容量利用率高、裝置集成度高以及占地面積少等優(yōu)點,適用于新建電氣化高速鐵路。

單相組合式同相供電系統(tǒng)結構如圖2所示,主體由牽引變壓器(TT)和同相補償裝置(CPD)構成,后者又包含三個部分:

(1)高壓匹配變壓器(HMT):建立同相補償裝置與牽引網(wǎng)之間的聯(lián)系,起到隔離與降壓的作用。

(2)交直交變流器(ADA):建立牽引網(wǎng)與接觸網(wǎng)之間有功功率傳輸?shù)那?起到補償無功與濾除諧波的作用。

(3)牽引匹配變壓器(TMT):建立同相補償裝置與接觸網(wǎng)之間的聯(lián)系,起到升壓作用。

TT與HMT恰好構成不等邊scott變壓器的兩個相互垂直的繞組相[5],由于牽引變壓器與牽引匹配變壓器均為單相變壓器,它們的電壓等級均與負載電壓相等,且負載電流為牽引變壓器與牽引匹配變壓器電流之和,因此單相組合式同相系統(tǒng)的容量利用率為100%。

2同相供電裝置結構分析

2.1scott接線變壓器

scott接線變壓器是一種能夠實現(xiàn)三相一兩相變換的平衡變壓器,經(jīng)過變換后的兩相電壓相位相互垂直。如圖3所示,其拓撲結構異于一般的電力變壓器,導致在電氣量變換與計算分析過程中也存在差異。

圖中以A相為原邊、α相為副邊構成的變壓器稱為T變壓器,以B、C相為原邊、β相為副邊構成的變壓器稱為M變壓器,是主變壓器。Scott變壓器之所以稱為"垂直不等邊變壓器",是因為α相與β相輸出電壓相位垂直、幅值不等,T變壓器與M變壓器一次繞組連接點并非中性點,而是圖中的D點,使這兩個變壓器原邊電壓作為高壓匹配變壓器,兩者用處不同,因此兩個變壓器副邊匝數(shù)不再相等,前者副邊匝數(shù)不變,而后者副邊匝數(shù)根據(jù)補償裝置的特性進行設定。

根據(jù)圖3中的匝數(shù)比可以推出Scott變壓器原副邊的電壓關系滿足:

式中,U·α為α相電壓U·ad:U·β為β相電壓U·bc。

以圖3中箭頭所示為電流參考方向,則Scott變壓器原副邊電流關系滿足:

式中,Ⅰ·A為A相相電流:Ⅰ·B為B相相電流:Ⅰ·β為β相電流。

當原邊達到三相平衡時,原副邊的電壓相位關系如圖4所示。

根據(jù)圖4中的電壓相位關系,結合式(1)與(2)可知,牽引變壓器原邊達到三相平衡所要滿足的條件為:α相與β相電壓大小相等、相位相差90°。

Scott接線變壓器的優(yōu)點在于:當副邊兩相電流與功率因數(shù)都相等時,原邊達到三相電流平衡:副邊兩相相互解耦,一相的負載變化不會對另一相電壓產(chǎn)生影響,即使一相短路,另一相的輸出也不受影響,有利于在牽引網(wǎng)重負載情況下穩(wěn)定電壓水平:與基于級聯(lián)H橋的同相供電裝置搭配,容量利用率可達100%。因此,Scott變壓器在補償負序電流和無功電流、實現(xiàn)三相平衡、減小變壓器容量等方面具有獨特的優(yōu)勢,配合"背靠背"變流器能夠實現(xiàn)控制簡單、補償效果好、耐壓等級高、容量大、易于模塊化設計等目標。

2.2基于線間潮流控制器的補償裝置

IPFC適用于YNvd接線、Scott接線牽引變壓器,是工程上最常用的一種變流器結構。如圖5所示,兩個單相變流器通過直流電容耦合,形成四象限電壓型交直交變流器。

牽引變壓器與牽引匹配變壓器共同為負載供電,而交直交變流器本身并不向負載提供有功功率,僅僅作為高壓匹配變壓器與牽引匹配變壓器之間有功功率傳輸?shù)拿浇?。采用交直交變流器的?yōu)點在于:能夠通過控制變流器兩端口輸出電流的大小與相位,實現(xiàn)牽引變壓器負載電流的轉移與補償,轉移負載有功功率有利于減輕牽引變壓器供電壓力、減小其設計容量,補償負載無功與諧波電流則是為了提高網(wǎng)側電能質量。

如圖5所示,Scott接線牽引變壓器與IPFC的組合是單相組合式同相供電系統(tǒng)的基本結構,牽引變壓器原邊匝數(shù)為О1,副邊匝數(shù)為О2:低壓匹配變壓器原邊匝數(shù)為О3,副邊匝數(shù)為О2:高壓匹配變壓器原邊匝數(shù)為八3О1/2,副邊匝數(shù)為О3。不補償時牽引變壓器網(wǎng)側三相電流為:

潮流控制器投入補償后,根據(jù)電流平衡和磁勢平衡原理,牽引變壓器網(wǎng)側三相電流滿足如下關系:

解得牽引變壓器網(wǎng)測三項電流為：

經(jīng)過對稱分量法變換后,得到牽引變壓器原邊A相的零EQ \* jc3 \* hps17 \o\al(\s\up 2(

因此,A相負序電流幅值為:

式中,o為a相電流與β相電流的夾角。

當滿足o3Ia=o2Iβ、o=0時,IA2=0,即牽引變壓器原邊負序電流為零,又已知零序電流I·A0=0,因此上述條件成為實現(xiàn)網(wǎng)側三相平衡補償?shù)幕疽蟆?

3結語

本文首先介紹了同相供電系統(tǒng)及單相組合式同相供電系統(tǒng)的基本結構,然后結合scott變壓器和IPFC結構,詳細推導了單相組合式同相供電裝置的補償原理,可以為后續(xù)同相供電變流器控制策略的制定及設備的研制奠定理論基礎。