基于YNvd接线变压器的同相牵引供电系统
2015-03-17夏炎
夏 炎
(铁道部经济规划研究院，北京 100038)
Cophase Traction Power Supply System Based on YNvd Connection Transformer
XIA Yan
基于YNvd接线变压器的同相牵引供电系统
夏炎
(铁道部经济规划研究院，北京100038)
Cophase Traction Power Supply System Based on YNvd Connection Transformer
XIA Yan
摘要基于YNvd接线变压器的同相供电系统有其优越性，利用有功电流分离法检测其综合补偿电流，并通过滞环比较电流控制方法对IPFC进行有效控制，可消除牵引系统造成的三相不平衡，滤除谐波和无功电流。在Matlab/Simulink环境下建立该同相供电系统，仿真验证了系统结构、电流检测方法和控制策略正确，方案可行。
关键词同相供电系统YNvd接线变压器综合潮流控制器有功电流分离法滞环比较电流控制法
铁路牵引供电系统是电力系统的重要负载之一，由于其采用的是单相工频交流供电制式，对于电力系统而言为三相不平衡负载，会引起系统产生大量谐波、负序和无功。为减少牵引系统对电力系统的不良影响，必须采用换相连接，可相对减小三相不平衡度。但这种改善是有限的，且不同供电区段之间必须用分相绝缘器来进行分离，而绝缘器又限制了机车连续平滑受流，限制了高速、重载铁路的发展。
为解决铁路牵引供电系统所引起的这些问题，许多方案被提出。从目前来看，同相供电技术是最有效的方法，即全线采用同一相位的电压。这种方法可以取消电分相，提高高速、重载铁路供电性能，同时同相转换装置可以补偿负载所需要的谐波和无功，大大改善电能质量[1-3]。
同相牵引供电系统主要由牵引变压器和综合潮流控制器(IPFC)组成。常见的牵引变压器接线形式有YNd11接线、Vv接线和平衡变压器等；根据变压器接线形式的不同，IPFC的结构也有所不同，主要分为三相三(四)桥臂结构和背靠背结构。文献[4-9]分别提出了基于YNd11变压器、Vv变压器、阻抗匹配平衡变压器以及斯科特变压器的同相供电系统方案。这些方案虽然实现了三相平衡变换，但都有一定局限性。本文将对基于YNvd接线变压器的同相供电系统方案进行研究以及仿真，验证其能够实现三相平衡输出，提高电能质量，是更加理想的同相供电系统方案。
1同相供电系统结构
同相供电系统是指全线提供同一相位的单相电，从而取消电分相，提高重载、高速铁路供电性能。其结构如图1所示。
图1 同相牵引供电系统结构
从图1可以看到，同相供电系统由牵引变压器和综合潮流控制器(IPFC)组成，牵引变压器将电网电能传递给IPFC，通过IPFC调节，输出单相牵引电给接触网。其中IPFC能够补偿负载所造成的无功和谐波，实现三相平衡变换，使电网仅提供有功功率，提高电能质量。在变电所馈线处就可以取消电分相，但考虑到多个相同结构的变电所可能形成环流以及灵活供电的需求，分段绝缘器(SP)依然需要保留。分段绝缘器距离短且两侧电压相位基本相同，机车可平滑通过，避免牵引力损失，减小对电网的不利影响，利于实现全线贯通供电和铁路高速、重载的发展。
2牵引变压器的选择
牵引变压器接线方式有很多，主要有单相接线、单相Vv接线、Scott接线、YNd11接线以及YNvd接线，各自拥有各自的特点，而其中又以YNvd接线变压器性能较优。YNvd接线变压器兼有阻抗匹配平衡变压器和斯科特变压器两者的优点：高压侧中性点可以直接接地，可降低绝缘制造成本；低压侧有三角形接线，利于三次谐波环流，改善波形；具有斯科特平衡变压器的优点，利于实现平衡输出；同时，YNvd变压器绕组数目较少，制造工艺简单。YNvd接线变压器为较为理想的变压器形式。
YNvd变压器结构如图2所示。
图2 YNvd变压器接线形式
根据YNvd变压器特性分析可知[10]，其原副边电流关系如式(1)
(1)
由对称分量法可对该式进行变化，得：
(2)
3IPFC结构及控制策略
3.1 IPFC结构
综合潮流控制器(IPFC)的结构由牵引变压器接线形式所决定。对于YNvd接线牵引变压器，IPFC采用背靠背四象限电压源型变流器，其具体结构如图3所示。
图3 背靠背型IPFC拓扑结构
从图3中可以看出，YNvd接线变压器副边输出的Uα和Uβ，分别供给IPFC两侧端口；iα和iβ为变压器副边输出的相应电流；ipα和ipβ为IPFC提供的补偿电流；负载供电从α端口输出，负载电流为iL。IPFC作为补偿调节装置，补偿负载电流iL所需的无功和谐波电流，使电网只提供有功功率。
3.2 平衡变换原理
(3)
其中Isr为电源指令电流幅值。
为简化分析，可根据变压器特性，设副边绕组输出电压如下
(4)
其中U为电源电压幅值。
此时电源输出瞬时功率为
(5)
负载电流iL可设为
(6)
其中In和φn非别为负载电流n(n=2、3、4…)次谐波的幅值和相位。
将基波电流按电压同轴和交轴方向分解，可对应得到Ip和Iq，则Ip=I1cosφ1，Iq=I1sinφ1。则负载电流iL可另写为
(7)
(8)
其中h(t)为谐波电流。
此时，负载瞬时功率为
pL(t)=uα·iL=UIp(1-cos2ωt)+
(9)
(10)
根据图3 所示，IPFC 对电源的补偿电流期望值为ipar = iL－iαr，ipβr= －iβr，即为
(11)
从上式中可以看出，IPFC的α端口补偿负载所需的无功及谐波电流；变压器副边α端口和β端口各为负载提供一半的有功电流，其中β端口提供的一半有功电流经由IPFC，由α端口输出，该式被称为系统的平衡变换条件[10]。此时，电力系统只提供有功功率，Ps=3UAIA(功率因数为1)，其中UA、IA为电力系统的相电压和相电流幅值，负载有功功率为PL=UαIp，且Ps=PL，可得
(12)
其中K为YNvd牵引变压器的变比。
当按上述方法完成平衡变换后，电源电流为基波正序电流，其瞬时值为
(13)
3.3 综合补偿电流检测
为了实现平衡补偿的目的，IPFC需要补偿负载所需的无功和谐波电流，此时电源只提供负载所需的有功功率。将需要补偿的无功和谐波电流称为综合补偿电流，其检测方法的优劣直接影响同相供电系统实现平衡补偿的效果。
综合补偿电流检测方法的种类很多，如频域分析FFT检测法、模拟带通滤波器检测谐波法、瞬时无功功率理论法、自适应检测法、有功电流分离法等[10]。其中有功电流分离法具有电路简单、实用性好、检测精度高等特点，这里采用有功电流分离法进行综合补偿电流检测。
其具体方法如下：
将有功电流分离法和平衡变换条件相结合，生成IPFC所需指令电流。已知负载电流如下
(14)
由基波有功电流、基波无功电流及谐波电流组成。将等式两端都乘以sinωt，得
(15)
将其通过低通滤波器，得
(16)
将该式左右两边分别乘以sinωt、cosωt，得
(17)
基于有功电流分离法和平衡变换条件的综合补偿电流检测策略如图4所示。
图4 有功电流分离法综合补偿电流检测
3.4 控制策略
确定了综合补偿电流检测方式，接下来可以通过控制电力电子器件开关状态，使IPFC输出能实时跟踪指令电流的补偿电流，从而达到良好的同相供电效果。滞环比较电流控制是一种得到广泛应用的控制方式，其鲁棒性好，容易实现[11]。该方法利用滞环比较器形成以0为中心、H和-H为上下限的死区，这样实际输出电流就被控制在以指令电流为中心、H和-H为限界的滞环宽度范围内。H的大小要综合考虑开关管性能和输出特性，过大的H会造成输出电流的准确性差，波形不理想，过小的H则会要求开关管频繁切换状态，容易发生故障。滞环比较电流控制的工作原理如图5。
图5 滞环比较电流控制
其中i为实际电流，i*为指令电流，Δi为比较差值。
当i-i*>H时，说明实际电流太大，此时开关管输出1，减小输出电流；当i-i*<-H时，说明实际电流太小，此时开关管输出-1，增大输出电流；当-H 4仿真验证 以上给出了一种效果较优的同相供电系统形式，即基于YNvd接线变压器的同相供电系统，同时研究了其电流检测方法和控制策略。接下来将在MATLAB/Simulink环境下进行仿真验证。 MATLAB/Simulink提供了通用三相变压器模型，但YNvd接线变压器结构特殊，需要自行搭建模型。根据YNvd变压器接线结构，可通过三个单独变压器组合而成，其中a、c两相为三绕组，b相为双绕组，其具体联接方式如图6所示[12]。 图6 YNvd变压器仿真模型 图6中，电力系统供电制式为工频110 kV，铁路牵引供电制式为工频27.5 kV。则a、b、c三相中匝数比为 (18) (19) 这样设置参数后，YNvd 接线变压器输出Uα和Uβ，为工频27. 5 kV 交流电，相位互差90°。 完成了YNvd接线变压器的搭建，再根据图3完成IPFC仿真模型搭建，将两者相联接，IPFC模型两端接入YNvd接线变压器副边绕组输出的电压Uα和Uβ，完成基于YNvd接线变压器的同相供电系统仿真模型。 图7 综合补偿电流ipα 图8 变压器副边输出电流波形 图9 电网侧三相电流波形 图10 电网侧a相电压和电流波形 图11 a相电流谐波含量 通过IPFC生成负载所需的综合补偿电流如图7所示。补偿后，YNvd接线变压器副边输出电流波形如图8所示，为互成90°的正弦电流波形。则在电网侧，电流波形如图9所示，为三相对称的电流波形，说明通过IPFC的调节，实现了平衡变换，三相对称输出。取电网侧a相电压和经幅值放大1 000倍后的相电流进行相位比较，如图10所示，可见相电压和相电流相位完全相同，功率因数为1，实现了电网侧只输出有功功率的目标。最后对电网侧a相电流进行FFT分析，如图11所示，电流谐波畸变率为1.36%，符合国标要求。 5结论 具体研究了基于YNvd接线变压器的同相供电系统。首先比较牵引变压器的优劣，选出YNvd接线形式，给出其输出特性；然后根据牵引变压器的接线形式，选择IPFC拓扑结构，研究了其平衡变换原理；为了实现平衡变换，采用有功电流分离法，能够较好的获得综合补偿电流；滞环比较电流控制法具有较好的鲁棒性，且容易实现，因此采用该控制策略；最后，在MATLAB/Simulink平台上进行仿真验证，仿真结果显示，利用以上方法构造并控制的同相供电系统具有较好的调节效果，实现了同相供电，取消了电分相，同时对电网有着较好的补偿作用，减小了谐波畸变，使其只输出有功功率，功率因数为1。因此，基于YNvd接线变压器的同相供电系统具有较好的推广应用价值。 参考文献 [1]张丽艳，李群湛，易东，等.同相供电系统潮流控制器容量的优化配置[J].电力系统自动化，2013，37(8):59-64 [2]张秀峰，吕晓琴，连级三.同相牵引供电系统平衡补偿的最优模型[J].西南交通大学学报，2009，44(6):841-847 [3]陈民武，李群湛，魏光.新型同相牵引供电系统设计与评估[J].中国铁道科学，2009，30(5):76-82 [4]魏光.基于V型接线的同相牵引供电系统[J].电力自动化设备，2011(12):60-65 [5]张秀峰，钱清泉，李群湛，等.基于有源滤波器和AT供电方式的新型同相牵引供电系统[J].中国铁道科学，2007，27(6):73-78 [6]曾国宏，郝荣泰.基于有源滤波器和阻抗匹配平衡变压器的同相牵引供电系统[J].铁道学报，2003，25(3):49-54 [7]魏光，李群湛，黄军，等.新型同相牵引供电系统方案[J].电力系统自动化，2008，32(10):80-83 [8]张秀峰，连级三.基于斯科特变压器的新型同相AT牵引供电系统[J].机车电传动，2006(4):14-18 [9]王庆贤，左晓薇，李少帅，等.同相供电系统改进型综合补偿电流检测方法研究[J].铁道学报，2013，35(2):26-31 [10]吴萍.电气化铁路同相供电技术研究[D].成都:西南交通大学，2008 [11]左晓薇，王庆贤，马泳娟.新型同相供电系统的仿真研究[J].计算机仿真，2013，30(3):152-156 中图分类号：U223.5 文献标识码：A 文章编号：1672-7479(2015)03-0120-05 作者简介：夏炎(1989—)，男，2014年毕业于北京交通大学电气工程专业，硕士，助理工程师。 收稿日期：2015-02-064.1 YNvd牵引变压器构造
4.2 IPFC 仿真波形
