一种适用于高速电气化铁路的混合型功率调节系统及其容量分析*

许加柱,李　平，胡斯佳，董欣晓，周冠东，陈跃辉

(1.湖南大学 国家电能变换与控制工程技术中心，湖南 长沙　410082；2.湖南省电力公司，湖南 长沙　410007)



一种适用于高速电气化铁路的混合型功率调节系统及其容量分析*

许加柱1†,李平1，胡斯佳1，董欣晓1，周冠东2，陈跃辉2

(1.湖南大学 国家电能变换与控制工程技术中心，湖南 长沙410082；2.湖南省电力公司，湖南 长沙410007)

摘要：随着交流电力机车的广泛使用，牵引网负序和过分相问题日益突出，采用配置铁路功率调节器(railway power conditioner，RPC)的同相供电系统是一种可行方案.为了提高该方案中功率调节系统的性价比，本文提出了一种适用于同相供电系统的新型混合铁路功率调节器(hybrid RPC，HRPC).与传统RPC相比，该系统变流器的端口电压更低，从而大幅降低了有源部分的容量.文章详细描述了系统的拓扑结构、补偿原理，给出了关键参数的设计方法，并对HRPC的容量进行了系统分析.研究结果表明，在完成相同补偿任务的前提下，所提HRPC变流系统的容量将比传统RPC降低46%～50%.所得结论通过仿真得到了验证.

关键词：高速电气化铁道;负序;混合式补偿;铁路功率调节器

随着我国高铁技术的成熟，直流电力机车正逐步被交流电力机车所取代.由于交流机车整流级普遍采用PWM调制技术，网侧功率因素一般较高(接近1)；然而与机车牵引能力(功率)和运行速度大幅提高相伴随是日益严峻的负序和牵引网过分相问题[1-3].采用相序轮换可使上述矛盾得到一定缓解，但在电网相对薄弱的地区，仍难以满足相关国家标准[4-5].

为了综合解决上述问题,采用对称补偿技术的同相供电系统是一种可行的方案[5-6].当补偿系统为TCR或TSC时，虽能起到一定补偿作用，但该方案易与电网发生谐振，且TCR需要额外滤波装置才能投入运行，更为重要的是该系统体积庞大、集成度低，不利于在面积极为有限的牵引供电所中大规模安装[7-8].与此相比， RPC具有更高的控制灵活性和系统集成度，在获得较好补偿效果的前提下，不会占用太多安装空间(尤其在采用级联模块的集装箱型系统时)，具有较好的应用前景[9-12].但较大的补偿容量限制了它的大范围推广.

为了降低有源部分的容量，混合有源滤波器已在常规三相电力系统的工业应用中得到了广泛认可[13-15]，然而，该系统难以解决负序问题，尤其在采用单相供电系统的牵引网中[16-18].基于此，本文提出了一种适用于同相供电系统的新型混合RPC(即：HRPC).与传统RPC相比，HRPC通过精心设计耦合支路的参数和对主变输出端口的选择，其有源部分的端口电压(或直流侧电压)将大幅降低，从而有效降低了补偿系统的容量，对提高系统的性价比具有较大益处.

1拓扑结构及补偿原理

HRPC和RPC的拓扑结构如图1所示，110 kV(或220 kV)电网电压经V/v牵引变降为27.5 kV为机车供电.

二者最显著的区别主要表现在：

1) HRPC为牵引馈线供电的电压为V/v变压器两副边绕组端口电压之和(即图1(a)中的FH端口)，且主变二次侧DE相连，这使得α,β相负荷电流满足iαL=-iβL=iL(图1(a))；RPC采用T1副边电压为机车供电(图1(b)中端口ED)，T1,T2二次侧分离，故主变α、β相负荷互相独立.

2) HRPC的β相采用LC耦合支路与变流器相连； RPC则为L耦合支路(注：HRPC中α,β相的耦合支路均需通过精心设计，具体见后文).

另外，在图1中还需说明的是，若变流器采用多个小功率背靠背单元并联的方案时(工业应用方案)，主变与变流器之间应加入隔离变压器，以防止主变二次侧因变流器开关动作而短路.

(a) HRPC

(b) RPC

HRPC的补偿原理如图2所示.该图有三点需要注意：首先，牵引馈线的端口电压既非Vα也非Vβ，而是两者之差Vab.由于V/v变压器二次侧端口电压相位差为60°，所以由图2可知Vab=Vα=Vβ=27.5 kV，故该种接线并未改变牵引馈线的电压等级.其次，由于T1,T2二次侧绕组串联，所以图2中有IαL=-IβL=IL.此外，还需注意的是，图2中直线Γ1//Vab，故θ为负荷电流的功率因数角，由于交流机车功率因数接近于1，所以可近似认为IαL,IβL与Γ1共线.显然，为将IαL,IβL分别校正为Iα*和Iβ*，补偿电流IcαH,IcβH中无功分量占主要部分(即：IcαHp<

图2　HRPC的补偿原理

λ

由图3可以看出，负荷功率因数越高，HRPC转移的有功电流越小，故无功电流占补偿电流的比例随λ的增大不断增大，这些无功中的大部可由L或LC耦合支路承担(注：图2显示HRPC中α相补偿感性无功，β相补偿容性无功)，这是HRPC有源部分的容量能大幅低于传统RPC的主要原因.

2端口电压特性分析

参照图1～2可得HRPC和RPC的端口电压相量图如图4所示(RPC的端口电压相量图可参阅[3,19-20]).从图4可以观察到，HRPC变流器的端口电压VcαH，VcβH均低于馈线电压，而传统RPCα相变流器端口电压Vcα高于馈线电压Vα(RPCα相需补偿容性无功).

(a) HRPC

(b) RPC

产生这一现象的物理本质是，HRPC的α，β相需分别补偿感性和容性无功，而设置在α，β相的L耦合支路和LC耦合支路(基波下呈容性)能代替变流器分担部分补偿任务.对于RPC，α，β相需分别补偿容性和感性无功[3，20]，其β相的L耦合支路能分担部分补偿任务(故VcβVα.

由图4并结合图1～2容易得到HRPC和RPC变流器端口电压VcαH，VcβH,Vcα,Vcβ可分别表示为：

(1)

(2)

其中，下标“p”，“q”分别表示各变量的有功、无功分量.

以VB=VN=Vα=Vβ，IB=IL为基值，将式(1)～(2)化成标幺值，可得HRPC和RPC变流器端口电压(Vcα(H)-pu,Vcβ(H)-pu)与耦合支路电抗(XLα(H)-pu,XL(C)β(H)-pu)的关系如图5所示(下标“pu”表示标幺值).

如图5(a)所示，对于α相，RPC中Vcα随耦合支路电抗线性增大，且其值大于1；而HRPC在不同功率因数下均存在一个最优阻抗使VcαH小于1(图5中圆点)，其在λ=0.95,λ=0.98时仅是Vα的0.57和0.35倍 .图5(b)显示HRPC和RPC的β相在不同功率因数下均存在最优耦合电抗使β相变流器端口电压最低，但当λ=0.95和0.98时，HRPC的最低变流器端口电压仅分别为Vβ的0.26和0.36倍，其值大幅低于RPC的变流器端口电压.

XLα(H)-pu

XL(C)β(H)-pu

综上所述，通过精心设计HRPC LC和L耦合支路的电抗，可使其变流器两相端口电压(或直流侧电压)大幅低于RPC，这样变流器的开关损耗、输出电流质量、及容量(或成本)都会低于RPC，而系统的可靠性则相应提高[13].耦合支路的具体设计方法及变流器容量分析将在下一节详细论述.

3HRPC参数设计及容量分析

3.1参数设计

由于α，β相的设计类似，本文只对α相进行讨论.

由图4(a)可知，当VcαH⊥VLαH(或VcαH//IcαH)时VcαH达到其最小值.此时L耦合支路电抗XLαH须满足如下条件：

(3)

其中：

(4)

(5)

当λ∈[0.95,1]时，二者均随λ增大而增大.

由式(3)～(5)可知，XLαH与负载电流的幅值和功率因数有关，由于机车负载IL具有波动性，需综合考虑Icα，φα的选择.具体可通过图6加以说明.

图6为负载电流幅值和功率因素变化时，端口电压的动态相量图，其中IcαH1,IcαH2,IcαH3为λ=λmin时α相的补偿电流，IcαH4,IcαH5为λ>λmin时α相的补偿电流.与上述补偿电流相对应的负载电流满足：IL4=IL1

图6　负荷变化时α相变流器端口电压相量图

情形1λ不变(但小于1)，IL变化.

此时IcαH1，IcαH2，IcαH3所对应之φα均为φαmin(图6)，且它们满足：IcαH1VLαH2>VLαH3，且VcαH1>VcαH2，VcαH3>VcαH2.显然，该情形下变流器端口电压最大值VcαHmax需由VcαH1，VcαH3确定.

情形2IL不变，λ>λmin.

由图6可知φαmin变至φα，系统轻载时，该工况下的补偿电流为IcαH4，由式(5)知，此时IcαH4>IcαH1(IcαH1为情形1中的轻载补偿电流).当IcαH1→IcαH4时，VcαH1>VcαH4(即图6中AE>AB)；系统重载时，该工况下的补偿电流为IcαH5，同理，IcαH5>IcαH2.

由图6知：

(6)

(7)

其中：k=ILmax/ILmin.

令：

k∈[0,1].

(8)

f(λ,k)的三维图像如图7所示.由图7可知，当λ∈[0.95,1]，k∈[0,1]时，f(λ,k)≤0恒成立，即|AD|/|AF|≤ε(λmin)/ε(λ)，所以|AG|<|AF|，故点G落在以端口电压VcαHmax为半径的圆O内，即VcαH5

综上所述，只要变流器端口电压能满足负载电流在最低功率因数BD段的波动，则系统在其他功率因数和负载电流情况下均能满足补偿要求.故考虑负荷波动情况下，式(3)应进一步修正为：

(9)

其中：

(10)

它为当λ=λmin时，α相变流器最低端口电压对应的补偿电流.

按此设计，α相变流器端口电压将会在|OC|～|OD|之间变化，即：

(11)

图7　f(λ,k)曲面

按照α相参数的设计方法，同理可得β相耦合支路阻抗为：

(12)

其中，φβmin为IcβH与Vβ之间的夹角，ε'min为β相最小的补偿因子，它们满足：

(13)

(14)

式(12)中电感和电容可通过图8灵活选择(注：图8是以k=0.4，λmin=0.95，ILmax=600 A所绘制的).从图6可以看出，α相变流器端口电压大于β相，由于α相和β相共用直流侧电容，故直流侧电压VdcH应由端口电压较高的α相变流器来决定，参照式(11)有：

(15)

取λmin=0.95，k=0.4(k一般在0.3～0.5之间变化[10])，由式(15)可得VdcH=0.94Vα.

对于RPC，由式(2)易得其直流侧电压为：

(16)

其中：

(17)

φαmax=

(18)

当RPC的单边补偿容量达5～17 MW时，其耦合电感一般在15～25 Ω 间取值[21]，若取17.27 Ω，将其代入式(16)～(18)可得RPC的直流侧电压为1.75Vα.显然HRPC直压相比RPC降低了47.3%，变流器的容量大为降低.

CβH/μF

3.2容量分析

由式(3)～(18)并结合图2和图4可得HRPC和RPC变流器的设计容量SHRPC，SRPC分别为：

(19)

(20)

取λmin=0.95，k=0.4，IB=ILmax，VB=Vα可得HRPC和RPC容量标幺值SHRPC-pu,SRPC-pu与λ的关系如图9 所示.

从图9可以看出，HRPC的变流器设计容量大幅低于RPC.具体而言，当λ=0.95时，HRPC的容量为RPC容量的50.7%；当λ=0.99时，HRPC容量为RPC的51.2%，λ=1时，HRPC的容量较RPC也降低了46.4%.故HRPC的节容效果明显.

λ

4仿真分析

为了验证所提HRPC的正确性，参照图1，搭建了HRPC和RPC的仿真模型.T1,T2的变比为110 kV/27.5 kV，机车负荷的视在功率为16.5 MVA(最大值)，k=0.4，λ=0.95(最小值)，RPC耦合支路阻抗设定为17.27 Ω.HRPC和RPC的其他参数如表1所示.

表1　仿真参数

图10是机车负载功率为16.5 MVA(最大值)功率因数为0.95(最小值)时，HRPC和RPC投入前后网侧三相电流、主变二次侧电流和直流侧电压波形图.图11为与之对应的网侧电流不平衡度和功率因数曲线.从图10～11可以看出，投入HRPC和RPC后，电流不平衡度均由100%降到了1%以下，三相功率因数接近1，电能质量均得到了明显的提高，直流侧电压VdcH，Vdc均稳定在给定值26 kV和48 kV附近. HRPC和RPC在相同负荷条件下具有满意的补偿效果.另外，从图11可知，稳定后HRPC直流侧电压仅为RPC的54%，这与理论分析值基本吻合，也验证了本文所提参数设计方法的正确性.另外，直流侧电压的降低减少了有源部分的容量，有利于降低系统成本.

t/s

t/s

t/s

t/s

图12是在上述条件下，HRPC和RPC变流系统的容量曲线，其中实线为理论计算值，虚线为仿真测量值.由图12可知，稳定后HRPC变流系统的仿真测量容量为27.401 MVA，理论计算值为27.311 MVA；RPC的仿真测量容量为54.145 MVA，理论计算值为54.149 MVA.由此可见HRPC有源部分的容量仅为RPC有源部分容量的50.6%，同时，理论计算值和仿真实测值曲线基本吻合(误差小于5%)，这进一步验证了本文容量分析的正确性.

t/s

为了验证负荷变化时HRPC的动态性能，选取轻载为6.6 MVA(λ=0.95)，重载为16.5 MVA(λ=1)机车负荷进行仿真.图13显示的是HRPC和RPC在0.4 s负荷由轻载突变为重载时网侧三相电流与直流侧电压的波形.网侧电流经短暂暂态过程又回到了三相对称，过渡过程较为平滑，直流侧电压经短暂的降落后重新回到给定值，这说明HRPC和RPC具有较好的动态性能.但仔细观察会发现，暂态时HRPC直流压的跌落百分比约为0.4%，而RPC却有1%，这说明相同负荷条件下HRPC具有比传统RPC更平滑的动态性能.

t/s

t/s

图14为HRPC和RPC的直流侧电压减少18%，负荷在0.4s由9.9 MVA(λ=0.95)变为16.5 MVA(λ=1)时的网侧三相电流波形.从图14中可以看出，HRPC在中、重载工况下，补偿性能依然保持良好，而RPC电流已经表现出了一定畸变.这说明当直流压进一步降低时，HRPC仍能获得较好的补偿能力，但此时的RPC却已接近其补偿能力的边缘.这进一步验证了HRPC在低直流电压下的良好补偿性能，同时，也验证了参数设计的合理性.

t/s

5结论

针对高速电气化铁路，本文提出了一种新型混合型功率调节系统，该系统充分挖掘了V/v牵引主变和混合型补偿支路的潜能，使得HRPC较传统的RPC在治理负序时，具有更低的端口电压和补偿容量.文章系统分析了HRPC的拓扑结构和补偿原理，给出了耦合支路关键参数的设计方法，并与RPC在端口电压和补偿容量进行了详细的对比分析.分析表明，在高速电气化铁路中，HRPC有源部分的容量比RPC降低了46%～50%.

参考文献

[1]韩智玲.浅析电力机车对牵引网电能质量的影响[J].电气传动，2010,40(4)：41-42+56.

HAN Zhi-ling. Brief analysis of the effects of locomotive on the quality of electric energy[J].Electric Drive，2010,40(4)：41-42+56.(In Chinese)

[2]王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制与无功补偿[M].北京：机械工业出版社，2005：31-49.

[3]吴传平，罗安，徐先勇，等.采用V/v变压器的高速铁路牵引供电系统负序和谐波综合补偿方法[J]. 中国电机工程学报，2010,30(16)：111-117.

WU Chuan-ping, LUO An, XU Xian-yong，etal. Integrative compensation method of negative phase sequence and harmonic for high-speed railway traction supply system with V/v transformer[J].Proceedings of the CSEE，2010,30(16)：111-117.(In Chinese)

[4]武中，王志刚，宋述勇，等.电气化铁道牵引变电所对电力系统影响及治理的仿真研究[J].中国电机工程学报，2011,31(S1)：77-82.

WU Zhong，WANG Zhi-gang，SONG Shu-yong，etal.Simulation research on the influence and management of the electrified railway traction substation on power system[J].Proceedings of the CSEE，2011,31(S1)：77-82.(In Chinese)

[5]周方圆，王卫安.高速铁路对供电质量的影响及治理措施[J]. 大功率变流技术，2010(6)：41-45.

ZHOU Fang-yuan，WANG Wei-an.Influence of high-speed railway to power quality and its governance measures[J]. High Power Converter Technology，2010(6)：41-45.(In Chinese)

[6]曾国宏，郝荣泰.基于有源滤波器和斯科特变压器的同相牵引供电系统[J].北方交通大学学报，2003,27(4)：84-90.

ZENG Guo-hong，HAO Rong-tai. Cophase traction supply system based on active power filter and Scott transformer[J].Journal of Beijing Jiaotong University，2003,27(4)：84-90.(In Chinese)

[7]张定华，桂卫华，王卫安，等.牵引变电所电能质量混合动态治理技术[J].中国电机工程学报，2011,31(7)：48-55.

ZHANG Ding-hua，GUI Wei-hua，WANG Wei-an，etal.Hybrid dynamic power quality compensation technology for traction substation[J].Proceedings of the CSEE，2011,31(7)：48-55.(In Chinese)

[8]张定华，桂卫华，王卫安，等.新型电气化铁道电能质量综合补偿系统的研究及工程应用[J].电工技术学报，2009,24(3)：189-194.

ZHANG Ding-hua， GUI Wei-hua，WANG Wei-an，etal.Study and application of a new power quality combined compensation system for electrified railway[J].Transactions of China Electrotechnical Society，2009,24(3)：189-194.(In Chinese)

[9]胡斯佳，张志文，李勇，等.一种绕组补偿式电气化铁道电能质量控制系统[J].中国电机工程学报，2014,34(13)：2140-2150.

HU Si-jia，ZHANG Zhi-wen，LI Yong，etal.A winding compensating power quality control system for electrified railway[J].Proceedings of the CSEE，2014,34(13)：2140-2150.(In Chinese)

[10]HU S, ZHANG Z，LI Y，etal.A new railway power flow control system coupled with asymmetric double LC branches[J].Power Electronics，IEEE Transactions on ，2015,30(10)：5484-5498.

[11]张志文，陈明飞，许加柱，等.基于YN_接线平衡变压器的电气化铁道电能质量综合治理系统[J].湖南大学学报:自然科学版，2014,41(8)：54-59.

ZHANG Zhi-wen，CHEN Ming-fei，XU Jia-zhu，etal.A comprehensive improvement system for electric railway power quality based on YN-balance transformer[J].Journal of Hunan University: Natural Sciences，2014,41(8)：54-59.(In Chinese)

[12]UZUKA T，IKEDO S，UEDA K.A static voltage fluctuation compensator for AC electric railway[J].Power Electronics Specialists Conference，2004,3(4)：1869-1873.

[13]FUJITA H，YAMASAKI T，AKAGI H.A hybrid active filter for damping of harmonic resonance in industrialpowersystems[J].Power Electronics，IEEE Transactions on，2000，15(2)：215-222.

[14]SRIANTHUMRONG S，AKAGI H.A medium-voltage transformerless AC/dc power conversion system consisting of a diode rectifier and a shunt hybrid filter[J].Industry Applications，IEEE Transactions on，2003，39(3)：874-882.

[15]FUJITA H，AKAGI H.A practical approach to harmonic compensation in power systems-series connection of passive and active filters[J].Industry Applications，IEEE Transactions on ，1991，27(6)：1020-1025.

[16]洪磊，陈晓，陈国柱.基于重复控制的并联型混合有源滤波器高性能控制策略[J].电力自动化设备，2012,32(10)：94-98.

HONG Lei，CHEN Xiao，CHEN Guo-zhu.High-performance control strategy based on repetitive control for SHAPF[J].Electric Power Automation Equipment，2012,32(10)：94-98.(In Chinese)

[17]DAI N Y，LAO K W，WONG M C，etal.Hybrid power quality conditioner for co-phase power supply system in electrified railway[J].Power Electronics，IET，2012，5(7)：1084-1094.

[18]赵伟，罗安，曹一家，等.三相-两相牵引变电所用无功动态补偿与谐波治理混合系统的研究[J].中国电机工程学报，2009,29(28)：107-114.

ZHAO Wei，LUO An，CAO Yi-jia，etal.Hybrid var and harmonic dynamic compensator and application to three-two phase traction substation[J].Proceedings of the CSEE，2009,29(28)：107-114.(In Chinese)

[19]LUO A， WU C，SHEN J,etal.Railway static power conditioners for high-speed train traction power supply systems using three-phase V/V transformers[J].IEEE Trans，Power Electron，2011，26(10)：2844-2856.

[20]LUO A， MA F， WU C，etal. A dual-loop control strategy of railway static power regulator under V/V electrictraction system[J].IEEE Trans，Power Electron，2011，26(7)：2079-2091.

[21]HORITA Y，MORISHIMA N，KAI M，etal.Single-phase STATCOM for feeding system of Tokaido Shinkansen[C]//Power Electronics Conference (IPEC)，2010 International.IEEE，2010：2165-2170.

A Hybrid Power Conditioner for High-speed Electric Railway and Its Power Capacity Analysis

XU Jia-zhu1†，LI Ping1,HU Si-jia1,DONG Xin-xiao1,ZHOU Guan-dong2,CHEN Yue-hui2

(1.National Electric Power Conversion and Control Engineering Technology Research Center,Hunan Univ,Changsha,Hunan410082,China;2.Hunan Electric Power Company, Changsha, Hunan410007,China)

Abstract:With wide application of AC drive electric locomotives in railway networks, the negative sequence current and neutral section increase significantly, and the co-phase power supply system with Railway Power Conditioner (RPC) is an effective solution. In order to increase its cost performance, a new Hybrid Railway Power Conditioner(HRPC) for co-phase was proposed. Compared with the traditional RPC, HRPC is much lower than RPC in operation voltage, so its capacity of active part decreases significantly. This paper analyzed its topology, compensation principle and operation voltage of its active part. The design of its key parameter was given. The results prove that HRPC is lower by 46%～50% than that of RPC in completing similar compensational tasks through simulation.

Key words:high-speed electric railway; negative sequence;hybrid compensation;railway power conditioner

中图分类号：TM401

文献标识码：A

作者简介：许加柱(1980-)，男,湖南长沙人,湖南大学副教授,博士†通讯联系人，E-mail:xujiazhu@126.com

收稿日期：2015-01-29基金项目：国家自然科学基金资助项目(51477046,51477044),National Natural Science Foundation of China(51477046,51477044)

文章编号：1674-2974(2016)04-0089-09