基于YNvd平衡变压器和模拟负载的同相供电试验系统

赵元哲，朱 鹏，李群湛



基于YNvd平衡变压器和模拟负载的同相供电试验系统

赵元哲，朱 鹏，李群湛

(西南交通大学电气工程学院，四川 成都 610031)

为了更深入开展同相供电系统的研究，提出了一种由新型YNvd平衡牵引变压器、模拟负载以及综合潮流控制器(IPFC)构成的同相供电试验系统方案。分别介绍了YNvd平衡变压器、IPFC和模拟负载的结构和工作原理，通过对IPFC与模拟负载制定相应的控制策略，以实现对同相供电系统的仿真模拟。研究结果表明，该试验系统能够模拟牵引负荷特性，实现能量循环利用，模拟同相供电系统，消除了系统负序电流，实现了谐波和无功的动态补偿，验证了同相供电系统的可行性。

同相供电；综合潮流控制器；YNvd平衡变压器；模拟负载；能量反馈

0 引言

负序、谐波、无功等是电气化铁路长期存在的问题，电分相的存在更使得列车的取流频繁切断，造成列车速度与牵引力的较大损失[1]。近年来我国高速重载铁路快速发展，这些问题日趋突出，严重影响着铁路运行的安全性、可靠性和经济性。为解决这些问题，文献[2]提出了基于无功对称补偿的同相供电方案。随着电力电子器件在铁路系统的大量应用，文献[3-6]提出了基于潮流控制器的同相供电方案。同相供电系统基本消除了负序，并能动态补偿谐波和无功，取消了变电所出口处的电分相，是较理想的新型供电方案。

同相供电系统结构如图1所示，引入新型的YNvd平衡变压器，其将公共电网三相电压转变为两相对称电压，其中α相直接给牵引负荷供电，β相则通过IPFC与α相并联，由此牵引变压器两相电压可同时为牵引负荷供电，并取消了变电所出口处的电分相，如果各变电所间相邻两臂输出相同的电压相位相同，可以取消图中所示的分区所处的电分相装置，改由分段绝缘器取代，从而实现全线贯通供电。

由于电气化铁路供电系统的特殊性，不适于在实际运行线路开展针对同相供电方案的各项研究，为了深入研究同相供电系统，本文提出了一种适应于低压公共电网下的同相供电试验系统。

图1 同相供电系统

1 同相供电试验系统

同相供电试验系统建立在三相380 V电网中，由YNvd平衡变压器、IPFC和模拟负载组成，构成一个环网系统，系统如图2所示，YNvd平衡变压器作为牵引变压器提供两相电压，模拟负载可模拟牵引负荷特性，并实现电能的循环利用。

图2 同相供电试验系统

1.1 YNvd平衡变压器

YNvd平衡变压器是新型三相-两相牵引变压器，采用普通三相三柱式铁心，具有铁心利用率高、结构简单、制造和维护方便等优点；其高压侧中性点可以抽出，提高了系统可靠性，并可适用于超高压系统[7-8]。YNvd平衡变压器原理图如图3所示[7]。

变压器一二次侧的电压关系为

由式(2)可以看出，次边两相电压大小相等，且相位相差90°。

变压器一二次侧电流关系为

根据对称分量法可得

(4)

1.2 综合潮流控制器(IPFC)

图4 IPFC主电路结构

在实际牵引供电系统下，变压器二次侧额定电压为27.5 kV，考虑电力电子开关器件的耐压水平，在变压器二次侧端口与IPFC之间一般设置变比为:1的降压变压器。在本试验系统中，二次侧额定电压较低660 V，因此省掉降压变压器。

设YNvd平衡变压器二次侧两端口电压为

式中，为YNvd平衡变压器二次侧输出电压峰值。

设牵引负荷电流为

根据图4中电流关系可以得到YNvd平衡变压器次边两端口输出电流为

(8)

由式(8)可知，YNvd 平衡变压器次变两相值只输出有功电流，且大小相等。

将式(8)代入式(3)中，得到

由式(9)可知，YNvd平衡变压器一次侧三相电流大小相等，无负序电流产生。可见，通过IPFC补偿装置和YNvd牵引变压器，牵引负荷产生的负序、无功和谐波将得到了完全补偿。

1.3 模拟负载

模拟负载由牵引电流模拟单元与能量反馈单元构成，牵引电流模拟单元与YNvd平衡变压器端口相连，模拟牵引电流特性，能量反馈单元与三相公共电网相连，将牵引电流模拟单元吸收的有功功率反馈三相电网。其主电路如图5所示，包括输入电感、单相全桥整流器、直流电容、三相半桥逆变器以及输出电感[10-11]。直流环节调节整流变流器和有源逆变回馈之间的能量交换，稳定模拟负载直流侧电压。

图5 模拟负载主电路

通过对图5中S1-S4的控制，既可使模拟负载所需的牵引负荷电流，其电流与式(6)相同，为

(11)

牵引负荷模拟单元吸收的瞬有功功率为

模拟负载三相侧A相电压为

(13)

式中，2为三相侧的电压峰值。

为保证模拟负载两端能量守恒，模拟负载吸收和反馈回三相电网的有功功率应相等，为不产生负序，其三相输出电流，，功率因数为1且大小相等，将A相输出电流设为

式中，F为三相电流峰值。

能量反馈单元A相发出的有功功率为

在一个周期内，模拟负载两端口功率守恒，得到

(16)

由式(16)得到

(18)

由式(18)可以得到模拟负载三相输出电流为

式(19)中的能量反馈三相电流与式(9)中YNvd平衡变压器三相输入电流相等，在模拟牵引复合特性的同时，电能也可以得到循环利用。

2 控制策略

综合潮流控制器与模拟负载的核心是电压型PWM变流器，因此需要通过合理的控制策略控制IPFC和模拟负载，得到所需的电流，以满足同相供电系统试验需求，并达到电能的循环利用。

2.1 IPFC控制策略

要实现变电所电流的平衡补偿，IPFC需要准确高效的控制方法跟踪给定的补偿参考电流，为了保证潮流控制器的稳定工作，直流电容环节必须有一个稳定的直流电压，因此，采用电压电流双环控制[9]，如图6所示。

图6 IPFC控制策略

图6中，电压外环作用稳定直流电压，实际直流电压与给定直流电压相比较，经PI调节后得到有功电流分量，叠加变流器的有功指令，得到两变流器的实际补偿指令电流和。电流内环控制变流器实际电流跟随指令电流，电压环输出的电流指令与实际电流相比较，经PI调节得到调制电压，再与三角波比较产生触发脉冲信号，从而控制IPFC输出所需电流。

2.2模拟负载控制策略

模拟牵引负载包括牵引电流模拟单元和能量反馈两个部分，对两单元独立控制。

a) 牵引电流模拟单元

本文中采用电流PI控制方法[12]，如图7所示。

图7 牵引电流模拟单元控制框图

b) 能量反馈单元控制策略

能量反馈单元为三相半桥逆变电路，需要以接近单位功率因数实现逆变，并控制直流侧电容电压稳定在给定值[13]。本文采用电压电流双环控制，如图8所示。

3 仿真验证

对同相供电试验系统进行仿真分析，将系统接入三相公共电网，YNvd平衡变压一次侧电压220 V，二次侧电压660 V；IPFC参数设为[13]，，直流侧电压给定值，模拟负载参数设为,，直流侧电压给定值。

设定牵引负载电流的功率因数为0.866(滞后)，含有3次、5次谐波，因此模拟负载指令电流为

模拟负载跟踪指令电流模拟的牵引负荷如图9所示，能量反馈单元反馈回三相公共电网电流如图10所示。

图9 牵引负荷电流

Fig. 9 Traction load current

图10 能量反馈三相电流

由图9、图10可知，牵引电流模拟单元能够较好的跟踪指令电流模拟处设定的牵引负荷电流，能量反馈单元发出三相平衡的有功电流，把单相侧吸收的能量以单位功率因数反馈回三相电网。

模拟负载模拟出的牵引负荷电流产生的负序、无功和谐波由IPFC进行补偿，其补偿电流如图11所示，补偿后YNvd平衡变压器一二次侧电流如图12、图13所示。

由图11可知，IPFC的端口可实时的补偿牵引负荷所需的无功和谐波电流，并输出一半的有功电流，端口提供牵引负荷一半的有功电流。

图11 IPFC补偿电流

图13 YNvd平衡变压器一次侧输入电流

由图12、图13可知，经IPFC补偿后，YNvd变压器二次侧输出大小相等、相位相差90°的两相对称有功电流，一次侧输入三相电流对称，牵引供电系统相对电力系统是一个纯阻性负载，负序、无功。

4 结论

本文提出了一种基于YNvd平衡变压器、IPFC与模拟负载构成的同相供电试验系统，该系统能够在试验室环境下对同相供电系统进行有效的模拟和深入优化研究。通过对试验系统的理论分析与建模仿真，可以得到：(1) YNvd平衡变压器能将三相系统变换为对称两相系统，是一种新型的平衡变压器；(2) 模拟负载能够模拟出期望的牵引负荷特性，可实现电能的有效利用；(3) 同相供电系统可消除因单相负荷产生的负序电流，实现谐波和无功动态补偿的功能，还能取消变电所出口处电分相，是适用于高速重载铁路的新型供电系统。

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(编辑 张爱琴)

Co-phase supply test system based on YNvd balanced transformer and simulated load

ZHAO Yuanzhe, ZHU Peng , LI Qunzhan

(School of Electric Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In order to do further research on co-phase power supply system, a test system based on YNvd balanced transformer, simulated load and integrated power flow controller (IPFC) is proposed. By mean of analysis on structures and principles of YNvd transformer, IPFC and simulation load, establishing control strategy on IPFC and simulation load, the system is simulated dynamically. The results illustrate that this scheme can well simulate the traction load and cycle the energy, simulate co-phase system, eliminate the system negative sequence, and compensate harmonic and reactive power real-timely, which verifies the feasibility of co-phase power supply system.

This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51307142) and Fundamental Research Funds for the Central Universities (No. SWJTU2682014CX020).

co-phase power supply system; IPFC; YNvd balanced transformer; simulated load; energy feedback

10.7667/PSPC150734

国家自然科学基金(51307142);中央高校基本科研业务费专项资金资助(SWJTU2682014CX020)

2015-05-04；

2015-07-03

赵元哲(1987 -)，男，博士研究生，研究方向为牵引供电系统电能质量分析与治理、车网异常电磁暂态研究；E-mail: yuanzhezhao@gmail.com

朱 鹏(1991-)，男，通信作者，硕士研究生，研究方向为牵引供电系统电能质量分析；E-mail: 1004739134@ qq.com

李群湛(1957-)，男，博士，教授，博士生导师，研究方向为牵引供电系统理论、电能质量与控制。Email：lqz3431@263.net