基于Scott变压器供电的新型电能质量治理系统研究

周方圆，吕顺凯，胡 前



基于Scott变压器供电的新型电能质量治理系统研究

周方圆，吕顺凯，胡 前

针对Scott变压器供电系统牵引功率大、功率因数低、谐波和负序电流含量高等问题，提出了一种新型电能质量综合治理系统，分析了该系统的拓扑结构和工作原理，提出了适合该系统的负序和谐波检测方法及补偿策略，并仿真验证了该系统的有效性和优越性。

牵引供电系统；谐波；负序电流；无功功率；补偿策略

0 引言

近年来我国电气化铁路发展迅速，对国民经济的发展起到了举足轻重的作用。然而由于电力机车为大功率单相负荷，具有非线性、不对称性和波动性等特点，运行过程中产生的大量负序、无功和谐波电流注入电网，使电网出现电压波动畸变、三相不平衡、功率因数低等问题[1]，对电力系统安全、稳定、经济运行造成严重影响。

为减小电气化铁路对电网电能质量的影响，目前国内外采用了多种方式解决该问题，如国内电气化铁路应用最为广泛的静止无功补偿装置（Static Var Compensator，SVC），它不仅可以补偿无功功率还可以补偿负序电流，但由于不能实现两供电臂之间的有功转移，导致负序补偿效果不理想；有源电力滤波器（APF）只能对电气化铁路的谐波进行抑制，不能有效补偿负序电流；铁路功率调节器（Railway Static Power Conditioner，RPC）能够对电气化铁路的负序、谐波和无功进行综合补偿，受到广泛关注，但由于成本高，推广应用受到限制[2]。

本文针对基于Scott变压器的牵引供电系统，提出一种新型电能质量治理系统和相应补偿策略。该系统可以达到理想的负序、无功和谐波综合治理效果，有效减小RPC的容量，具有良好的经济性。

1 新型治理系统的拓扑结构

基于Scott变压器牵引供电的新型电能质量治理系统结构如图1所示。该系统由铁路功率调节器（RPC）和晶闸管控制3次滤波器（Thyristor Controlled 3thFilter，TCF）构成。

图1 新型治理系统结构

RPC由多个共用直流侧电容形成背靠背结构形式的两变流器并联构成，两变流器的交流输出端均通过连接电抗器和单相多绕组变压器连接至两供电座[3]。2个单相多绕组变压器副边的一个绕组分别安装了多组TCF支路，TCF与RPC并联连接。针对机车负载的谐波特性，TCF支路设置为3次滤波器，目的在于提供容性无功的同时滤除机车产生的3次谐波电流，并由晶闸管电子开关控制其投切，具有无冲击且本身不产生谐波等优点。RPC只需负责调节Scott牵引变压器M座和T座之间的有功功率，从而有效降低了有源装置RPC的容量。

2 工作原理

2.1 负序和无功的产生

如图1所示，设系统标称电压为110 kV，Scott牵引变压器次边M座和T座的额定电压为55 kV，以原边A相电压为参考，则原、次边的电压相量如图2所示。

图2 原、次边电压相量

M座电压为

T座电压为

令=j120°，M和T分别为M座和T座的功率因数角，则Scott变压器产生的负序电流为

由式（6）可知，当T座和M座的电流有效值和功率因数角相等时，可消除负序电流。但是由于调度和地势等各种因素制约，该情况几乎不可能出现，因此负序电流总会存在[4]。

另外，Scott变压器主要应用于大容量供电的重载铁路（如神朔铁路和大秦铁路等），目前仍以直流机车为主，因此无功功率较大。

2.2 工作原理

图3 负序补偿原理

图3为负序补偿原理图，要实现上述补偿，补偿装置需完成以下步骤：

（1）平衡2座有功功率。假设T座为重载座，M座为轻载座，则新型治理系统中的RPC将M座和T座负载的有功电流差值的一半从重载T座转移到轻载M座，其值为

（2）无功功率补偿。新型治理系统中的TCF根据各自供电臂机车感性无功功率电流的大小，通过投入几组滤波支路提供相应的容性无功电流，从而补偿机车产生的感性无功电流。

M座需要补偿的无功电流为fMsinM，T座需要补偿的无功电流为fTsinT。

可见，该新型治理系统RPC装置只需负责转移有功功率，无功功率补偿和谐波滤除则由TCF完成，因此大大降低了RPC的容量，同时也达到了负序、无功和谐波综合治理的效果。

3 补偿策略

基于上述补偿原理，进行新型补偿系统的补偿策略设计，主要对补偿容量和补偿策略进行分析。

3.1 补偿容量确定

3.1.1 RPC补偿容量

考虑到国标对电力系统各用户引起正常电压不平衡度有一最大允许值，在最严重情况时设RPC的最大转移电流为pmax，此时T座无功电流按全部被TCF补偿考虑，以A相电压为参考，则原边三相电流分别为

定义I为三相不平衡度，其值为三相负序电流与正序电流之比[5]。

按照I=的情况考虑得出pmax，从而确定RPC的容量。RPC由组变流器构成，每组变流器的最大输出电流为pmax/。

3.1.2 TCF容量确定

设置TCF部分的最大无功补偿电流sM与机车负载的最大无功电流相等，即sM=qmax。TCF的支路数量由最大无功电流和单条支路最大允许电流确定，通常设置3～4条支路[6]。

3.2 补偿策略

采用瞬时鉴相检测法[7]，分别求出M座和T座负载电流的有功分量、无功分量的幅值，然后对RPC和TCF分别采取不同的补偿策略。

3.2.1 RPC的补偿策略

RPC由多组背靠背的变流器组成，每组变流器由2个独立的单相变流器构成，每个变流器均采用独立控制，单个变流器的控制框图如图4所示[8]。

图4 变流器控制框图

3.2.2 TCF的补偿策略

TCF根据各座的无功电流大小进行投切，由于TCF为有级补偿，因此在不同情况下将投入不同的支路数。本文按4条支路考虑，各支路容量按1∶2∶4∶4分配，则负载无功电流在不同情况下的投切支路如表1所示。

表1 不同负载无功电流时投切的支路

注：①表示该TCF支路为投入状态。

4 仿真验证

为了验证本文所提出的新型治理系统在容量设计方法、有功和无功电流检测及补偿策略方面的有效性，利用Matlab进行仿真。

建立与图1相对应的新型治理系统的仿真模型，RPC结构为4组背靠背变流器并联，每组背靠背变流器参数均相等。单相降压变压器副边为5个绕组，分别接TCF和4组背靠背结构交流输出端，系统仿真参数如表2所示。

M座和T座功率不相等时仿真效果接近，本文按一种情况考虑。设M座的视在功率为 38.4 MV·A，功率因数角M为35°，T座的视在功率为12.8 MV·A，功率因数角T为32°。采用新型治理系统进行治理，治理前后系统的三相电流如图5所示，仿真图中纵坐标电流单位为A。

表2 系统仿真参数

图5 治理前后系统三相电流

对谐波治理效果进行仿真分析，治理前后系统谐波频谱如图6所示。

图6 治理前后系统谐波电流频谱

仿真结果表明，治理前三相电流幅值互不相等，测得电流不平衡度为12.8%，并且含有大量谐波。从图5（b）可以看到，经TCF+RPC治理后，三相电流趋于平衡，电流不平衡度降为0.28 %，负序治理效果显著。从图6可以看到，治理后系统低次谐波含量明显减小，测得M座供电臂电流畸变率从13.15%降至3.6%。另仿真测得系统功率因数角≈16°，功率因数达0.96，表明该新型电能质量治理系统具有很好的负序、无功补偿和谐波抑制能力。

5 结语

本文针对Scott变压器牵引供电系统，提出了一种基于有源装置RPC和无源装置TCF相结合的新型电能质量治理系统，并采取适合该系统的补偿策略。通过仿真验证，该新型电能质量治理系统能够达到良好的治理效果，通过无源装置TCF有效降低有源装置RPC的容量，降低了系统的成本，特别适用于大容量Scott变压器供电系统负序、谐波和无功的综合治理。

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With regards to the issues of high traction power, low power factors, high content of harmonics and negative sequence current resulted from the Scott transformer based power supply system, the paper puts forward a new type comprehensive power energy control system, analyzes the topological structure and working principles of the system, proposes the inspection methods for negative sequence current and harmonics as well as the compensation strategies of the system. The simulation verifies the effectiveness and advantages of the system.

Tractivepowersupplysystem; harmonic; negative sequence current; reactive power; compensation strategy

U226.8+1

A

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.01.003

1007-936X(2018)01-0009-05

2017-07-02

周方圆.株洲中车时代电气股份有限公司，高级工程师；

吕顺凯，胡 前.株洲中车时代电气股份有限公司，工程师。

国家重点研发计划项目：高性能牵引供电系统技术（2017YFB1200800）。