温州市域铁路S1线同相供电系统方案研究

0 引言

近些年来，随着现代电力电子技术和控制理论的不断发展，电力机车对电力系统电能质量的影响得到了很大改善，但在铁路向高速、重载方向发展的过程中仍然存在2个严重问题：电分相对电力机车安全运行的影响以及以负序为主的电能质量问题[1]。同相供电技术[2]的提出，取消了变电所出口处的电分相环节，也可很好地解决负序问题。

温州市域铁路S1线的建设是温州市市域铁路网建设实施的第一步。同相供电技术在温州市域铁路S1线中的应用，可解决电能质量指标中愈发突出的负序问题以及电分相对列车安全运行的影响，使之成为我国具有创新引领性的轨道交通项目，为市域铁路的发展打下坚实的基础。

本文主要介绍单相组合式同相供电系统的结构以及变压器的平衡变换原理，根据温州市域铁路S1线设计资料，对同相供电系统的牵引变压器以及同相补偿装置的容量进行计算；基于Matlab/Simulink仿真平台搭建单相组合式同相供电系统仿真模型，通过仿真分析验证系统对于负序治理的效果。

1 组合式同相供电系统结构

组合式同相供电是同相供电的优化，在基于有源技术的同相供电系统[3]的基础上加以改善，使补偿装置容量配置更加合理[3]。目前主要存在单相[4]和单三相[5]2种组合式同相供电系统方案。高速铁路变压器一般采用Vx接线方式，对既有铁路进行改造一般选择单三相组合式同相供电，可以很好地利用原有变压器形成一主一备用的方式[3]。对于新建铁路一般采用系统结构简单、设备利用率高的单相组合式同相供电系统。本文将针对温州市域铁路S1线，对单相组合式同相供电系统进行设计分析。

图1为直接供电方式下单相组合式同相供电系统结构图，主要由单相牵引变压器（Traction Transformer，TT）和同相补偿装置（Co-phase Power Supply Device，CPD）构成。其中同相补偿装置CPD由高压匹配变压器（High Voltage Matching Transformer，HMT）、交直交变流器ADA和牵引匹配变压器（Traction Matching Transformer，TMT）3部分组成。其供电原理在于：牵引变压器TT和高压匹配变压器HMT构成一个不等边的Scott变压器，相当于一种两端口的，供电容量、电压幅值不相等，但电压相位相互垂直的特殊接线形式的平衡变压器。

图1 单相组合式同相供电系统结构

系统正常运行时，单相牵引变压器TT和同相补偿装置CPD共同为牵引网的牵引负荷供电，其中大部分负荷功率由单相牵引变压器提供，同相补偿装置承担次要的供电任务，并进行三相电压不平衡度的调整。在单相组合式同相供电中，2个单相变压器构成的Scott变压器，其两端口的接线角相差90°，所以变流器采用背靠背结构形式的单相变流器[6]，原理如图2所示。

图2 背靠背单相变流器原理示意图

背靠背单相变流器由2个单相电压型整流器通过同一个电容器背靠背连接在一起。高压匹配变压器的作用在于将电网侧的高电压降低为电力电子器件所能承受的耐压水平。交直交变流器端口输出的较低电压经牵引匹配变压器升压后为牵引母线供电。其中交直交变流器的控制目标在于，通过PWM信号控制IGBT的开关状态以保持中间直流电压的稳定，使有功功率在变流器两端口之间相互传递，从而达到负序补偿的目的。交流电抗器L配合同相补偿装置ADA一起工作，在变流的过程中起平滑电流的作用。

2 组合式同相供电系统原理

2.1 变压器的平衡变换

在单相组合式同相供电系统中，单相牵引变压器和单相高压匹配变压器构成一个不等边的Scott接线变压器，接线如图3所示，次边2个端口分别为a端口和b端口。电压向量图见图4。设牵引变压器的原次边绕组匝数分别为w1、w2，高压匹配变压器的原次边绕组匝数分别为，牵引变压器和高压匹配变压器变比分别为K1、K2。

图3 不等边Scott接线图

图4 不等边Scott接线电压向量图

由于低压侧a和b端口大小不一致，设次边两端口电压关系为Ub=pUa，按照磁势平衡原理[7]

可得电力系统侧三相电流和次边两端口电流、之间的关系为

根据式（1）可得原次边电流向量之间的关系，如图5所示。

对图5分析可得，当低压侧a和b端口负载功率相等时，两端口之间的电流相位相差90°，即时，整个系统中无负序电流存在，此时电力系统侧的三相电流完全对称。

图5 原次边电流向量图

2.2 同相补偿装置的平衡变换原理

单相组合式同相供电系统同相补偿装置结构如图6所示。

图6 同相补偿装置结构

设交直交变流器两端口电压分别为ua、ub，负载电流为iL。由于两端口电压相位相差90°，则端口电压的表达式为

负载电流大小为

将负载电流中的基波电流分量进行分解，负载电流可表示为

式中，Ip和Iq分别为基波电流的有功和无功分量。

负载瞬时功率为

为使同相补偿装置达到其调节目标，两端口输出的有功电流的相位应与各自电压相位相同，所以两端口电流的期望值为

式中，Isr为2个端口输出电流的期望值幅值。

当实现完全补偿时，三相电力系统应承担牵引负荷所需全部有功功率，因此，在任何一个周期内，牵引负荷所消耗的能量大小应与电力系统提供的能量大小相等。通过计算可得，当实现完全补偿时，同相补偿装置两端口的补偿电流期望值[8]为

同相补偿装置两端口的功率为

所以，当系统实现完全补偿时，同相补偿装置的负载端口（b端口）需承担牵引负荷所需有功功率的一半，并且实现无功功率和谐波功率的补偿，另一端口（a端口）只需承担其余的有功功率。

3 系统设计

根据温州市域铁路S1线的设计资料，对牵引变电所全天的牵引负荷馈线电流进行计算分析，得到的计算数据如表1所示。

表1 牵引变电所全天负荷过程数据统计 A

牵引网牵引母线电压为27.5 kV，系统短路容量为 1 100 MV·A。

首先选择牵引负荷功率95%概率大值进行计算，即

系统的短路容量为1 100 MV·A，可以得到系统的最大负序功率允许值[7]为

牵引负荷功率95%概率大值大于最大负序功率允许值，所以需配置同相补偿装置，计算牵引变压器以及同相补偿装置容量，即

可得牵引变压器容量ST为27.8 MV·A，同相补偿装置容量SC为5.6 MV·A。

当使用牵引负荷功率95%概率大值进行容量设计时，牵引负荷功率取最大值，系统的负序功率也应满足要求，进行容量校核

因为Smax＜2ST，此时的计算容量满足要求。同相补偿装置的安装容量与其计算容量相等，所以SC=6 MV·A，牵引变压器存在过负载能力，按过负荷倍数k取1.75计算，则

所以该单相组合式同相供电系统中，单相牵引变压器的安装容量确定为16 MV·A，同相补偿装置的安装容量确定为6 MV·A[3]。

4 仿真分析

对所设计的单相组合式同相供电系统在馈线电流分别为95%概率大值、最大值以及再生制动工况下分别进行仿真分析，通过Matlab/Simulink仿真平台，搭建单相组合式同相供电系统仿真模型，如图7所示。通过控制电路中的补偿电流生成模块和交直交变流器的控制模块，实现对交直交变流器IGBT的开断控制，达到控制目标。仿真模型的参数为：电力系统短路容量1 100 MV·A，电力系统侧线电压110 kV，牵引网电压27.5 kV，单相牵引变压器容量16 MV·A，同相补偿装置容量6 MV·A，负荷采用恒功率模块。

图7 单相组合式同相供电系统仿真模型

4.1 馈线电流取95%概率大值

馈线电流取95%概率大值时，负荷功率为33.6 MV·A，功率因数为0.98（滞后为正）。仿真时间设为0.2 s，同相补偿装置在0.08 s时投入使用。三相电力系统侧电压、电流波形如图8、图9所示。

图8 三相电压波形

图9 三相电流波形

根据仿真结果，分别计算同相补偿装置投入前和投入后电力系统侧三相电压不平衡度，结果如表2所示。

表2 三相不平衡度计算

负荷为单相非线性负荷，将导致三相电力系统的不平衡。在0～0.08 s时同相补偿装置未投入使用，由电力系统BC相为负荷供电，A相空载，此时电力系统存在严重的三相不平衡。0.08 s后同相补偿装置投入使用，电力系统中的负序得到了明显补偿，三相电压不平衡度由原来的2.8%降为1.1%，满足国标要求[9]。三相电压不平衡度的变化过程如图10所示。由此可见，在馈线电流取95%概率大值时，同相补偿装置达到了补偿效果，该单相组合式同相供电系统满足要求。

图10 三相电压不平衡度变化过程

4.2 馈线电流取最大值

当馈线电流取最大值时，负荷功率为43.2 MV·A，功率因数为0.98（滞后为正）。仿真时间设为0.2 s，同相补偿装置在0.08 s时投入使用。三相电压不平衡度的变化过程如图11所示。

图11 三相电压不平衡度变化过程

根据仿真结果，分别计算同相补偿装置投入前和投入后电力系统侧三相电压不平衡度，结果如表3所示。

表3 三相不平衡度计算

结合图11和表3分析可得，在0.08 s后同相补偿装置投入使用，负序得到补偿。由于负荷功率大于同相补偿装置容量的2倍，此时同相补偿装置按额定容量输出，其余功率由牵引变压器提供，电力系统中仍然存在负序，但电力系统侧三相电压不平衡度为1.85%，满足国标中短时不超过4%的要求[9]。可以认为在馈线电流取最大值时，该单相组合式同相供电系统能够满足设计要求。

4.3 再生制动工况

在再生制动工况下，机车由交流电动机模式转换为交流发电机模式[10]。仿真时间设为0.2 s，同相补偿装置仍然在0.08 s投入使用。三相电压不平衡度的变化过程如图12所示。

图12 三相电压不平衡度变化过程

分析图12可得，当机车处于再生制动工况下，交直交变流器中原来的整流器工作在逆变状态，逆变器工作在整流状态，实现了能量的平衡反馈。当同相补偿装置投入使用后，电力系统侧三相电压不平衡度降低为1%，满足国标要求[9]，说明该单相组合式同相供电系统在再生制动工况下也可以满足设计要求。

5 结语

基于温州市域铁路S1线对列车速度要求较高、牵引负荷较大、采用自动过分相技术造成开关频繁动作、列车速度以及安全运行得不到保证等问题，牵引变电所选择采用同相供电技术能够很好地满足线路运行需求。

根据该线路牵引设计资料进行单相组合式同相供电系统设计，在Matlab/Simulink平台搭建系统仿真模型，并对仿真结果进行分析。可以得到，在不同的负荷大小下，该单相组合式同相供电系统均能满足三相电压不平衡度的要求；当负荷功率小于同相补偿装置容量的2倍时，理论上组合式同相供电系统可以实现负序的完全补偿，此时三相电压不平衡度几乎为0；当馈线电流取95%概率大值、最大值以及在再生制动工况时，系统中仍然存在一些负序电流，但也可使三相电压不平衡度降到国标允许的范围之内。该线路采用组合式同相供电系统能够很好地解决由于负荷不平衡引起的负序问题，并可取消变电所出口处的电分相，效果良好。

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