一种新型同相供电系统分析与设计

侯鹏飞，周方圆，吴丽然，李明林

（1.西南交通大学电气工程学院，成都 611756；2.株洲中车时代电气股份有限公司，株洲 412001）

电气化铁路中的牵引负荷具有非线性、冲击性、波动性等特点，所引起的谐波、无功、负序等问题给电气化铁路及铁路沿线电力用户带来不利影响，如增加设备和线路损耗、降低用电设备使用寿命等[1-3]。

目前，国内外提出了大量改善供电系统电能质量的方法。轮流换相可在一定程度上减小负序电流对电网的影响，但负序治理效果不理想[4]；静止无功补偿器能动态调节无功，但该措施只能补偿部分负序电流[5]；有源电力滤波器动态性能优越，在谐波治理方面得到广泛应用[6]；铁路功率调节器在负序抑制、谐波治理和无功补偿方面效果显著，能有效提高电能质量[7]。

随着我国高速和重载铁路的迅速发展，牵引供电系统中电分相的存在给列车带来牵引力和速度损失等诸多问题[8]。同相供电技术不仅可以取消电分相，还可提高供电系统的电能质量，是较为理想的供电方式之一。德国、瑞士、奥地利等欧洲国家主要采用ABB 公司生产的二极管箝位级联AC-DC-AC拓扑结构变频器实现三相-单相直接变换，但该方案存在成本高、需要特殊的单相输入/输出变压器以及结构复杂等缺点[9]；日本采用H-bridge 级联多AC-DC-AC 拓扑结构的电子变频器实现三相-单相直接变换，但该方案中变压器结构复杂，器件多，成本较高[10-11]；文献[12]首次提出同相供电理论，在取消变电所电分相的同时实现了谐波、负序和无功的综合治理；文献[13-16]采用潮流控制器与不同接线形式变压器相结合构成的同相牵引供电系统，在改善供电系统电能质量的同时取消了变电所电分相，但同相供电平衡补偿装置和牵引变压器的结构和容量上相互捆绑和依存，结构复杂。

针对上述问题，本文提出一种适用于电气化铁路的新型同相供电系统。在分析新型同相供电系统工作原理的基础上，采用一种基于dq 变换的系统协同控制策略，并基于某牵引变电所的实测负荷数据仿真验证所提系统的有效性。相对于传统的基于平衡变压器的组合式同相供电，本文采用结构更加简单、制造简单、价格低的V/v 变压器。此外，本方案变压器低压绕组串联，两绕组的电压较低，绝缘耐压要求低。

1 工作原理

1.1 新型同相供电系统结构

本文提出的基于V/v 接线变压器的新型同相供电系统结构如图1 所示。该系统由有源补偿装置和V/v 接线变压器构成，其中：V/v 接线变压器在常规V/v 变压器的基础上，将网侧三相110 kV（或220 kV）电压变为2 个15.9 kV 的单相电压，再将2 个次边绕组ab、cb 串联构成单相绕组，为牵引负荷供电。有源补偿装置含有共用直流电容的2 个变流器VSC1 和VSC2，VSC1 和VSC2 通过单相降压变压器（T1、T2）分别接入V/v 接线变压器的2 个次边绕组，通过有源补偿装置补偿牵引侧无功和谐波，可实现供电系统负序、谐波和无功的综合治理，实现三相-单相平衡供电。

图1 新型同相供电系统结构Fig.1 Structure of novel co-phase power supply system

该系统结构的优点是：VSC1 和VSC2 可实现供电系统负序、无功、谐波的综合补偿。三相系统无需换相连接，且V/v 变压器只需提供负载所需的有功功率，可有效提高变压器的利用率，降低变压器容量，相对于传统的基于平衡变压器的组合式同相供电，本文采用结构更加简单、制造简单、价格低的V/v 变压器。此外，本方案变压器低压绕组串联，两绕组的电压较低，绝缘耐压要求低。

1.2 补偿原理分析

本文将V/v 接线变压器次边绕组串联实现三相输入和单相输出。通过有源补偿装置在牵引侧补偿无功和谐波可实现三相不平衡治理、负载无功补偿和谐波治理的功能。

对有源补偿装置投入前该系统所产生的负序电流进行计算。以A 相电压为基准,则有

式中：UA、UB、UC分别为ABC 三相系统相电压；UAB、UCB分别为原边绕组AB、CB 的线电压；Uab、Ucb分别为次边绕组ab、cb 的线电压；UL为负载端口电压；K 为变压器变比。

设负荷电流为iL，负载功率因数为1，则次边绕组电流iab=icb=|iL|ej60°，变压器原边三相电流为

利用对称分量法可求得正、负、零序电流为

将式（4）代入式（5）可得负序电流为

有源补偿装置投入后，设变压器次边绕组ab两端补偿容性无功电流iCq，绕组cb 两端补偿感性无功电流iLq，则

根据式（4）、式（5）和式（7）可得补偿装置所产生的负序电流为

为了完全消除负序电流，则式（6）和式（8）大小相等，方向相反，可求得所需的容性无功电流和感性无功电流的大小分别为

当功率因数为1 时，有源补偿装置VSC1、VSC2 分别补偿次边绕组容性无功电流iCq和感性无功电流iLq，使得次边绕组电流iab相位与电网A相电压UA一致，icb相位与电网C 相电压UC一致，从而实现网侧三相电流平衡。当功率因数不为1时，有源补偿装置VSC1、VSC2 的补偿电流、分别为iCq、iLq与补偿负载无功的补偿电流icq的矢量和，补偿系统矢量如图2 所示，图中，iA、iB、iC分别为变压器原边三相电流，通过有源补偿装置可实现供电系统负序电流和负载无功的综合治理。

图2 补偿系统矢量Fig.2 Vectors of compensation system

当不考虑谐波和无功时，有源补偿装置的补偿容量为

2 新型同相供电系统协同控制策略

新型同相供电系统的协同控制策略如图3 所示。采用传统成熟的控制算法来验证所提系统的有效性，控制策略主要由参考电流检测、参考电流跟踪、直流电压稳压及中点电位平衡控制等部分构成。参考电流的精确、快速检测是保证系统补偿效果的关键，鉴相法具有跟踪性能好、易于实现的特点，在单相交流系统得到大量应用[16]，本文采用鉴相法对负载电流中各电流分量进行实时检测。

图3 新型同相供电系统的协同控制策略Fig.3 Collaborative control strategy for novel co-phase power supply system

设电气化铁路牵引网电压表达式为

负荷电流表达式为

式中：I1p和I1q分别为负载的基波有功分量和基波无功分量；ih（t）为谐波电流。

将负荷电流iL（t）分别乘以电压同步的单位正余弦信号，其乘积的2 倍分别经低通滤波器滤波后可求出基波有功分量I1p和基波无功分量I1q，再分别乘以单位正余弦信号，可得基波有功电流i1p和基波无功电流i1q，用负载电流分别减去基波有功电流和基波无功电流即可得到谐波电流ih（t）。

参考电流的生成是补偿的前提，为实现供电系统负序、无功和谐波的完全补偿，根据第1.2 节计算的补偿电流大小和相位，加上检测到的谐波电流ih（t）得到变流器VSC1 和VSC2 的参考指令电流为和，即VSC1 和VSC2 应补偿的参考电流分别为

交流侧电流和直流侧电压采用电流内环和电压外环双闭环控制，电压外环通过PI 控制维持变流器直流侧电压稳定，并采用基于滞环比较的中点电位控制方法，通过开关脉冲组合转换实现中点电位平衡控制，电流内环通过PI 控制实时跟踪参考电流指令，得到系统所需补偿电流，跟踪后的电流误差通过三角载波控制方式产生开关驱动信号，实现对参考电流的快速无差跟踪控制。采用图3 的控制系统可充分利用电力电子型有源补偿装置动态特性优越的特点，提高整个系统的动态响应速度，满足牵引负荷波动性大的要求，同时控制系统中采用成熟的控制算法，技术成熟、模型简单、易于工程实现。

3 仿真验证

为验证所提新型同相供电系统的有效性，由某牵引变电所典型实测数据，得到负荷大小及谐波特征，通过阻感性负载和谐波源等效模拟该负荷特性，谐波源参数根据实测数据中的谐波电流大小来给定，本文模拟牵引负荷含3、5、7、11 和13 次谐波，在Simulink 平台进行仿真验证。原理如图1 所示，V/v接线变压器由2 个容量20 MV·A、110 kV∶15.877 kV 的单相变压器次边绕组串联构成，以合成电压27.5 kV 为负载供电，仿真参数如表1 所示。

表1 仿真参数Tab.1 Simulation parameters

图4 为有源补偿装置投入前牵引负载在牵引工况下的仿真结果，负载率因数为0.95。从图中可以看出，变压器原边三相电流不平衡，且含有大量谐波。图5 为有源补偿装置投入后牵引负载在牵引工况下的仿真结果。由图5 可以看出，有源补偿装置投入后，变压器原边三相电流基本平衡，三相电流不平衡度ε 小于7%，网侧功率因数接近1，网侧三相电流的总谐波失真THD（total harmonic distortion）均小于5%，补偿效果理想。在t=1.0 s 时负载增大一倍，所提系统能快速恢复平衡，说明所提系统动态性能和补偿效果均很好。

图4 补偿装置投入前牵引工况仿真结果Fig.4 Simulation results under traction condition without compensation device

图5 补偿装置投入后牵引工况仿真结果Fig.5 Simulation results under traction condition with compensation device

图6 为有源补偿装置投入前牵引负载再生工况下的仿真结果，从图中可以看出，有源补偿装置投入前三相电流含有大量的负序和谐波分量。图7为有源补偿装置投入后牵引负载在再生工况下的仿真结果，从图7 可以看出，补偿后三相系统基本平衡，三相电流不平衡度ε 小于7%，网侧功率因数接近-1，网侧三相电流的THD 均小于5%，实现了负序和谐波的综合补偿。在t=1.0 s 时再生功率减小，系统能快速恢复稳定，表明所提系统在负载再生工况下依然具有良好的动态性能和补偿性能。

图6 补偿装置投入前再生工况仿真结果Fig.6 Simulation results under regenerative condition without compensation device

图7 补偿装置投入后再生工况仿真结果Fig.7 Simulation results under regenerative condition with compensation device

2 种工况下有源补偿装置投入前后的三相电流谐波含有率、功率因数和电流不平衡度如表2 所示，从表中可以看出，补偿后网侧各项指标都有很大的改善，三相电流不平衡度由50%降低到7%以下，电流谐波含量由大于18%减少到5%以下，补偿效果显著。

表2 补偿装置投入前后补偿效果Tab.2 Compensation effect with and without compensation device

4 结语

本文提出一种基于V/v 接线变压器的新型同相供电系统，通过改进V/v 接线变压器，并结合有源补偿装置实现了三相-单相平衡变换，在取消变电所电分相的同时，实现供电系统负序电流、无功和谐波的综合治理，并且改进V/v 接线变压器两绕组的电压较低，绝缘耐压要求低。根据实测负荷数据仿真验证了所提新型同相供电系统牵引负载在牵引和再生2 种工况下均具有良好动态性能和补偿性能。