Vx接线潮流控制及补偿策略研究

魏光

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安 710043)

中国高铁牵引变电所基本采用Vx接线形式。客运量季节性高峰时常挑战着现有牵引供电设施的能力。低时速高铁的牵引变压器安装容量与铁路运输组织的大功率动车组负荷容量匹配不足，致使牵引供电系统存在过负荷跳闸、阻抗Ι段保护跳闸等风险。为此，研究以Vx接线牵引变压器为核心的供电系统潮流控制及补偿策略意义深远。同相牵引供电系统的提出[1-2]，标志着中国电气化铁路牵引供电在补偿领域达到了新的高度，从根本上解决了负序、谐波、无功等电能质量问题；同时取消电分相，提高了列车的通过能力。但目前的文献都是基于Vv，Scott，YNd11和平衡接线等方式[3-21]，对于目前中国大量使用的Vx接线尚未有针对性研究。本文在现有的同相供电技术基础上，以Vx接线牵引供电系统为背景，研究其电气量关系，提出电流分解策略，从而形成对潮流以及补偿分量的控制策略。同相供电主要目标为使供电臂同一相位运行且补偿电能质量；本策略结合工程实际，旨在不改变供电相位现状，均衡潮流，同时改善电能质量。无论对于既有牵引供电设施改造，还是新建牵引变电所，都具有理论指导意义。

1 系统结构

现有的高铁牵引供电系统结构如图1(a)所示，牵引变压器由2台单相变压器组成Vx接线，原边接引电网三相中的两相，副边分别接引供电臂的T线、F线，且中点抽头通过集中接地箱连接钢轨及主地网。有时，2台单相变也可能共箱配置。

铁路运输组织的波动性使得在某时刻负荷会集中在某一供电臂，形成重负荷臂变压器过负荷严重，甚至超出其供电能力，而轻负荷臂变压器压力很低。V型接线的特殊性决定了牵引负荷在电网侧引入了负序。同时动车组产生谐波、无功，亦会映射到电网侧。

基于负荷分配均衡和电能质量的考虑，在牵引变压器副边采用潮流控制器(PFC)，如图1(b)所示，将2个供电臂连接。通过对PFC的潮流控制实现有功功率的均衡，并且实现负序、谐波、无功的补偿。

图1 系统结构Fig.1 System structure

PFC采用背靠背四象限全桥结构变流器，ΙGBT开关管，直流环节采用电容器及滤波环节，两端采用隔离变压器，如图2所示。Vx牵引变压器结构上相当于三绕组变压器[11]，在T，F绕组各设置1组变流器，分别负责T，F回路的潮流及电能质量。正常工况，2组同时运行。当任何一组变流器退出，另一组变流器继续工作，保证至少有一组变流器可以为T回路提供支持。因为T回路出现最大负荷，最需要进行潮流控制，如表1所示。

表1 副边绕组容量输出Table 1 Secondary winding capacity output

图2 潮流控制器结构Fig.2 Power flow controller(PFC)structure

2 潮流控制及补偿原理

设 两 供 电 臂 的 负 荷 电 流 分 别 为I˙Lα，I˙Lβ，其 在电网侧的序分解关系为[2]：

其中：牵引侧端口与电网侧端口线电压之比为K=功率因数角为滞后的相位差)；接线角为滞后的相位差)。

在有功无功、负序、谐波等不同维度将负荷电流进行分解得

其中：T32为牵引变压器的变换矩阵。

将式(6)代入式(2)，并考虑PFC直流环节能量的传递，得

由式(7)可知，为使电网侧三相对称，牵引侧端口仅需输出大小相等，且数值为基波有功分量的电流即可。当2个供电臂负荷不均衡时，轻臂向重臂传递两臂负荷差值的

由图1(b)参考方向得补偿指令电流为：

3 控制策略

由锁相环PLL可得同步电压信号矩阵

通过如下旋转矩阵可分别得到式(2)～(4)的相位关系。

通过鉴相原理[11]得直流分量Ip，Iq。结合以上各矩阵及直流分量，即得负荷电流在牵引侧端口的电流分量：

分解后的负荷电流，通过设置补偿度KN,Kh,KC∈[0,1]，可以对电能质量进行按需补偿。

控制策略如图3所示。

图3 控制策略Fig.3 Control strategy

变流器采用单极性SPWM技术，提高跟踪精度，可以保证波动性负荷的需求，原理如图4所示。

图4 三角波调制法原理Fig.4 Principle of triangular wave modulation

此方案适用于多种工况：当运输组织处于繁忙期，可以将2组PFC均投入，即对T，F回路的有功功率均匀分配；当PFC处于故障或检修状态，其中一组PFC退出，仅投入一组PFC到T回路，保证最大负荷时，有功功率平衡可以较大程度上缓解；当运营初期，线路因空载率高致使容性无功较大，利用PFC可有效进行无功补偿；当牵引变电所位于车站、场段，PFC可明显降低场段高次谐波效应；当位于电源稀薄地区，PFC可很大程度上降低牵引负荷对电网负序的影响。

4 仿真分析

针对PFC的各种功能，建立了基于MATLAB/Simulink的仿真模型，参数如表2所示。

表2 系统参数Table 2 System parameters

负荷采用SS机车特性：

1)分批投入PFC工况

假设仅在α相供电臂第一个AT段中间位置有1列机车。0.1～0.16 s，未投入PFC；0.16～0.22 s，仅T绕组投入一组PFC；0.22～0.28 s，T，F绕组均投入PFC。仿真结果如图5所示。

图5 分批投入PFCFig.5 Batch input PFC

因为机车所处位置，可知T绕组输出0.75倍负荷，F绕组输出0.25倍负荷。由仿真结果知，当0.16～0.22 s时，仅T绕组的PFC在工作，有功能量传递以及电能质量满意补偿，可以缓解重臂容量的过负荷及电网侧的电能质量负担。当0.22～0.28 s时，T，F绕组均投入PFC，有功功率在两臂之间得到了均衡，同时电能质量也获得了完全补偿。可见，(1+1)的PFC配置方式，提高了供电能力调配的灵活性；加上负序、谐波、无功补偿度的引入，实现了电能质量的按需补偿。通过几种模式的转换，亦可看出本策略针对负荷波动性的动态响应迅速。

2)单独补偿电能质量工况

为验证电能质量补偿的特性，设置0.1～0.14 s，完全补偿。0.14～0.18 s，仅补偿负序。0.18～0.22 s，仅补偿谐波。0.22～0.26 s，仅补偿无功，如图6所示。

图6 单独补偿电能质量Fig.6 Ιndividual power quality compensation

从图6仿真结果可知，不同时段电能质量补偿效果及结论如表3所示。

表3 电能质量补偿对比Table 3 Comparison of power quality compensation

特别指出，无功的补偿分为2部分：一部分为负荷自身无功映射到电网侧的，此部分也是无功补偿度的控制范围；另一部分为补偿负序所需补偿的无功分量，此部分在负序补偿度的控制范围。

同时投入T，F回路PFC，实现潮流的均衡分配，也可为既有牵引变压器(不等容)量身定制分配比例，做到潮流的按需分配。在故障或检修时，退出一组PFC，将另一组仅投入到T回路，保证基本的供电能力。针对不同的电能质量需求，灵活补偿负序、谐波、无功，实现满意补偿。

5 结论

1)结合目前高铁普遍采用的Vx接线牵引供电系统，提出了具体的潮流控制及电能质量补偿方案，对于既有变电所改造或新建变电所均具有指导意义。仿真分析验证了本策略模块化PFC对于灵活潮流分配及电能质量补偿具有现实意义。

2)结合仿真中拟设的多种工况，PFC可实现多种运行模式自由组合，以满足不同运营需求。为取消电分相，建立同相供电系统提供基础。