基于IPFC的單相組合式同相供電裝置補(bǔ)償原理分析

引言

同相供電裝置的主要任務(wù)是補(bǔ)償因牽引負(fù)荷引起的以負(fù)序?yàn)橹鞯碾娔苜|(zhì)量問題。電能質(zhì)量還包括無功、高次諧波、電壓波動(dòng)、閃變等問題,早期的相控型機(jī)車功率因數(shù)較低,無功問題比較凸出。而新投運(yùn)的主要為交直交型傳動(dòng)機(jī)車,其功率因數(shù)接近于1,無功問題基本消除,低頻段高次諧波也得到顯著改善,負(fù)序補(bǔ)償成為同相供電裝置的首要任務(wù)。在單相組合式同相供電系統(tǒng)中,牽引變壓器實(shí)現(xiàn)三相-兩相變換,引出的兩相只選擇其中一相作為直接負(fù)載供電相,另外一相通過同相補(bǔ)償裝置連接負(fù)載,通過控制同相補(bǔ)償裝置兩端的輸出電流,抵消負(fù)序電流,實(shí)現(xiàn)牽引變壓器原邊三相平衡。

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí),牽引變壓器始終負(fù)責(zé)為接觸網(wǎng)供電,同相補(bǔ)償裝置的主要任務(wù)是補(bǔ)償不平衡電流,同時(shí)會(huì)根據(jù)實(shí)時(shí)負(fù)荷情況調(diào)整自身輸出有功電流的大小:當(dāng)負(fù)荷功率較小時(shí),同相補(bǔ)償裝置輸出與牽引變壓器相等量的有功功率,同時(shí)補(bǔ)償全部不平衡電流,三相補(bǔ)償度為100%:當(dāng)負(fù)荷功率較大時(shí),牽引變壓器輸出額定有功功率,不平衡電流難以完全補(bǔ)償,三相補(bǔ)償度依據(jù)負(fù)荷實(shí)際情況而定。

1基本結(jié)構(gòu)

同相供電系統(tǒng)通常由牽引網(wǎng)和同相牽引變電所構(gòu)成,其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示,圖中同相補(bǔ)償裝置以IPFC為例。其中,牽引變壓器和同相補(bǔ)償裝置是牽引變電所的主要組成部分,前者負(fù)責(zé)將網(wǎng)側(cè)三相電壓轉(zhuǎn)換為兩相牽引電壓,在變換電壓相位的同時(shí)也改變了電壓等級(jí),常用的牽引變壓器類型包括:scott接線牽引變壓器[1]、V/v接線牽引變壓器、YNd11接線牽引變壓器、阻抗匹配平衡變壓器等。

組合式結(jié)構(gòu)同相供電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于:牽引變壓器與同相補(bǔ)償裝置在結(jié)構(gòu)上不捆綁,補(bǔ)償裝置投運(yùn)與否不影響牽引變壓器工作,其主要功能是補(bǔ)償負(fù)序電流,同時(shí)兼顧輔助牽引變壓器供電的任務(wù),是目前國(guó)內(nèi)科研與工程應(yīng)用中主流的技術(shù)方案。其中單相組合式同相供電系統(tǒng)由于其牽引變壓器容量利用率高、裝置集成度高以及占地面積少等優(yōu)點(diǎn),適用于新建電氣化高速鐵路。

單相組合式同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示,主體由牽引變壓器(TT)和同相補(bǔ)償裝置(CPD)構(gòu)成,后者又包含三個(gè)部分:

(1)高壓匹配變壓器(HMT):建立同相補(bǔ)償裝置與牽引網(wǎng)之間的聯(lián)系,起到隔離與降壓的作用。

(2)交直交變流器(ADA):建立牽引網(wǎng)與接觸網(wǎng)之間有功功率傳輸?shù)那?起到補(bǔ)償無功與濾除諧波的作用。

(3)牽引匹配變壓器(TMT):建立同相補(bǔ)償裝置與接觸網(wǎng)之間的聯(lián)系,起到升壓作用。

TT與HMT恰好構(gòu)成不等邊scott變壓器的兩個(gè)相互垂直的繞組相[5],由于牽引變壓器與牽引匹配變壓器均為單相變壓器,它們的電壓等級(jí)均與負(fù)載電壓相等,且負(fù)載電流為牽引變壓器與牽引匹配變壓器電流之和,因此單相組合式同相系統(tǒng)的容量利用率為100%。

2同相供電裝置結(jié)構(gòu)分析

2.1scott接線變壓器

scott接線變壓器是一種能夠?qū)崿F(xiàn)三相一兩相變換的平衡變壓器,經(jīng)過變換后的兩相電壓相位相互垂直。如圖3所示,其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)異于一般的電力變壓器,導(dǎo)致在電氣量變換與計(jì)算分析過程中也存在差異。

圖中以A相為原邊、α相為副邊構(gòu)成的變壓器稱為T變壓器,以B、C相為原邊、β相為副邊構(gòu)成的變壓器稱為M變壓器,是主變壓器。Scott變壓器之所以稱為"垂直不等邊變壓器",是因?yàn)棣料嗯cβ相輸出電壓相位垂直、幅值不等,T變壓器與M變壓器一次繞組連接點(diǎn)并非中性點(diǎn),而是圖中的D點(diǎn),使這兩個(gè)變壓器原邊電壓作為高壓匹配變壓器,兩者用處不同,因此兩個(gè)變壓器副邊匝數(shù)不再相等,前者副邊匝數(shù)不變,而后者副邊匝數(shù)根據(jù)補(bǔ)償裝置的特性進(jìn)行設(shè)定。

根據(jù)圖3中的匝數(shù)比可以推出Scott變壓器原副邊的電壓關(guān)系滿足:

式中,U·α為α相電壓U·ad:U·β為β相電壓U·bc。

以圖3中箭頭所示為電流參考方向,則Scott變壓器原副邊電流關(guān)系滿足:

式中,Ⅰ·A為A相相電流:Ⅰ·B為B相相電流:Ⅰ·β為β相電流。

當(dāng)原邊達(dá)到三相平衡時(shí),原副邊的電壓相位關(guān)系如圖4所示。

根據(jù)圖4中的電壓相位關(guān)系,結(jié)合式(1)與(2)可知,牽引變壓器原邊達(dá)到三相平衡所要滿足的條件為:α相與β相電壓大小相等、相位相差90°。

Scott接線變壓器的優(yōu)點(diǎn)在于:當(dāng)副邊兩相電流與功率因數(shù)都相等時(shí),原邊達(dá)到三相電流平衡:副邊兩相相互解耦,一相的負(fù)載變化不會(huì)對(duì)另一相電壓產(chǎn)生影響,即使一相短路,另一相的輸出也不受影響,有利于在牽引網(wǎng)重負(fù)載情況下穩(wěn)定電壓水平:與基于級(jí)聯(lián)H橋的同相供電裝置搭配,容量利用率可達(dá)100%。因此,Scott變壓器在補(bǔ)償負(fù)序電流和無功電流、實(shí)現(xiàn)三相平衡、減小變壓器容量等方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),配合"背靠背"變流器能夠?qū)崿F(xiàn)控制簡(jiǎn)單、補(bǔ)償效果好、耐壓等級(jí)高、容量大、易于模塊化設(shè)計(jì)等目標(biāo)。

2.2基于線間潮流控制器的補(bǔ)償裝置

IPFC適用于YNvd接線、Scott接線牽引變壓器,是工程上最常用的一種變流器結(jié)構(gòu)。如圖5所示,兩個(gè)單相變流器通過直流電容耦合,形成四象限電壓型交直交變流器。

牽引變壓器與牽引匹配變壓器共同為負(fù)載供電,而交直交變流器本身并不向負(fù)載提供有功功率,僅僅作為高壓匹配變壓器與牽引匹配變壓器之間有功功率傳輸?shù)拿浇椤２捎媒恢苯蛔兞髌鞯膬?yōu)點(diǎn)在于:能夠通過控制變流器兩端口輸出電流的大小與相位,實(shí)現(xiàn)牽引變壓器負(fù)載電流的轉(zhuǎn)移與補(bǔ)償,轉(zhuǎn)移負(fù)載有功功率有利于減輕牽引變壓器供電壓力、減小其設(shè)計(jì)容量,補(bǔ)償負(fù)載無功與諧波電流則是為了提高網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量。

如圖5所示,Scott接線牽引變壓器與IPFC的組合是單相組合式同相供電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu),牽引變壓器原邊匝數(shù)為О1,副邊匝數(shù)為О2:低壓匹配變壓器原邊匝數(shù)為О3,副邊匝數(shù)為О2:高壓匹配變壓器原邊匝數(shù)為八3О1/2,副邊匝數(shù)為О3。不補(bǔ)償時(shí)牽引變壓器網(wǎng)側(cè)三相電流為:

潮流控制器投入補(bǔ)償后,根據(jù)電流平衡和磁勢(shì)平衡原理,牽引變壓器網(wǎng)側(cè)三相電流滿足如下關(guān)系:

解得牽引變壓器網(wǎng)測(cè)三項(xiàng)電流為：

經(jīng)過對(duì)稱分量法變換后,得到牽引變壓器原邊A相的零EQ \* jc3 \* hps17 \o\al(\s\up 2(

因此,A相負(fù)序電流幅值為:

式中,o為a相電流與β相電流的夾角。

當(dāng)滿足o3Ia=o2Iβ、o=0時(shí),IA2=0,即牽引變壓器原邊負(fù)序電流為零,又已知零序電流I·A0=0,因此上述條件成為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)三相平衡補(bǔ)償?shù)幕疽蟆?

3結(jié)語

本文首先介紹了同相供電系統(tǒng)及單相組合式同相供電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu),然后結(jié)合scott變壓器和IPFC結(jié)構(gòu),詳細(xì)推導(dǎo)了單相組合式同相供電裝置的補(bǔ)償原理,可以為后續(xù)同相供電變流器控制策略的制定及設(shè)備的研制奠定理論基礎(chǔ)。