基于IPFC的单相组合式同相供电装置补偿原理分析

引言

同相供电装置的主要任务是补偿因牵引负荷引起的以负序为主的电能质量问题。电能质量还包括无功、高次谐波、电压波动、闪变等问题,早期的相控型机车功率因数较低,无功问题比较凸出。而新投运的主要为交直交型传动机车,其功率因数接近于1,无功问题基本消除,低频段高次谐波也得到显著改善,负序补偿成为同相供电装置的首要任务。在单相组合式同相供电系统中,牵引变压器实现三相-两相变换,引出的两相只选择其中一相作为直接负载供电相,另外一相通过同相补偿装置连接负载,通过控制同相补偿装置两端的输出电流,抵消负序电流,实现牵引变压器原边三相平衡。

系统运行时,牵引变压器始终负责为接触网供电,同相补偿装置的主要任务是补偿不平衡电流,同时会根据实时负荷情况调整自身输出有功电流的大小:当负荷功率较小时,同相补偿装置输出与牵引变压器相等量的有功功率,同时补偿全部不平衡电流,三相补偿度为100%:当负荷功率较大时,牵引变压器输出额定有功功率,不平衡电流难以完全补偿,三相补偿度依据负荷实际情况而定。

1基本结构

同相供电系统通常由牵引网和同相牵引变电所构成,其基本结构如图1所示,图中同相补偿装置以IPFC为例。其中,牵引变压器和同相补偿装置是牵引变电所的主要组成部分,前者负责将网侧三相电压转换为两相牵引电压,在变换电压相位的同时也改变了电压等级,常用的牵引变压器类型包括:scott接线牵引变压器[1]、V/v接线牵引变压器、YNd11接线牵引变压器、阻抗匹配平衡变压器等。

组合式结构同相供电系统的优势在于:牵引变压器与同相补偿装置在结构上不捆绑,补偿装置投运与否不影响牵引变压器工作,其主要功能是补偿负序电流,同时兼顾辅助牵引变压器供电的任务,是目前国内科研与工程应用中主流的技术方案。其中单相组合式同相供电系统由于其牵引变压器容量利用率高、装置集成度高以及占地面积少等优点,适用于新建电气化高速铁路。

单相组合式同相供电系统结构如图2所示,主体由牵引变压器(TT)和同相补偿装置(CPD)构成,后者又包含三个部分:

(1)高压匹配变压器(HMT):建立同相补偿装置与牵引网之间的联系,起到隔离与降压的作用。

(2)交直交变流器(ADA):建立牵引网与接触网之间有功功率传输的渠道,起到补偿无功与滤除谐波的作用。

(3)牵引匹配变压器(TMT):建立同相补偿装置与接触网之间的联系,起到升压作用。

TT与HMT恰好构成不等边scott变压器的两个相互垂直的绕组相[5],由于牵引变压器与牵引匹配变压器均为单相变压器,它们的电压等级均与负载电压相等,且负载电流为牵引变压器与牵引匹配变压器电流之和,因此单相组合式同相系统的容量利用率为100%。

2同相供电装置结构分析

2.1scott接线变压器

scott接线变压器是一种能够实现三相一两相变换的平衡变压器,经过变换后的两相电压相位相互垂直。如图3所示,其拓扑结构异于一般的电力变压器,导致在电气量变换与计算分析过程中也存在差异。

图中以A相为原边、α相为副边构成的变压器称为T变压器,以B、C相为原边、β相为副边构成的变压器称为M变压器,是主变压器。Scott变压器之所以称为"垂直不等边变压器",是因为α相与β相输出电压相位垂直、幅值不等,T变压器与M变压器一次绕组连接点并非中性点,而是图中的D点,使这两个变压器原边电压作为高压匹配变压器,两者用处不同,因此两个变压器副边匝数不再相等,前者副边匝数不变,而后者副边匝数根据补偿装置的特性进行设定。

根据图3中的匝数比可以推出Scott变压器原副边的电压关系满足:

式中,U·α为α相电压U·ad:U·β为β相电压U·bc。

以图3中箭头所示为电流参考方向,则Scott变压器原副边电流关系满足:

式中,Ⅰ·A为A相相电流:Ⅰ·B为B相相电流:Ⅰ·β为β相电流。

当原边达到三相平衡时,原副边的电压相位关系如图4所示。

根据图4中的电压相位关系,结合式(1)与(2)可知,牵引变压器原边达到三相平衡所要满足的条件为:α相与β相电压大小相等、相位相差90°。

Scott接线变压器的优点在于:当副边两相电流与功率因数都相等时,原边达到三相电流平衡:副边两相相互解耦,一相的负载变化不会对另一相电压产生影响,即使一相短路,另一相的输出也不受影响,有利于在牵引网重负载情况下稳定电压水平:与基于级联H桥的同相供电装置搭配,容量利用率可达100%。因此,Scott变压器在补偿负序电流和无功电流、实现三相平衡、减小变压器容量等方面具有独特的优势,配合"背靠背"变流器能够实现控制简单、补偿效果好、耐压等级高、容量大、易于模块化设计等目标。

2.2基于线间潮流控制器的补偿装置

IPFC适用于YNvd接线、Scott接线牵引变压器,是工程上最常用的一种变流器结构。如图5所示,两个单相变流器通过直流电容耦合,形成四象限电压型交直交变流器。

牵引变压器与牵引匹配变压器共同为负载供电,而交直交变流器本身并不向负载提供有功功率,仅仅作为高压匹配变压器与牵引匹配变压器之间有功功率传输的媒介。采用交直交变流器的优点在于:能够通过控制变流器两端口输出电流的大小与相位,实现牵引变压器负载电流的转移与补偿,转移负载有功功率有利于减轻牵引变压器供电压力、减小其设计容量,补偿负载无功与谐波电流则是为了提高网侧电能质量。

如图5所示,Scott接线牵引变压器与IPFC的组合是单相组合式同相供电系统的基本结构,牵引变压器原边匝数为О1,副边匝数为О2:低压匹配变压器原边匝数为О3,副边匝数为О2:高压匹配变压器原边匝数为八3О1/2,副边匝数为О3。不补偿时牵引变压器网侧三相电流为:

潮流控制器投入补偿后,根据电流平衡和磁势平衡原理,牵引变压器网侧三相电流满足如下关系:

解得牵引变压器网测三项电流为：

经过对称分量法变换后,得到牵引变压器原边A相的零EQ \* jc3 \* hps17 \o\al(\s\up 2(

因此,A相负序电流幅值为:

式中,o为a相电流与β相电流的夹角。

当满足o3Ia=o2Iβ、o=0时,IA2=0,即牵引变压器原边负序电流为零,又已知零序电流I·A0=0,因此上述条件成为实现网侧三相平衡补偿的基本要求。

3结语

本文首先介绍了同相供电系统及单相组合式同相供电系统的基本结构,然后结合scott变压器和IPFC结构,详细推导了单相组合式同相供电装置的补偿原理,可以为后续同相供电变流器控制策略的制定及设备的研制奠定理论基础。