基于單臺YN,d11變壓器的同相AT供電系統

王冬梅 王 晨

（西南交通大學電氣工程學院，成都 610031）

為減少電氣化鐵路牽引負荷造成的不平衡影響，目前主要的解決方法有：采用三相-兩相平衡牽引變壓器，換相連接，采用不平衡補償裝置等[1]。這些措施能夠改善三相不平衡狀態，但由于牽引負荷的特殊性，效果并不理想。同相供電技術為綜合解決電氣化鐵路電能質量問題和取消牽引變電所換相連接方式提供了方案，受到了廣泛重視。

我國電氣化鐵路主要的供電方式有：直接供電，BT供電，AT供電；其中AT供電方式適用于重載、高速和繁忙干線電氣化鐵路，隨著高速鐵路在中國和世界的推廣和發展，AT供電方式以其技術經濟的整體優勢，將得到進一步采用[2]。YN，d11接線變壓器能適應牽引供電短期嚴重過載、頻繁近地短路等特點，結構簡單、制造方便，在我國電氣應用經驗豐富，所以研究基于YN，d11接線變壓器的同相AT供電系統方案具有重大意義。

1 同相AT牽引供電系統結構

同相AT牽引供電系統的結構如圖1所示，由AT牽引網和同相 AT牽引變電所組成[3]，圖中SS1-SS3為同相AT牽引變電所，PP為平衡變換裝置，它與牽引變壓器相連接，主要任務是平衡變換與補償無功、濾除諧波。針對不同接線的變壓器，平衡變換裝置的主電路部分可以由三相三橋臂變流器、兩“背靠背”單相變流器等構成[4-6]。

圖2是基于單臺YN,d11變壓器的同相AT所接線圖，變壓器為一臺變比110kV/27.5kV的雙繞組變壓器，平衡變換裝置由三相四橋臂變流器構成，通過對平衡器適當控制，能夠使得牽引側各供電臂電壓相同，從而取消電分相，實現同相供電。

圖1 AT同相供電系統

圖2 單臺YN,d11-27.5同相AT牽引變電所

2 平衡變換基本原理

式中，iL為負荷電流；i1p為負荷電流基波有功分量；Ps、PL分別為電源功率和負荷有功功率；K為變壓器原副邊電壓比值，K=110/27.5。

平衡變換后，變壓器原邊電流為對稱的三相基波正序電流，可得110kV側電流的瞬時值為

YN,d11變壓器原次邊電流關系為

根據式（5）得牽引側各相電流瞬時值為

根據圖2可得，若要使得變壓器牽引側各相電流滿足式（6），則平衡變換器輸出的的補償電流應為

當平衡變化裝置各橋臂電流滿足式（7）時，電源只提供負載有功功率，負載所需的負載基波正序無功電流、負序電流和諧波電流由平衡變換器提供。

3 補償電流的實時檢測

由式（7）可知，若能夠檢測出負荷電流iL的基波電流有功分量的有效值I1p，就可得到平衡變換器需要輸出的綜合補償電流[7]。

將系統的負載電流表示為

式中，iL(t)為負載電流，iLh(t)為諧波電流，i1q(t)為基波無功電流分量，i1p(t)為基波有功電流分量。

將式（8）等號兩端同乘 2sinwt，可得

觀察式（9），等號右邊由兩部分構成，I1p為其中的直流分量，若將其中的交流分量通過低通濾波器濾除便可得到I1p。那么變流器需要輸出的的補償電流可根據式（7）得出。

對式（7）進行變換可得

由式（10）構造出平衡變換器補償電流的生成原理圖如圖3所示。

圖3 補償電流生成框圖

圖3中所示的sinwt和coswt通過鎖相環和信號發生器得到，與負載電壓同相位。圖3中M為矩陣：

根據圖3原理可實現對平衡變換器補償電流的實時檢測。

4 平衡補償及控制策略

基于單臺YN,d11變壓器的同相AT供電系統，平衡變換裝置由三相四橋臂變流器構成，結構如圖4所示。

圖4 三相四橋臂平衡變換器

其控制策略采用基于三維空間電壓矢量的電流調節方案[8-9]，方案由最高開關頻率受限的三電平比較器和電壓矢量選擇表構成，控制原理如圖5所示。電流誤差信號經坐標變換得到在αβγ 坐標系下的誤差信號，eα，eβ和 eγ，經最高開關頻率受限的三電平比較器輸出信號dα，dβ和 dγ，用以選擇空間電壓矢量，驅動逆變器產生在指令電流誤差范圍內的電感電流。具體的空間電壓矢量選擇分析，詳見文獻[9]。

圖5 電流調節方案控制框圖

5 系統仿真分析

本文在Matlab/Simulink環境下，構建了基于單臺YN,d11（110kV/27.5kV）接線變壓器的AT同相供電系統，觀察其經平衡變換裝置后的補償效果。

平衡變換裝置采用三相四橋臂變流器，如圖 4所示，參數設為L=0.3mH，C=15mF，直流側電壓設定為10kV；降壓變壓器變比為27.5kV/2.5kV，牽引網電壓為 27.5kV，負荷端口電壓和負荷電流分別為式中，ψL為負荷端口接線角。

仿真結果如圖6、圖7所示。

圖6 補償前原邊電流

圖7 補償后變壓器原邊電流

圖6為補償前變壓器原邊三相電流波形，可以看出補償前110kV側三相電流中諧波和無功的含量很高。圖7為補償后變壓器原邊三相電流，經平衡變換裝置作用后三相電流基本對稱，補償效果明顯，驗證了方案的正確性。

6 結論

本文主要研究基于單臺 YN,d11接線變壓器的AT同相供電系統，變壓器為110kV/27.5kV雙繞組變壓器，選用三相四橋臂變流器構成平衡變換裝置。通過分析和系統仿真說明，該系統能夠動態濾除諧波和補償無功，使110kV側三相電流對稱并與相電壓同相位，這樣就使得牽引負荷相對電力系統而言，相當于一個純阻性的三相對稱負荷，實現了由單相牽引負荷到三相電力系統的平衡變換。

[1]李群湛. 牽引變電所供電分析與綜合補償技術[M].北京: 中國鐵道出版社, 2006.

[2]李群湛, 賀建閩. 牽引供電系統分析[M]. 成都: 西南交通大學出版社, 2010.

[3]張秀峰. 高速鐵路同相 AT牽引供電系統研究[D].西南交通大學博士研究生論文, 2006.

[4]曾國宏, 郝榮泰. 采用有源濾波器實現平衡變換的供電系統研究[J]. 鐵道學報, 2003, 25 (1): 48-53.

[5] 曾國宏, 郝榮泰. 基于有源濾波器和阻抗匹配平衡變壓器的同相供電系統[J]. 鐵道學報, 2003, 25(3):49-54.

[6] 張秀峰, 李群淇, 呂曉琴, 等. 基于有源濾波器的V,v接線同相供電系統研究[J]. 中國鐵道科學, 2006,27(2): 98-103.

[7]張秀峰. 基于有源濾波器的同相供電系統補償電流的實時檢測[J]. 鐵道學報, 2005, 12(6).

[8]VERDELHO P, MARQUES G D.A current control system based in variables for a four-leg PWM voltage converter[A].IEEEIECON’98[C]. Aachen, Germany,1998: 1847-1852.

[9]孫馳，張國安.一種新穎的三相四橋臂逆變器電流調節方案研究[J]. 電機與控制學報，2004(2):165-169.