基于YNvd接線變壓器的同相牽引供電系統

夏　炎

(鐵道部經濟規劃研究院，北京　100038)

Cophase Traction Power Supply System Based on YNvd Connection Transformer

XIA Yan

基于YNvd接線變壓器的同相牽引供電系統

夏炎

(鐵道部經濟規劃研究院，北京100038)

Cophase Traction Power Supply System Based on YNvd Connection Transformer

XIA Yan

摘要基于YNvd接線變壓器的同相供電系統有其優越性，利用有功電流分離法檢測其綜合補償電流，并通過滯環比較電流控制方法對IPFC進行有效控制，可消除牽引系統造成的三相不平衡，濾除諧波和無功電流。在Matlab/Simulink環境下建立該同相供電系統，仿真驗證了系統結構、電流檢測方法和控制策略正確，方案可行。

關鍵詞同相供電系統YNvd接線變壓器綜合潮流控制器有功電流分離法滯環比較電流控制法

鐵路牽引供電系統是電力系統的重要負載之一，由于其采用的是單相工頻交流供電制式，對于電力系統而言為三相不平衡負載，會引起系統產生大量諧波、負序和無功。為減少牽引系統對電力系統的不良影響，必須采用換相連接，可相對減小三相不平衡度。但這種改善是有限的，且不同供電區段之間必須用分相絕緣器來進行分離，而絕緣器又限制了機車連續平滑受流，限制了高速、重載鐵路的發展。

為解決鐵路牽引供電系統所引起的這些問題，許多方案被提出。從目前來看，同相供電技術是最有效的方法，即全線采用同一相位的電壓。這種方法可以取消電分相，提高高速、重載鐵路供電性能，同時同相轉換裝置可以補償負載所需要的諧波和無功，大大改善電能質量[1-3]。

同相牽引供電系統主要由牽引變壓器和綜合潮流控制器(IPFC)組成。常見的牽引變壓器接線形式有YNd11接線、Vv接線和平衡變壓器等；根據變壓器接線形式的不同，IPFC的結構也有所不同，主要分為三相三(四)橋臂結構和背靠背結構。文獻[4-9]分別提出了基于YNd11變壓器、Vv變壓器、阻抗匹配平衡變壓器以及斯科特變壓器的同相供電系統方案。這些方案雖然實現了三相平衡變換，但都有一定局限性。本文將對基于YNvd接線變壓器的同相供電系統方案進行研究以及仿真，驗證其能夠實現三相平衡輸出，提高電能質量，是更加理想的同相供電系統方案。

1同相供電系統結構

同相供電系統是指全線提供同一相位的單相電，從而取消電分相，提高重載、高速鐵路供電性能。其結構如圖1所示。

圖1　同相牽引供電系統結構

從圖1可以看到，同相供電系統由牽引變壓器和綜合潮流控制器(IPFC)組成，牽引變壓器將電網電能傳遞給IPFC，通過IPFC調節，輸出單相牽引電給接觸網。其中IPFC能夠補償負載所造成的無功和諧波，實現三相平衡變換，使電網僅提供有功功率，提高電能質量。在變電所饋線處就可以取消電分相，但考慮到多個相同結構的變電所可能形成環流以及靈活供電的需求，分段絕緣器(SP)依然需要保留。分段絕緣器距離短且兩側電壓相位基本相同，機車可平滑通過，避免牽引力損失，減小對電網的不利影響，利于實現全線貫通供電和鐵路高速、重載的發展。

2牽引變壓器的選擇

牽引變壓器接線方式有很多，主要有單相接線、單相Vv接線、Scott接線、YNd11接線以及YNvd接線，各自擁有各自的特點，而其中又以YNvd接線變壓器性能較優。YNvd接線變壓器兼有阻抗匹配平衡變壓器和斯科特變壓器兩者的優點：高壓側中性點可以直接接地，可降低絕緣制造成本；低壓側有三角形接線，利于三次諧波環流，改善波形；具有斯科特平衡變壓器的優點，利于實現平衡輸出；同時，YNvd變壓器繞組數目較少，制造工藝簡單。YNvd接線變壓器為較為理想的變壓器形式。

YNvd變壓器結構如圖2所示。

圖2　YNvd變壓器接線形式

根據YNvd變壓器特性分析可知[10]，其原副邊電流關系如式(1)

(1)

由對稱分量法可對該式進行變化，得：

(2)

3IPFC結構及控制策略

3.1　IPFC結構

綜合潮流控制器(IPFC)的結構由牽引變壓器接線形式所決定。對于YNvd接線牽引變壓器，IPFC采用背靠背四象限電壓源型變流器，其具體結構如圖3所示。

圖3　背靠背型IPFC拓撲結構

從圖3中可以看出，YNvd接線變壓器副邊輸出的Uα和Uβ，分別供給IPFC兩側端口；iα和iβ為變壓器副邊輸出的相應電流；ipα和ipβ為IPFC提供的補償電流；負載供電從α端口輸出，負載電流為iL。IPFC作為補償調節裝置，補償負載電流iL所需的無功和諧波電流，使電網只提供有功功率。

3.2　平衡變換原理

(3)

其中Isr為電源指令電流幅值。

為簡化分析，可根據變壓器特性，設副邊繞組輸出電壓如下

(4)

其中U為電源電壓幅值。

此時電源輸出瞬時功率為

(5)

負載電流iL可設為

(6)

其中In和φn非別為負載電流n(n=2、3、4…)次諧波的幅值和相位。

將基波電流按電壓同軸和交軸方向分解，可對應得到Ip和Iq，則Ip=I1cosφ1，Iq=I1sinφ1。則負載電流iL可另寫為

(7)

(8)

其中h(t)為諧波電流。

此時，負載瞬時功率為

pL(t)=uα·iL=UIp(1-cos2ωt)+

(9)

(10)

根據圖3 所示，IPFC 對電源的補償電流期望值為ipar = iL－iαr，ipβr= －iβr，即為

(11)

從上式中可以看出，IPFC的α端口補償負載所需的無功及諧波電流；變壓器副邊α端口和β端口各為負載提供一半的有功電流，其中β端口提供的一半有功電流經由IPFC，由α端口輸出，該式被稱為系統的平衡變換條件[10]。此時，電力系統只提供有功功率，Ps=3UAIA(功率因數為1)，其中UA、IA為電力系統的相電壓和相電流幅值，負載有功功率為PL=UαIp，且Ps=PL，可得

(12)

其中K為YNvd牽引變壓器的變比。

當按上述方法完成平衡變換后，電源電流為基波正序電流，其瞬時值為

(13)

3.3　綜合補償電流檢測

為了實現平衡補償的目的，IPFC需要補償負載所需的無功和諧波電流，此時電源只提供負載所需的有功功率。將需要補償的無功和諧波電流稱為綜合補償電流，其檢測方法的優劣直接影響同相供電系統實現平衡補償的效果。

綜合補償電流檢測方法的種類很多，如頻域分析FFT檢測法、模擬帶通濾波器檢測諧波法、瞬時無功功率理論法、自適應檢測法、有功電流分離法等[10]。其中有功電流分離法具有電路簡單、實用性好、檢測精度高等特點，這里采用有功電流分離法進行綜合補償電流檢測。

其具體方法如下：

將有功電流分離法和平衡變換條件相結合，生成IPFC所需指令電流。已知負載電流如下

(14)

由基波有功電流、基波無功電流及諧波電流組成。將等式兩端都乘以sinωt，得

(15)

將其通過低通濾波器，得

(16)

將該式左右兩邊分別乘以sinωt、cosωt，得

(17)

基于有功電流分離法和平衡變換條件的綜合補償電流檢測策略如圖4所示。

圖4 有功電流分離法綜合補償電流檢測

3.4 控制策略

確定了綜合補償電流檢測方式，接下來可以通過控制電力電子器件開關狀態，使IPFC輸出能實時跟蹤指令電流的補償電流，從而達到良好的同相供電效果。滯環比較電流控制是一種得到廣泛應用的控制方式，其魯棒性好，容易實現[11]。該方法利用滯環比較器形成以0為中心、H和-H為上下限的死區，這樣實際輸出電流就被控制在以指令電流為中心、H和-H為限界的滯環寬度范圍內。H的大小要綜合考慮開關管性能和輸出特性，過大的H會造成輸出電流的準確性差，波形不理想，過小的H則會要求開關管頻繁切換狀態，容易發生故障。滯環比較電流控制的工作原理如圖5。

圖5　滯環比較電流控制

其中i為實際電流，i*為指令電流，Δi為比較差值。

當i-i*>H時，說明實際電流太大，此時開關管輸出1，減小輸出電流；當i-i*<-H時，說明實際電流太小，此時開關管輸出-1，增大輸出電流；當-H

4仿真驗證

以上給出了一種效果較優的同相供電系統形式，即基于YNvd接線變壓器的同相供電系統，同時研究了其電流檢測方法和控制策略。接下來將在MATLAB/Simulink環境下進行仿真驗證。

4.1　YNvd牽引變壓器構造

MATLAB/Simulink提供了通用三相變壓器模型，但YNvd接線變壓器結構特殊，需要自行搭建模型。根據YNvd變壓器接線結構，可通過三個單獨變壓器組合而成，其中a、c兩相為三繞組，b相為雙繞組，其具體聯接方式如圖6所示[12]。

圖6　YNvd變壓器仿真模型

圖6中，電力系統供電制式為工頻110 kV，鐵路牽引供電制式為工頻27.5 kV。則a、b、c三相中匝數比為

(18)

(19)

這樣設置參數后，YNvd 接線變壓器輸出Uα和Uβ，為工頻27. 5 kV 交流電，相位互差90°。

4.2　IPFC 仿真波形

完成了YNvd接線變壓器的搭建，再根據圖3完成IPFC仿真模型搭建，將兩者相聯接，IPFC模型兩端接入YNvd接線變壓器副邊繞組輸出的電壓Uα和Uβ，完成基于YNvd接線變壓器的同相供電系統仿真模型。

圖7　綜合補償電流ipα

圖8　變壓器副邊輸出電流波形

圖9　電網側三相電流波形

圖10　電網側a相電壓和電流波形

圖11　a相電流諧波含量

通過IPFC生成負載所需的綜合補償電流如圖7所示。補償后，YNvd接線變壓器副邊輸出電流波形如圖8所示，為互成90°的正弦電流波形。則在電網側，電流波形如圖9所示，為三相對稱的電流波形，說明通過IPFC的調節，實現了平衡變換，三相對稱輸出。取電網側a相電壓和經幅值放大1 000倍后的相電流進行相位比較，如圖10所示，可見相電壓和相電流相位完全相同，功率因數為1，實現了電網側只輸出有功功率的目標。最后對電網側a相電流進行FFT分析，如圖11所示，電流諧波畸變率為1.36%，符合國標要求。

5結論

具體研究了基于YNvd接線變壓器的同相供電系統。首先比較牽引變壓器的優劣，選出YNvd接線形式，給出其輸出特性；然后根據牽引變壓器的接線形式，選擇IPFC拓撲結構，研究了其平衡變換原理；為了實現平衡變換，采用有功電流分離法，能夠較好的獲得綜合補償電流；滯環比較電流控制法具有較好的魯棒性，且容易實現，因此采用該控制策略；最后，在MATLAB/Simulink平臺上進行仿真驗證，仿真結果顯示，利用以上方法構造并控制的同相供電系統具有較好的調節效果，實現了同相供電，取消了電分相，同時對電網有著較好的補償作用，減小了諧波畸變，使其只輸出有功功率，功率因數為1。因此，基于YNvd接線變壓器的同相供電系統具有較好的推廣應用價值。

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中圖分類號：U223.5

文獻標識碼：A

文章編號：1672-7479(2015)03-0120-05

作者簡介：夏炎(1989—)，男，2014年畢業于北京交通大學電氣工程專業，碩士，助理工程師。

收稿日期：2015-02-06