高鐵牽引供電系統綜合補償容量優化研究

魏光

高鐵牽引供電系統綜合補償容量優化研究

魏光

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院)，陜西 西安 710043)

大功率跨線動車組在時速250 km/h高鐵上運行通過電分相時，引起牽引變壓器過負荷嚴重，且易導致保護誤動作。為此，提出一種基于潮流控制器的解決方案，分析電流分配機理，推導補償控制策略。通過對潮流的均衡控制，使得動車組在兩供電臂的負荷得到優化分配，均勻配置在牽引變壓器的兩繞組上，降低了其容量需求。同時，對于改善電能質量起到明顯作用。此方案適合于改造既有或新建牽引變電所，仿真驗證了其可行性與優越性。其滿足優化潮流控制，改善了工程的技術經濟性。

時速250 km/h高鐵；Vx接線；潮流控制；電能質量補償

中國高鐵已基本形成互聯互通，大功率、長編組的跨線動車組大量投運；運輸組織為適應節假日的高峰運量，臨時性的增加列車對數及編組長度。這些給時速250 km/h高鐵的牽引供電能力帶來了前所未有的挑戰。基于牽引變電所現有的配置，本文提出了一種容量補償方案，將負荷均勻的分攤到牽引變壓器的不同繞組上，充分利用變壓器的過負荷能力。如此，極大的節約了更換牽引變壓器的成本，提高了特殊工況下牽引供電系統的能力。西南交通大學團隊從無源和有源補償角度提出了同相供電系統[1?4]，其旨在將牽引側的單相電對稱映射至電源側的三相電，為取消電分相，提高電能質量起到了巨大的作用，未考慮功率的傳遞。普速鐵路普遍采用Vv接線牽引變壓器，國內學者對此類接線的變電所進行了功率控制及補償的相關研 究[5?9]，但對于高鐵普遍采用的Vx接線牽引變壓器未作詳述。隨著250 km/h高鐵的迅速發展，采用Vx接線牽引變壓器的變電所數量激增。工程設計致力于以最小的經濟代價，實現最大利益的需求。故研究其供電能力適應性及補強措施，成為提升運輸能力，降低工程改造成本的必然趨勢。

1 過負荷現狀

目前高鐵牽引變電所普遍采用Vx接線牽引變壓器，由2臺單相變壓器組成。每臺單相變壓器對應一個供電臂，副邊采用中點抽頭接地、±27.5 kN供電。牽引變壓器按2倍過負荷2 h，3倍過負荷2 min設計配置。時速250 km/h高鐵的一個供電臂單相變壓器安裝容量普遍為20～31.5 MVA。也就是說，一個供電臂最多允許負荷在40～63 MVA。一般，跨鐵路局的動車組采用長編組動車組，其容量為20 MVA左右。按照時速250 km/h以及供電臂的長度，一個供電臂最多存在4列動車組。當然，4列動車組不會同時達到最大功率。但是有2列同時達到，而另外2列正常發揮功率，是比較常見的。這種工況下，負荷基本上可以達到50 MVA。如果牽引變壓器安裝容量偏低，即容易引發過負荷跳閘、阻抗I段保護跳閘等現象。

對已運行的某高鐵進行現場測試，如圖1所示。當動車組剛通過電分相后，其將以最大的輸出功率進行加速，此時動車組是滿功率運行。牽引變電所高壓側電流對應的測試電壓為353 kV，牽引變壓器發生2.7倍的過負荷。同一供電臂正好有2列動車組駛出電分相，供電臂其他位置又同時還有2列動車組在運行，牽引變壓器一臂的總容量無法滿足供電需求，保護動作。

(a) 現場測試；(b) 測試電流

2 容量補償原理

設牽引側電壓有效值為，動車組最大運行電流有效值為。假設供電臂中僅有1列動車組運行，且接觸網阻抗均勻。牽變副邊繞組容量輸出如表1所示。可見，T繞組承擔了更多的負荷。為了便于牽變的制造，Vx接線牽變往往將T和F繞組設置為相同容量。設牽變原邊繞組為31.5 MVA，T和F繞組均設置為20 MVA。所以，限制牽變溫升的是T繞組的容量輸出。若能采取措施，優化T繞組的容量發揮，即能提高牽變的過負荷能力。

表1 副邊繞組容量輸出

基于國內250 km/h高鐵的容量現狀，在不改變既有牽引供電設施的前提下，增設潮流控制器(Power Flow Controller，以下簡稱PFC)，將負荷按需分配給Vx牽引變壓器2個供電臂的T繞組，如圖2所示。

PFC采用單相全橋背靠背變流器，作為有功功率傳輸的潮流控制裝置，同時補償部分負序、諧波、無功。其僅連接T繞組，大大減小了安裝容量，降低了經濟成本。

設電網側電壓三相對稱，取U為基準向 量，則

考慮Vx接線牽引變壓器，設PFC 2個端口電壓為

T線輸出電流為

其中諧波電流為

從負載角度看，牽引側T線輸出功率為

暫不考慮F繞組的負序影響，Vx接線向量關系如圖3所示。

由圖3(a)可知，兩供電臂電流映射到電源側，存在負序電流。這是由V型接線的結構決定的。

對兩供電臂分別補償無功功率，將相電流補償超前30°，相電流補償滯后30°，從而實現電源側三相電流對稱，如圖3(c)所示。

(a) 補償前；(b) 平衡有功功率后；(c) 補償無功功率后

由向量圖的補償分析可知，牽引變壓器副邊端口電流期望值為

牽引變壓器T繞組輸出功率為

以一個電源周期計算，牽引變壓器T繞組輸出能量等于牽引側T線輸出能量與直流側變化的能量之和，即

由式(5)和式(7)得

由式(9)可知，穩態時，PFC的兩端口分別需傳遞兩供電臂有功分量的差值，實現牽引變壓器容量利用均攤；補償無功分量，實現電源側三相對稱；補償諧波分量，實現T繞組的完全補償。所以，Vx牽引變壓器副邊T繞組指令電流為

從而補償指令電流為

3 控制策略

考慮技術經濟性，宜采用級聯變流器。為此，配置單極性載波相移正弦脈寬調制CPS-SPWM (Carrier phase shifted SPWM)技術，將等效開關頻率提高至SPWM控制的2 N倍，從而大大降低變流器自身產生的諧波最低次數。

常規運行工況，當動車組位于第二AT段時，T繞組與F繞組的功率輸出相同，且均不高，不必投入PFC，牽引變壓器的過負荷能力完全勝任。當動車組位于第一AT段時，T繞組的輸出功率大于F繞組。F繞組功率輸出小，不必投入PFC；T繞組功率輸出高，極端情況下多列動車組同時運行有可能超過牽引變壓器的過負荷能力。所以，以牽引變壓器2倍過負荷為啟動條件，當同一供電臂負荷達到啟動條件時，投入PFC，將兩供電臂的輸出功率均攤在兩相上，充分利用輕負荷相的變壓器供電能力，同時兼顧電能質量的補償。

圖4 控制策略

4 仿真分析

基于MATLAB/Simulink建立仿真模型，參數如表1所示。

表1 系統參數

4.1 單列SS機車運行工況

為了驗證PFC的電能質量補償能力，負荷采用SS機車特性，即

為驗證潮流的控制能力，設牽變相上行有1列機車滿功率運行(剛通過變電所出口處的電分相)，牽引變電所兩供電臂再無其他負荷。仿真動車組過分相后，位于相首端，牽變T繞組端口及PFC兩端口的電流，如圖5所示。

由仿真結果可知，當動車組接近牽引變電所相首端時，PFC的兩端口分擔T繞組一半的有功功率輸出，同時補償無功、負序、諧波。

(a) 負荷電流；(b) 牽引側電流；(c) 補償電流；(d) 電源側電流

4.2 兩供電臂均有SS機車負荷運行工況

當兩供電臂均有負荷存在時，假設相的負荷為2列機車，相的負荷為1列機車。仿真結果如圖6所示。

(a) 負荷電流；(b) 牽引側電流；(c) 補償電流；(d) 電源側電流

可知，PFC的雙向有功傳輸及補償作用，實現了在兩供電臂內的負荷能量均勻分攤，并在一定程度上實現了電能質量補償(因為假設暫不考慮F 繞組)。

如圖7所示，CPS-SPWM技術提升了變流器產生的最低諧波次數，從而降低了開關管的成本。

4.3 380AL動車組容量補償運行工況

如圖8所示，仿真采用380AL動車組(29MVA)。0.1～0.2 s，相供電臂近端僅有1列動車組時，相端口發揮29 MVA(1.45倍過負荷)，變壓器自身的過負荷能力可以滿足要求，PFC無需投入。0.2～0.4 s，相供電臂近端上下行同時運行2列動車組時，相端口發揮58 MVA(2.9倍過負荷)。0.4～0.6 s，PFC啟動，將負荷在牽引變壓器兩副邊繞組中平分，由于PFC通過補償無功功率來補償負序，使得牽引變壓器兩副邊端口實際各發揮33.5 MVA的能力(1.67倍過負荷)。

圖7 單極性載波相移正弦脈寬調制輸出

(a) 容量輸出；(b) 牽引側電流；(c) 電源側電流

5 結論

2) 在一定程度上補償了電能質量。尤其在運營初期，供電臂容性負荷偏高，可有效提高功率因數。

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Study on optimization of comprehensive compensation capacity of high-speed railway traction power supply system

WEI Guang

(State Key Laboratory of Rail Transit Engineering Informatization (FSDI), Xi’an 710043, China)

When the high-power cross line EMU runs on the 250 km/h high-speed railway and passes through the electric phase separation, the overload of the traction transformer is serious and the protection is easy to misoperate. Therefore, a solution based on the power flow controller (PFC) was proposed, the current distribution mechanism was analyzed, and the compensation control strategy was deduced. Through the balance control of power flow, the load of EMU in the two power supply arms is optimally distributed and evenly distributed on the two windings of traction transformer, which reduces its capacity demand. At the same time, it plays an obvious role in improving the power quality. This scheme is suitable for the reconstruction of existing or new-built traction substation, and its feasibility and superiority are verified by simulation. It’s satisfactory optimization of power flow control improves the technical economy of the project.

250 km/h high speed railway; Vx connection; power flow control; power quality compensation

TM922.4；U223.5

A

1672 ? 7029(2020)12 ? 3021 ? 07

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20200109

2020?02?14

中國鐵路總公司科技研究開發計劃課題(2017J005-C)；中國鐵建股份有限公司科技研究開發計劃課題(2018-B12)；川藏鐵路科研課題(院科(川藏)19-26)；中鐵一院青年創新科研課題(院科19-84)

魏光(1984?)，男，陜西西安人，高級工程師，從事高速鐵路牽引供電系統研究及工程設計；E?mail：184613852@qq.com

(編輯 涂鵬)