基于組合式變換器的川藏鐵路貫通供電方案電氣性能仿真分析

夏焰坤,任俊杰

(西華大學電氣與電子信息學院，四川 成都 610039)

0 引 言

川藏鐵路全長近1514 km，是本世紀中國乃至世界最偉大的鐵路工程項目之一，也是迄今為止建設難度最大、風險最高的重點鐵路工程，號稱“高原過山車”。川藏鐵路自東向西依次經過五大地貌單元，穿越6條構造邊界斷裂和8條全新世活動斷裂帶，翻越21座海拔4000m以上山峰，跨越14條江河，線路8起8伏，嶺谷相對高差達1500～3000 m，屬典型的多“V”型高山峽谷地貌。牽引供電系統是川藏鐵路的唯一動力來源，其供電質量的優劣將對保障列車安全、可靠、高效、經濟運行產生重大影響。川藏鐵路牽引方面目前主要存在著高海拔、坡度大、自然環境惡劣、沿線電網薄弱等問題[1-3]。尤其是處于高原地帶外部電源(西藏電網)十分薄弱地區，其電網架構稀疏，供電系統短路容量小，供電能力弱，既有平原電氣化鐵路供電方案難以滿足川藏鐵路建設技術要求，主要體現在以下方面的挑戰：

1)既有供電方案下各供電臂相互獨立，供電半徑較短，沿線需建設大量牽引變電所，由于外部電源薄弱和匱乏，無法滿足大規模供電需求。較小的系統短路容量導致較大的電力系統電壓損失，使得牽引網末端電壓可能低于電力機車車載變流器最低工作電壓，引起低電壓閉鎖。

2)系統短路容量較小使得電力系統承受的負序能力低，電氣化鐵路產生的負序[4-7]通過公共連接點注入電力系統，將對系統電能質量造成嚴重“污染”。

3)山區、高原地區海拔落差大，大長坡道區段較多，列車爬坡速度低，列車下坡里程長。這常常使得牽引供電臂一臂處于再生制動狀態、另一臂處于空載或牽引狀態，牽引供電臂能量得不到有效支援和利用，占用牽引供電系統供電容量，惡化負序水平，同時影響行車安全。

上述問題的解決，將對促進高原鐵路的順利建設和可靠運行具有重要的工程現實意義。

近年來興起的同相供電技術[8-15]，將大功率的電力電子變流器引入到牽引變電所來補償負序，并能取消所內電分相。國內開展了同相供電技術的相關工程實踐，取得了較好的經濟和社會效益，但主要側重于單個牽引變電所負序改善，線路分區所處依然保留有電分相環節，未能實現線路的全線貫通[16-21]。

在上述研究基礎上，提出了一種適用于川藏鐵路牽引供電系統的貫通供電方案。該方案在牽引變電所采用單相變壓器來實現供電同相位，通過大功率變換器來實現三相之間功率平衡，消除單相負荷引起的負序影響。下面首先分析了所提系統結構和原理，再介紹了變換器控制方法；最后，在仿真平臺上進行了不同列車追蹤時間下的仿真。仿真結果表明所提方案電氣性能指標能較好地滿足國家標準要求。

1 基于組合式變換器的貫通供電系統結構與原理

1.1 系統結構

基于組合變換器的集中式貫通供電系統結構見圖1所示。圖1中給出了4個牽引變電所，每個變電所均采用單相變壓器TT作為牽引變壓器，選取其中一個變電所安裝大功率電力電子變換器(power flow controller，PFC)。該變換器輸入側為一個三相變壓器T1，輸出側為一個單相變壓器T2，兩臺變壓器組合構成一個等效平衡變壓器。變換器實現從三相系統中A相取電，傳遞功率到牽引網所在相(B、C相)。

圖1 基于變換器的貫通同相牽引供電系統拓撲結構

1.2 組合式變壓器平衡原理

由三相變壓器和單相變壓器構成的等效平衡變壓器端口電壓相量關系見圖2所示。三相電壓分別為UA、UB和UC，等效的兩單相電壓分別為uα和uβ。一相對應三相系統線電壓，一相對應三相系統相電壓，二者剛好在相位上相差90°，即uα超前uβ90°。

圖2 組合變壓器電壓相量

單相背靠背連接的變換器兩端口與組合式變壓器連接在一起，如圖3所示。變換器實現uα和uβ兩個端口之間的功率融通，以最大限度消除負序。

圖3 變換器結構

變換器平衡補償原理如下：

忽略諧波影響，變換器端口電壓可假設為

(1)

式中：U1為基波電壓有效值；ω為角頻率。

貫通線路等效負載電流為

(2)

式中：N為變電所數；Im、φn為第n個變電所電流有效值、電流阻抗角；I、φ分別為等效負載電流有效值、電流阻抗角。

則等效負載瞬時功率為

s(t)=uβ(t)i(t)=U1Icosφ-U1Icos 2ωt

(3)

式中，U1Icosφ為負載有功功率。

如果變換器剛好能從uα傳遞負載一半的有功功率到uβ，并在uβ側補償無功功率，則從平衡變壓器次變兩個端口看來，兩個端口輸出的有功功率完全相同，此時變換器兩端輸出的補償容量分別為

(4)

2 變換器控制策略

變換器由大功率電力電子器件構成，器件通常組成橋式結構，實現交流-直流-交流的變換。其控制方式靈活多樣，主要有直接電流控制、間接電流控制、瞬態電流控制和直接功率控制等。直接功率控制是一種標量控制方法，具有實現簡單、控制穩定等優點，近年來得到快速發展。這里的變換器采用直接功率控制方法來實現功率指令的閉環跟蹤。以ua側為例，構造對稱的電壓uα和uβ，對稱的電流為iα和iβ，此時單相側瞬時有功和無功功率為

(5)

對式(5)進行求導，可得

(6)

變換器端口列寫基爾霍夫電壓方程為：

(7)

(8)

式中：ucα和ucβ為變流器端口電壓；L為電感。

整理式(5)—式(8)可得到變換器端口輸出電壓表達式為

(9)

式中： dp=pref-p，dq=qref-q；pref與qref分別為有功指令和無功指令。

在計算得到變換器端口輸出電壓之后，利用SPWM調制技術，分別得到單相橋式結構4個開關管驅動信號，變換器控制結構見圖4所示。從圖中可以看出，uα側以電壓為控制外環，功率為控制內環；uβ側只有功率環。功率為穩定的直流分量，方便控制環路的設計。

圖4 變換器控制框

3 建模與仿真分析

為驗證所提基于組合式變換器的貫通同相供電系統電氣性能，在Matlab仿真軟件上搭建了圖1相關電氣模型，假設貫通線路3個變電所互聯在一起。系統包含三相電網、3個單相牽引變壓器、組合式變換器等。與川藏電網供電實際情況相接近，三相系統電壓取115 kV，系統短路容量設置為1500 MVA，牽引變壓器容量設置為30 MVA，模擬3個變電所構成一個貫通線路分區，每個所供電線路長為40 km，牽引變壓器額定電壓為27.5kV，變換器安裝在第2個牽引變電所，變換器采用單相背靠背變流器結構，隔離變壓器低壓側為930 V，變換器采用直接功率控制，方便對輸入和輸出進行快速跟蹤。牽引網采用直接供電方式，阻抗設為0.21+j0.52 Ω/km。

動車組采用額定功率5 MW/列，分別對15 min和30 min追蹤列車間隔時間來分析貫通系統相關電氣性能。15 min和30 min追蹤列車間隔時間下列車在線路上的分布見圖5所示(圖中△和○分別代表15 min追蹤和30 min追蹤列車位置)，其中線路采用復線供電方式。

圖5 列車分布位置

1)電壓偏差分析

電壓偏差是牽引網供電電壓重要的指標之一，規定牽引網最低電壓不能低于19 kV。圖6給出不同列車追蹤時間下的牽引網電壓分布情況。

圖6 不同追蹤列車間隔時間下的牽引網電壓分布

從圖6中可以看出，不同追蹤列車間隔時間下，牽引網電壓均接近額定值。未采用組合變換器牽引網最低電壓為27.52 kV，電壓偏差很小。采用組合變換器補償后，牽引網電壓最低為27.61 kV，電壓偏差僅為110 V。

2)負序和功率因數分析

負序和功率因數是電網對牽引供電系統考核的兩個重要指標。表1給出了不同追蹤列車間隔時間下的系統指標統計結果，同時圖7給出了指標對比情況。

圖7 變換器投入前后(t=0.2 s投入)三相側負序和功率因數

表1 負序和功率因數對比

從表 1可以看出，采用組合變換器后，對負序改善較為明顯，沒有補償前負序最大為2.41%，大于國家標準2%限制要求。采用組合變換器補償后，負序最大僅0.21%，說明負序治理效果明顯。而功率因數主要受機車負載影響，因機車功率因數較高，系統側功率因數最小值均大于 0.95，高于國家標準值0.9的要求。此外，圖8給出了系統側三相電流在補償前后波形(0.2 s時投入補償)，從圖中可以看出三相電流在補償前嚴重不對稱，經過變換器補償后三相電流大小基本對稱，峰值由400 A降至280 A，降低了30%。

圖8 變換器投入前后三相側電流波形

3)變壓器容量分析

傳統高速鐵路牽引變壓器容量一般都選50 MVA，并且三相系統短路容量較大，而川藏鐵路三相系統短路容量小得多，列車班次密度小。采用貫通供電模式后，牽引變壓器可如文中選取30 MVA，單個變電所短時負荷最大為10 MVA左右，這樣可減少牽引變壓器總容量投入，從而有助于降低系統容量電費、安裝和運營成本。

綜上所述，所提貫通供電系統電壓偏差、負序和功率因數等技術指標，在投入組合變換器后均能達到國家標準指標要求。

4 結 論

上面提出了一種適用于高原鐵路的貫通供電系統方案，建立了相關仿真模型，模型仿真表明：采用組合式變換器構成的貫通供電系統多項主要電氣指標能達到相關指標要求。15 min追蹤列車間隔時間下，電壓偏差僅110 V；采用組合變換器補償后，負序最大僅0.21%；三相系統功率因數均高于0.98。

該方案為實現工程設計和實施可提供理論借鑒和技術參考。