基于軌道交通的同相供電裝置變流器研究設計及仿真驗證

摘 "要：該文闡述軌道交通27.5 kV交流供電系統不等容SCOTT變壓器的單相組合式同相供電方案，并通過仿真驗證該方案的可行性。應用證明該同相供電裝置，可有效提高列車運行效率，改善電能質量，提高牽引系統能效。

關鍵詞：軌道交通；同向供電裝置；27.5 kV交流供電系統；運行效率；仿真驗證

中圖分類號：U223.6 " " "文獻標志碼：A " " " " "文章編號：2095-2945（2024）20-00５４-0６

Abstract： This paper describes the single-phase combined in-phase power supply scheme of unequal capacitance SCOTT transformer in rail transit AC 27.5 kV AC power supply system， and the feasibility of the scheme is verified by simulation. The application shows that the in-phase power supply device can effectively improve the train operation efficiency， the power quality and the energy efficiency of the traction system.

Keywords： rail transit; co-directional power supply device; 27.5 kV AC power supply system; operation efficiency; simulation verification

地鐵作為現代化的城市軌道交通工具，承擔著越來越重要的大客流運輸任務?？v觀地鐵建設的百年歷史，供電系統一直采用直流供電制式。隨著市域軌道交通的發展及粵港澳大灣區的城市融合，直流供電已不能滿足長距離大跨距的軌道交通供電需求，迫切需要一種能夠承擔遠距離的供電制式的出現，故誕生了27.5 kV交流供電制式的軌道交通。

截至目前，我國實施的軌道交通27.5 kV交流同相供電系統應用方案，分為2種：一是基于不等容SCOTT變壓器的單相組合式同相供電方案；二是基于單相牽引變+三相高壓匹配變壓的單三相組合式同相供電方案。國內某一線城市軌道交通集團選用以上2種方式進行運營和試驗，均取得了良好效果。本文著重闡述了一種同相供電裝置，可有效提高列車運行效率，改善電能質量，提高牽引系統能效。

1 "變流器研究與設計

通過對1 700 V及3 300 V IGBT方案的對比選擇，3 300 V IGBT方案在系統效率、可靠性、經濟型和占地面積上均具有一定優勢，故本文以H橋串并聯同相供電變流器3 300 V IGBT方案進行研究及仿真驗證。圖1為H橋串并聯同相供電變流器框圖。

1.1 "3 300 V IGBT方案

同相供電變流器采用H橋串并聯結構，功率單元采用背靠背結構，變流器級聯側通過電抗器與SCOTT牽引主變T座連接，變流器并聯側通過同相供電匹配變壓器升壓與SCOTT牽引主變M座連接，級聯側電壓為10 kV，每個模塊電壓選擇為1 kV AC時，需要模塊數量為10個，設計12個功率模塊，冗余2個功率單元。

1.2 "母線電容

采用干式薄膜電容器，母線電容參數計算：單元電壓波動主要由無功的轉移導致，引起在直流電容上電壓二倍頻的波動，以發出或吸收最大無功的情況下進行直流電容參數計算，根據系統要求，選取電容電壓上的波動范圍為15%。

實際應用母線電容比理論值取值稍大，選取6 mF母線電容參數。

1.3 "疊層母排

同相供電變流器功率單元母線采用疊層母排設計，具有更低的散雜電感和接觸電阻。疊層母排廣泛用于電力電子變換裝置中功率器件的連接，通過正負極層疊平行分布的結構形式降低線路分布電感，從而降低功率元件關斷時的尖峰電壓，降低功率元器件的耐壓要求，提高功率器件運行的可靠性和穩定性，同時提高電路的集成度，便于維修維護。母排采用具有良好的導電、導熱和耐腐蝕性能的T2紫銅作為導電層，表面鍍錫處理，絕緣材料采用具有良好介電性能的環氧樹脂，結構合理緊湊，分布電感小。

1.4 "吸收電容

為了抑制IGBT關斷電壓，一方面采用疊層母排設計，具有更低的散雜電感和接觸電阻；另一方面采用吸收電容裝置來吸收抑制IGBT關斷尖峰電壓，吸收電容為薄膜材質，等效電感與電阻值極低，對于關斷高頻分量呈現極低阻抗，因此吸收抑制IGBT關斷過壓能力強，可有效提高功率器件允許的可靠性及穩定性。

1.5 "并聯側并網電抗

并聯側并網電抗集成在牽引匹配變壓器的各低壓繞組的漏抗內，根據電流紋波和電抗值關系式

紋波電流取額定電流的±25%，母線電壓取1 800 V，開關頻率取1 250 Hz，計算出電抗值為720 ？滋H，考慮到變壓器工藝誤差，變壓器漏抗參數要求取800 ？滋H。

1.6 "串聯電抗參數計算

紋波考慮。

串聯側為H橋級聯拓撲，采用載波移相疊加的技術可以有效增加等效開關頻率，采用180度載波均勻移相的算法后，電流紋波的計算式如下

式中：N為H橋級聯數量。

取紋波為額定電流的±2%（相對于并聯側這里沒有多個電流的紋波抵消功能，因此電流紋波要求相對小），母線電壓取1 800 V，IGBT開關頻率取300 Hz，計算出電抗值為3.1 mH。

短路電流抑制。

串聯側為10 kV高壓，考慮到主電路短路電流一致的需求，按短路電流限制為額定電流50倍考慮，則交流電抗取值6.4 mH，此時交流電抗造成并網額定壓降為2%。

將6.2 mH的參數代入電流紋波計算式內，驗證此時電流紋波為10 A。

綜上，交流電抗取較大值6.4 mH，此時對調制深度利用率的影響小于2%，電流紋波相對更小。

2 "功能要求

首先根據技術規范明確同相供電裝置的功能要求，對單相三相對稱變換的原理進行分析和仿真驗證，然后根據功能要求給出同相供電裝置的控制策略，最后搭建系統仿真模型，對同相供電裝置的功能進行仿真驗證。

2.1 "同相供電功能

同相供電裝置是實現同相供電的核心設備，主要功能實現單相三相對稱變換。

在主變電所牽引變壓器側采用同相供電裝置，同相供電裝置主要由變流器和變壓器等組成，其主要功能是通過采用同相供電裝置以滿足電能質量關于負序、諧波的要求，使單相負荷反映到三相系統中，三相電流大小和負序分量達到國標要求，同時取消主變出口處電分相，同相供電裝置可靠性要求需滿足N-1可靠性的要求。

同相供電裝置可追蹤牽引變壓器M座輸出電壓，輸出匹配的電壓，可同時接入27.5 kV母線，為主變電所承擔的所有牽引負荷同相位、同幅值供電。

采用同相供電裝置后需滿足以下要求。

1）諧波。對于諧波電壓，根據GB/T 14549—1993《電能質量 公用電網諧波》標準規定：110 kV公用電網電壓總諧波畸變率以及各次諧波電壓含有率允許值見表1。

2）三相電壓不平衡度。執行標準為GB/T 15543—2008《電能質量 三相電壓不平衡》。

根據《電能質量 三相電壓不平衡》，電力系統公共連接點三相電壓不平衡度允許值如下：①電網正常運行時，負序電壓不平衡度不超過2%，短時不得超過4%。②接于公共連接點的每個用戶引起該點負序電壓不平衡度允許值一般為1.3%，短時不超過2.6%。根據連接點的負荷狀況以及鄰近發電機、繼電保護和自動裝置安全運行要求，該允許值可作適當變動，但必須滿足公用電網電壓諧波允許的規定。

3）電壓波動。根據GB/T 12326—2008《電能質量 電壓波動和閃變》任何一個波動干擾源在電力系統公共連接點產生的電壓變動，其限值和電壓變動頻度和電壓等級有關。對于電壓變動頻度較低（例如r≤1 000次/h）或規則的周期性電壓波動，可通過測量電壓方均根值曲線U（t）確定其電壓變動頻度和電壓變動值，電壓波動限值見表2。

2.2 "無功補償功能

同相供電裝置需具備獨立的無功補償功能，當牽引網無列車負荷或本地牽引變壓器不供給牽引負荷時，可由同相供電裝置實現整個供電系統的無功補償功能。

2.3 "抑制諧波功能

同相供電裝置需具有一定的諧波抑制功能，對牽引負荷的低次諧波具有一定的濾波功能。

該功能主要實現負載同相供電裝置的諧波抑制功能。檢測負荷電流，在線計算主要諧波電流，將其作為參考值，使得同相供電裝置輸出等量的諧波電流，達到諧波抑制的目的。

2.4 "牽引網電壓動態調整功能

牽引網是典型的分布式網絡，呈現感性阻抗。若牽引負荷過載，或牽引負荷無功過大，會引起牽引網電壓明顯小于牽引母線電壓。同相供電裝置需具備一定的牽引網電壓動態調整功能，當牽引網電壓過低時，具備一定的提升牽引網電壓的功能。

該功能主要實現負載同相供電裝置的牽引網電壓動態調整。檢測牽引網電壓，牽引網電壓低于限值時，同相供電裝置輸出感性無功電流Ic，該電流在牽引網等效電抗上產生超前電壓。同相供電裝置輸出不同的無功電流，可將牽引網電壓調整到不同的電壓值，同相供電裝置根據檢測到的牽引網電壓、輸出電流等，得到適當的輸出電流參考值，使得牽引網電壓處于規定的范圍內。

3 "不等容不等邊牽引變壓器分析

理論分析：牽引變壓器采用不等邊不等容斯科特連接形式，同相供電裝置接斯科特T座。正常運行時，T座+同相供電和M座同時為牽引網的牽引負荷供電，M座擔負主要供電負荷，T座+同相供電裝置擔負其余供電負荷以及三相電壓不平衡度的調整。同相供電裝置與牽引變壓器的接口在牽引變壓器T座出線開關柜的出線端。

同相供電裝置一次接線如圖2所示。

牽引變壓器接線及其矢量圖，如圖3所示。

根據圖4，不考慮變壓器漏抗，可得牽引變壓器的電壓、電流滿足

因此

由于ia+ib+ic=0，因此，110 kV側三相電流為

。 （12）

設M座和T座的電流分別為

根據對稱分量法，可以求得110 kV側負序電流為

式中：a=ej2？仔/3 。

因此，僅在？漬M=？漬T，且？棕3IT=？棕2IT的情況下，110 kV側才沒有負序電流，結合電壓方程可得

由于ＵＣ超前ＵＡＢ 90°，ＵＭ超前ＵＴ 90°，因此可得

。 （16）

因此，僅在變壓器低壓側的M座與T座的視在功率相等，且功率因數相等時，110 kV側的負序電流才能為零，當變壓器不等容時，只能降低負序電流，而不能完全消除負序電流。

從式（14）可得，在相同的同相供電裝置容量下，當M座與T座功率因數相等時，負序電流最小，即負序電流治理能力最強。

4 "仿真驗證

不等容不等邊牽引變壓器理論分析結果進行仿真驗證，主要包括以下幾個方面：①牽引變壓器兩側電壓電流分析公式的正確性。②110 kV側負序電流分析的正確性。第一，M座與T座視在功率相等，功率因數相等；第二，M座與T座視在功率相等，功率因數不相等；第三，M座與T座視在功率不相等，功率因數相等；第四，M座與T座視在功率不相等，功率因數不相等。

仿真參數見表3。

4.1 "M座與T座視在功率相等，功率因數相等

M座負載為5 MW，T座負載為5 MW。

110 kV側三相電流平衡，按照45 MVA的額定功率標幺，正序電流幅值為0.223 7 pu，負序電流幅值為0.004 926 pu，電流不平衡度為2.202%。

4.2 "M座與T座視在功率相等，功率因數不相等

M座有功功率為5 MW，無功功率為0，T座有功功率4 MW，無功功率為3 MVar。

110 kV側三相電流不平衡，按照45 MVA的額定功率標幺，正序電流幅值為0.207 4 pu，負序電流幅值為0.071 9 pu，電流不平衡度為34.67%。

4.3 "M座與T座視在功率不相等，功率因數相等

M座有功功率為10 MW，T座有功功率5 MW，無功功率均為0。

110 kV側三相電流不平衡，按照45 MVA的額定功率標幺，正序電流幅值為0.334 pu，負序電流幅值為0.112 pu，電流不平衡度為33.65%。

4.4 "M座與T座視在功率不相等，功率因數不相等

M座有功功率為10 MW，T座有功功率4 MW，無功功率為感性3 MVar。

110 kV側三相電流不平衡，按照45 MVA的額定功率標幺，正序電流幅值為0.314 5 pu，負序電流幅值為0.153 4 pu，電流不平衡度為48.77%。

4.5 "小結

仿真驗證匯總表見表4。

通過理論分析和仿真驗證，可以得到以下結論。

1）僅在變壓器低壓側的M座與T座的視在功率相等，且功率因數相等時，110 kV側的負序電流才能為零。

2）當M座與T座負載視在功率不相同，二者功率因數相同時，負序電流最小。

5 "諧波補償模式

5.1 "單次補償

5.1.1 "5次諧波補償仿真

補償前M座電流THD為16.33%，其中5次諧波電流為16.02%，補償后M座電流THD為8.3%，其中5次諧波電流為7.84%。

5.1.2 "7次諧波補償仿真

補償前M座電流THD為13.37%，其中7次諧波電流為12.67%，補償后M座電流THD為6.99%，其中7次諧波電流為5.02%。

5.1.3 "9次諧波補償仿真

補償前M座電流THD為12.17%，其中9次諧波電流為11.26%，補償后M座電流THD為8.97%，其中9次諧波電流為7.75%。

5.1.4 "11次諧波補償仿真

補償前M座電流THD為12.77%，其中11次諧波電流為11.98%，補償后M座電流THD為10.85%，其中11次諧波電流為9.85%。

5.2 "綜合補償

5、7、9、11次諧波電流均設定為并聯側額定電流的3%，仿真結果見表5。

6 "結論

本文通過對單相三相對稱變換的原理進行了分析和仿真驗證，然后根據功能要求搭建了系統仿真模型，對同相供電裝置的功能進行了仿真驗證。同相供電裝置需具有一定的諧波抑制功能，對牽引負荷的低次諧波具有一定的濾波功能。

本文通過對同相供電裝置H橋串并聯方案中變流器進行研究及仿真，論證了SCOTT變壓器在運行過程中，當M座與T座負載在功率不相同，功率因數相同時，負載電流最?。粗荒芙档拓撔螂娏鳎荒芡耆撔螂娏鳎?；當M座與T座視在功率相等，且功率因數相同時，110 kV側的負序電流為零。本文為城市軌道交通交流供電同相供電裝置的設計提供了理論依據和設計思路。

參考文獻：

[1] 于松偉，楊興山，韓連祥，等.城市軌道交通供電系統設計原理與應用[M].成都：西安交通大學出版社，2008.

[2] 于松偉，韓連祥，陳德勝.城市軌道交通供電系統設計管理與服務[M].成都：西安交通大學出版社，2019.

[3] 吳飛.城市軌道交通交流27.5 kV同相供電裝置安裝、調試技術研究[J].中國高新科技，2023（22）：74-76.