基于斯科特變壓器的新型同相AT 牽引供電系統(tǒng)

1、基于斯科特變壓器的新型同相AT 牽引供電系統(tǒng)原作者：張秀峰 連級三 0 引言 由于牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和負荷的特殊性，造成了電力系統(tǒng)三相嚴重不平衡，需采用平衡變壓器和換相連接。盡管這樣能夠改善三相不平衡狀況，但由于牽引負荷在空間和時間分布上的隨機性，使得由此對三相不平衡改善程度受到了限制。此外換相連接后各供電區(qū)段需要用分相絕緣器分隔，而分相絕緣器的存在使電力機車安全平穩(wěn)性存在較大隱患，制約了高速、重載鐵路的發(fā)展。 采用有源濾波器的同相供電技術(shù)，可以從根本上解決上述問題。文獻提出的基于有源濾波器的同相供電系統(tǒng)方案，不僅能實現(xiàn)三相平衡同相供電，而且能動態(tài)補償諧波和無功，是較理想的新型牽引供電系統(tǒng)方案。

2、但這些供電系統(tǒng)方案僅局限于BT 供電方式和簡單直供方式，不能直接也不宜應(yīng)用于A T 供電方式。與BT 和簡單直供方式相比，AT 供電方式具有很多優(yōu)勢：通信防護效果好；牽引網(wǎng)阻抗小，供電距離長，變電所數(shù)量少；無需在A T 處實行電分段，適合高速、重載列車運行。當前有不少電氣化鐵道采用了斯科特變壓器和A T 供電方式，如我國北京秦皇島、大同秦皇島、鄭州武昌等電氣化鐵路。我國新建客運專線，也計劃采用A T 供電方式。其次，由于A T 供電方式的特殊性，變電所接線方式、牽引網(wǎng)的結(jié)構(gòu)等都與B T和簡單直供方式不同，其同相供電系統(tǒng)的平衡變換原理、補償電流檢測算法等也與BT 和簡單直供方式大不相同。所以研究

3、基于AT 供電方式和斯科特變壓器的新型同相牽引供電系統(tǒng)，不僅必要而且很有價值。 1 現(xiàn)有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及特點 圖1 為斯科特變壓器接線AT 牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖（圖中未示出用于通信防護的自耦變壓器，以下同）。圖中SS 表示牽引變電所，它采用斯科特變壓器接線方式；T 、R 、F 分別表示牽引網(wǎng)的接觸線、鋼軌和正饋線；DK 表示分相絕緣器（圖中共有10 個，僅2 個有標號）。為了改善三相不平衡狀況，變電所一次側(cè)采用了換相連接。各供電臂之間采用分相絕緣器分隔。圖2 為變電所接線原理示意圖。 這種供電系統(tǒng)的優(yōu)點是： 牽引網(wǎng)阻抗小，約為BT 供電方式牽引網(wǎng)阻抗的1/4 左右，從而提高了牽引網(wǎng)的供電能力，大大

4、減小了牽引網(wǎng)的電壓損失和電能損失。牽引變電所間距可進一步增大，由此可以減小變電所數(shù)量，降低投資；經(jīng)分析和試驗表明，A T供電方式對鄰近通信線的綜合防護效果優(yōu)于BT供電方式。 無需在AT處實行電分段，故有利于高速、重載列車順利通過。 當變電所2 個供電臂負荷完全相同時，系統(tǒng)三相完全平衡。也即，當 則 式中：KM=110/55為M 座變壓器變比。 存在問題是： a.據(jù)對部分山區(qū)單線牽引變電所被測負荷統(tǒng)計，2個供電臂同時有負荷的時間只占全天的10%左右，而當一個供電臂出現(xiàn)較大牽引負荷時，另一個供電臂常常沒有牽引負荷，即使有也較小。所以采用換相連接和平衡變壓器對三相不平衡改善程度是有限的。 b.由于采

5、用換相連接，各供電臂電壓不同，必須用分相絕緣器分隔（圖中用DK 表示），增加了機車操作的復(fù)雜性，嚴重制約了高速、重載鐵路的發(fā)展。 2 同相供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu) 2.1 2 55 kV同相供電系統(tǒng)如圖3 所示，斯科特變壓器M 座和T 座二次側(cè)電壓為55 kV。圖中pp 為平衡變換裝置（以下簡稱平衡器），其結(jié)構(gòu)見圖4 所示，它主要是由PWM 變流器構(gòu)成，其作用是通過適當?shù)目刂铺峁┴撦d所需的諧波和無功電流，并實現(xiàn)由單相到三相的平衡變換。接線方式與原系統(tǒng)不同點是：T 座55 kV 出口處不再需要自耦變壓器，且出口2 個端子不再直接接于另一方向接觸線T 和正饋線F，而是分別通過平衡器接于同一個接觸線T 和正饋

6、線F；各變電所接線方式完全相同，且在平衡器作用下都能輸出相同相位的電壓，不再換相連接，取消了分相絕緣器，實現(xiàn)了各供電區(qū)段同相供電。 該方案的特點是： 平衡器可由2 個背靠背的單相變流器構(gòu)成，見圖4 所示。平衡器的控制方法相對簡單，容易實現(xiàn)，且各橋臂電流相對均衡。 當平衡器故障時，不影響正常供電，且仍保持原來的通信防護效果。 比原系統(tǒng)省1臺自耦變壓器。但M 座55 kV 出口仍需要1臺自耦變壓器，以提供接鋼軌的中點抽頭。 2.2 227.5 kV同相供電系統(tǒng)圖5是227.5 kV同相供電系統(tǒng)，斯科特變壓器M座和T座二次側(cè)電壓為27.5 kV，M 座的b 端子和T 座的a端子分別接接觸線T和正饋線

7、F，M座的d端子和T座的c端子連接后接鋼軌。同樣，通過對平衡器適當控制，能夠使各變電所輸出同相位的電壓，取消分相絕緣器，實現(xiàn)同相供電，并能達到三相完全平衡，同時濾除諧波和無功。 該方案的優(yōu)點是： M 座和T 座出口不再需要自耦變壓器提供中點抽頭，故可節(jié)省2 臺自耦變壓器。 當平衡器故障時，系統(tǒng)變?yōu)楹唵沃惫┓绞?，仍能繼續(xù)供電。 該方案的缺點是： 平衡器核心部分是四橋臂變流器，其控制方法相對比較復(fù)雜，且各橋臂電流不均衡。 當平衡器故障時，雖能能保證供電，但牽引網(wǎng)失去了通信防護能力。 綜上所述，2 55 kV 同相供電系統(tǒng)方案，具有供電可靠、容易實現(xiàn)等優(yōu)點，故以下主要討論這種同相供電系統(tǒng)。 3 平衡

8、變換與補償電流檢測 3.1 平衡變換的基本原理 圖6為255 kV同相供電平衡變換原理示意圖，圖中iA、iB、iC為110 kV側(cè)三相電流；ia、ib分別為牽引側(cè)T座和M 座負荷電流；iap、ibp 為平衡器提供的電流；iL 為電源饋出的接觸網(wǎng)電流。根據(jù)圖6 并結(jié)合圖4 ，可寫出以下關(guān)系式： 式中：T 表示矩陣轉(zhuǎn)置。 平衡變換的目標是：讓電源提供全部的有功功率且只提供有功功率；無論何種負載對于電力系統(tǒng)側(cè)來說只相當于一個純阻性三相對稱負載。 比較器用于確定u*的狀態(tài)，狀態(tài)選擇表用于確定2 個橋臂開關(guān)的動作狀態(tài)，根據(jù)以上原理可得 4 系統(tǒng)仿真 為了觀察本文提出的同相供電系統(tǒng)運行狀況和諧波與無功的補

9、償效果，驗證本文提出的平衡方法和補償電流檢測方法的正確性，針對圖3 給出的供電系統(tǒng)，基于Matlab/Simulink 建立了仿真模型，并進行了仿真。其中平衡器采用了圖4 所示的2個單相變流器結(jié)構(gòu)，平衡器參數(shù)設(shè)為L=1.510-3H，C=20 mF，直流側(cè)電壓給定為10 kV ；平衡器的2 個單相變流器經(jīng)2個單相變壓器分別接入斯科特變壓器M 座和T 座55 kV 出口的2 個端子，2個單相變壓器變比設(shè)為k=55/2.5 ；變流器采用了圖8 所示雙滯環(huán)電流比較狀態(tài)優(yōu)化控制方法，內(nèi)外滯環(huán)比較器滯環(huán)寬分別給定為5 ，8；牽引網(wǎng)電壓為27.5 kV；負載電流滯后于M座出口電壓ubd 30，功率因數(shù)為0

10、.866，若以電源A相電壓uA為參考，則負載電流iL可表示為 仿真結(jié)果見圖9圖11 所示。 圖9（a）為1 1 0 k V 電壓波形，圖9（b）、(c)分別為負荷電流和接觸網(wǎng)電流波形。 為了便于比較還給出了圖2所示的原系統(tǒng)( 無平衡變換裝置)的仿真結(jié)果，見圖10 所示，其中，(a)、(b)分別為僅M 座有負荷時的變壓器一次側(cè)三相電流和二次側(cè)兩相電流。由此可見110 kV 側(cè)三相電流極不平衡，并含有大量的諧波和無功。 圖11為基于斯科特變壓器的新型同相牽引供電系統(tǒng)仿真結(jié)果，可見，變壓器兩側(cè)電流完全對稱，一次側(cè)A相電流與相電壓同相位，不含有諧波和無功。所以對于新型同相牽引供電系統(tǒng)，單相不平衡負載僅相當于電力系統(tǒng)的一個純阻性三相對稱負載，說明本文提出的同相供電系統(tǒng)方案是正確的。 5 結(jié)論 通過分析和仿真證實，基于斯科特變壓器的新型同相牽引供電系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)牽引供電系統(tǒng)同相供電和由單相牽引負荷到三相電力系統(tǒng)的平衡變換；可以動態(tài)濾除諧波和補償無功，從而使變化頻繁，諧波含量高，并消耗大量無功的牽引負荷，對電力系統(tǒng)而言，僅相當于一個純阻性的三相對稱負載。與其他同相供電方案相比，其優(yōu)點是： 具有AT 供電方式的優(yōu)點。如沿線牽引變電