基于斯科特变压器的新型同相AT牵引供电系统

基于斯科特变压器的新型同相AT牵引供电系统原作者：张秀峰连级三0引言由于牵引供电系统结构和负荷的特殊性，造成了电力系统三相严重不平衡，需采用平衡变压器和换相连接。尽管这样能够改善三相不平衡状况，但由于牵引负荷在空间和时间分布上的随机性，使得由此对三相不平衡改善程度受到了限制。此外换相连接后各供电区段需要用分相绝缘器分隔，而分相绝缘器的存在使电力机车安全平稳性存在较大隐患，制约了高速、重载铁路的发展。采用有源滤波器的同相供电技术，可以从根本上解决上述问题。文献提出的基于有源滤波器的同相供电系统方案，不仅能实现三相平衡同相供电，而且能动态补偿谐波和无功，是较理想的新型牵引供电系统方案。但这些供电系统方案仅局限于BT供电方式和简单直供方式，不能直接也不宜应用于AT供电方式。与BT和简单直供方式相比，AT供电方式具有很多优势：通信防护效果好；牵引网阻抗小，供电距离长，变电所数量少；无需在AT处实行电分段，适合高速、重载列车运行。当前有不少电气化铁道采用了斯科特变压器和AT供电方式，如我国北京—秦皇岛、大同—秦皇岛、郑州—武昌等电气化铁路。我国新建客运专线，也计划采用AT供电方式。其次，由于AT供电方式的特殊性，变电所接线方式、牵引网的结构等都与BT和简单直供方式不同，其同相供电系统的平衡变换原理、补偿电流检测算法等也与BT和简单直供方式大不相同。所以研究基于AT供电方式和斯科特变压器的新型同相牵引供电系统，不仅必要而且很有价值。1现有系统结构及特点图1为斯科特变压器接线AT牵引供电系统结构示意图（图中未示出用于通信防护的自耦变压器，以下同）。图中SS表示牵引变电所，它采用斯科特变压器接线方式；T、R、F分别表示牵引网的接触线、钢轨和正馈线；DK表示分相绝缘器（图中共有10个，仅2个有标号）。为了改善三相不平衡状况，变电所一次侧采用了换相连接。各供电臂之间采用分相绝缘器分隔。图2为变电所接线原理示意图。这种供电系统的优点是：①牵引网阻抗小，约为BT供电方式牵引网阻抗的1/4左右，从而提高了牵引网的供电能力，大大减小了牵引网的电压损失和电能损失。牵引变电所间距可进一步增大，由此可以减小变电所数量，降低投资；经分析和试验表明，AT供电方式对邻近通信线的综合防护效果优于BT供电方式。②无需在AT处实行电分段，故有利于高速、重载列车顺利通过。③当变电所2个供电臂负荷完全相同时，系统三相完全平衡。也即，当则式中：KM=110/55为M座变压器变比。存在问题是：a.据对部分山区单线牵引变电所被测负荷统计，2个供电臂同时有负荷的时间只占全天的10%左右，而当一个供电臂出现较大牵引负荷时，另一个供电臂常常没有牵引负荷，即使有也较小。所以采用换相连接和平衡变压器对三相不平衡改善程度是有限的。b.由于采用换相连接，各供电臂电压不同，必须用分相绝缘器分隔（图中用DK表示），增加了机车操作的复杂性，严重制约了高速、重载铁路的发展。2同相供电系统的结构2.12×55kV同相供电系统如图3所示，斯科特变压器M座和T座二次侧电压为55kV。图中pp为平衡变换装置（以下简称平衡器），其结构见图4所示，它主要是由PWM变流器构成，其作用是通过适当的控制提供负载所需的谐波和无功电流，并实现由单相到三相的平衡变换。接线方式与原系统不同点是：T座55kV出口处不再需要自耦变压器，且出口2个端子不再直接接于另一方向接触线T和正馈线F，而是分别通过平衡器接于同一个接触线T和正馈线F；各变电所接线方式完全相同，且在平衡器作用下都能输出相同相位的电压，不再换相连接，取消了分相绝缘器，实现了各供电区段同相供电。该方案的特点是：①平衡器可由2个背靠背的单相变流器构成，见图4所示。平衡器的控制方法相对简单，容易实现，且各桥臂电流相对均衡。②当平衡器故障时，不影响正常供电，且仍保持原来的通信防护效果。③比原系统省1台自耦变压器。但M座55kV出口仍需要1台自耦变压器，以提供接钢轨的中点抽头。2.22×27.5kV同相供电系统图5是2×27.5kV同相供电系统，斯科特变压器M座和T座二次侧电压为27.5kV，M座的b端子和T座的a端子分别接接触线T和正馈线F，M座的d端子和T座的c端子连接后接钢轨。同样，通过对平衡器适当控制，能够使各变电所输出同相位的电压，取消分相绝缘器，实现同相供电，并能达到三相完全平衡，同时滤除谐波和无功。该方案的优点是：①M座和T座出口不再需要自耦变压器提供中点抽头，故可节省2台自耦变压器。②当平衡器故障时，系统变为简单直供方式，仍能继续供电。该方案的缺点是：①平衡器核心部分是四桥臂变流器，其控制方法相对比较复杂，且各桥臂电流不均衡。②当平衡器故障时，虽能能保证供电，但牵引网失去了通信防护能力。综上所述，2×55kV同相供电系统方案，具有供电可靠、容易实现等优点，故以下主要讨论这种同相供电系统。3平衡变换与补偿电流检测3.1平衡变换的基本原理图6为2×55kV同相供电平衡变换原理示意图，图中iA、iB、iC为110kV侧三相电流；ia、ib分别为牵引侧T座和M座负荷电流；iap、ibp为平衡器提供的电流；iL为电源馈出的接触网电流。根据图6并结合图4，可写出以下关系式：式中：T表示矩阵转置。平衡变换的目标是：让电源提供全部的有功功率且只提供有功功率；无论何种负载对于电力系统侧来说只相当于一个纯阻性三相对称负载。比较器用于确定u*的状态，状态选择表用于确定2个桥臂开关的动作状态，根据以上原理可得4系统仿真为了观察本文提出的同相供电系统运行状况和谐波与无功的补偿效果，验证本文提出的平衡方法和补偿电流检测方法的正确性，针对图3给出的供电系统，基于Matlab/Simulink建立了仿真模型，并进行了仿真。其中平衡器采用了图4所示的2个单相变流器结构，平衡器参数设为L=1.5×10-3H，C=20mF，直流侧电压给定为10kV；平衡器的2个单相变流器经2个单相变压器分别接入斯科特变压器M座和T座55kV出口的2个端子，2个单相变压器变比设为k=55/2.5；变流器采用了图8所示双滞环电流比较状态优化控制方法，内外滞环比较器滞环宽分别给定为±5，±8；牵引网电压为27.5kV；负载电流滞后于M座出口电压ubd30°，功率因数为0.866，若以电源A相电压uA为参考，则负载电流iL可表示为仿真结果见图9～图11所示。图9（a）为110kV电压波形，图9（b）、(c)分别为负荷电流和接触网电流波形。为了便于比较还给出了图2所示的原系统(无平衡变换装置)的仿真结果，见图10所示，其中，(a)、(b)分别为仅M座有负荷时的变压器一次侧三相电流和二次侧两相电流。由此可见110kV侧三相电流极不平衡，并含有大量的谐波和无功。图11为基于斯科特变压器的新型同相牵引供电系统仿真结果，可见，变压器两侧电流完全对称，一次侧A相电流与相电压同相位，不含有谐波和无功。所以对于新型同相牵引供电系统，单相不平衡负载仅相当于电力系统的一个纯阻性三相对称负载，说明本文提出的同相供电系统方案是正确的。5结论通过分析和仿真证实，基于斯科特变压器的新型同相牵引供电系统，能够实现牵引供电系统同相供电和由单相牵引负荷到三相电力系统的平衡变换；可以动态滤除谐波和补偿无功，从而使变化频繁，谐波含量高，并消耗大量无功的牵引负荷，对电力系统而言，仅相当于一个纯阻性的三相对称负载。与其他同相供电方案相比，其优点是：①具有AT供电方式的优点。如沿线牵引变电所间距大、数量少；AT处无断点，有利于高速、重载列车通过；通信防护效果好，综合经济技术性能优越等优点。②可节省1台自耦变压器。③当平衡器故障时，仅相当于原系统仅一供电臂有负荷的情况，不影响系统正常供电，且仍保持了原来的通信防护效果，供电可靠性高，通信防护效果好。④平衡器结构简单、易控制，变流器各桥臂电流均衡，平衡效果好，实现方便可靠。