一种适用于高速电气化铁路的混合型功率调节系统及其容量分析

应用前景。但较大的补偿容量限制了它的大范围推广。

为了降低有源部分的容量，混合有源滤波器已在常规三相电力系统的工业应用中得到了广泛认可，然而，该系统难以解决负序问题，尤其在采用单相供电系统的牵引网中。基于此，本文提出了一种适用于同相供电系统的新型混合RPC（即：HRPC）。与传统RPC相比，HRPC通过精心设计耦合支路的参数和对主变输出端口的选择，其有源部分的端口电压（或直流侧电压）将大幅降低，从而有效降低了补偿系统的容量，对提高系统的性价比具有较大益处。

1 拓扑结构及补偿原理

HRPC和RPC的拓扑结构如图1所示，110kV（或220kV）电网电压经V/v牵引变降为27.5kV为机车供电。

二者最显著的区别主要表现在：

1）HRPC为牵引馈线供电的电压为V/v变压器两副边绕组端口电压之和（即图1（a）中的FH端口），且主变二次侧DE相连，这使得α，β相负荷电流满足i_αL=-i_βL=i_L（图1（a））；RPC采用T₁副边电压为机车供电（图1（b）中端口ED），T₁，T₂二次侧分离，故主变α、β相负荷互相独立。

2）HRPC的β相采用LC耦合支路与变流器相连；RPC则为L耦合支路（注：HRPC中α，β相的耦合支路均需通过精心设计，具体见后文）。

另外，在图1中还需说明的是，若变流器采用多个小功率背靠背单元并联的方案时（工业应用方案），主变与变流器之间应加入隔离变压器，以防止主变二次侧因变流器开关动作而短路。

HRPC的补偿原理如图2所示。该图有三点需要注意：首先，牵引馈线的端口电压既非V_α也非V_β，而是两者之差V_ab。由于V/v变压器二次侧端口电压相位差为60°，所以由图2可知V_ab=V_α=V_β27.5kV，故该种接线并未改变牵引馈线的电压等级。其次，由于T₁，T₂二次侧绕组串联，所以图2中有I_αL=-I_βL=I_L。此外，还需注意的是，图2中直线Г₁//V_ab，故θ为负荷电流的功率因数角，由于交流机车功率因数接近于1，所以可近似认为I_αL，I_βL与Г₁共线。显然，为将I_αL，I_βL分别校正为I_α^*和I_β^*，补偿电流I_CαH，I_CβH中无功分量占主要部分（即：I_CαHp<CαHq，I_CβHP<CβHq），特别地，当负荷功率因数为1时，I_CαHp=I_CβHp=0（图3），变流器只需补偿无功功率；而传统RPC除需补偿两相无功之外，还需必须补偿0.5倍两相有功之差（图2中△L_p，具体可见文献）。相同负荷电流I_L下，HRPC和RPC需补偿的有功电流△I_p如图3所示（图中λ为负荷功率因数）。

由图3可以看出，负荷功率因数越高，HRPC转移的有功电流越小，故无功电流占补偿电流的比例随λ的增大不断增大，这些无功中的大部可由L或LC耦合支路承担（注：图2显示HRPC中α相补偿感性无功，β相补偿容性无功），这是HRPC有源部分的容量能大幅低于传统RPC的主要原因。

2 端口电压特性分析

参照图1～2可得HRPC和RPC的端口电压相量图如图4所示（RPC的端口电压相量图可参阅）。从图4可以观察到，HRPC变流器的端口电压V_CαH，V_CβH均低于馈线电压，而传统RPCα相变流器端口电压V_Cα高于馈线电压V_α（RPC_α相需补偿容性无功）。

产生这一现象的物理本质是，HRPC的α，β相需分别补偿感性和容性无功，而设置在α，β相的L耦合支路和LC耦合支路（基波下呈容性）能代替变流器分担部分补偿任务。对于RPC，α，β相需分别补偿容性和感性无功，其β相的L耦合支路能分担部分补偿任务（故V_Cββ），但α相的L耦合支路非但不能补偿容性无功还要发出感性无功，变流器需首先抵消该支路的感性无功，才能发出系统所需要的容性无功，故V_CαH>Vo。

由图4并结合图1～2容易得到HRPC和RPC变流器端口电压V_CαH，V_CβH，V_Cα，V_Cβ可分别表示为：

如图5（a）所示，对于α相，RPC中V_Cα随耦合支路电抗线性增大，且其值大于1；而HRPC在不同功率因数下均存在一个最优阻抗使V_CαH小于1（图5中圆点），其在λ=0.95，λ=0.98时仅是V_α的0.57和0.35倍。图5（b）显示HRPC和RPC的β相在不同功率因数下均存在最优耦合电抗使β相变流器端口电压最低，但当λ=0.95和0.98时，HRPC的最低变流器端口电压仅分别为V_β的0.26和0.36倍，其值大幅低于RPC的变流器端口电压。

综上所述，通过精心设计HRPCLC和L耦合支路的电抗，可使其变流器两相端口电压（或直流侧电压）大幅低于RPC，这样变流器的开关损耗、输出电流质量、及容量（或成本）都会低于RPC，而系统的可靠性则相应提高。耦合支路的具体设计方法及变流器容量分析将在下一节详细论述。

3 HRPC参数设计及容量分析

3.1 参数设计

由于α，β相的设计类似，本文只对α相进行讨论。

当λ∈[0.95，1]时，二者均随λ增大而增大。

由式（3）～（5）可知，X_LαH与负载电流的幅值和功率因数有关，由于机车负载I_L具有波动性，需综合考虑I_Cα，φ_α的选择。具体可通过图6加以说明。

综上所述，只要变流器端口电压能满足负载电流在最低功率因数BD段的波动，则系统在其他功率因数和负载电流情况下均能满足补偿要求。故考虑负荷波动情况下，式（3）应进一步修正为：

式（12）中电感和电容可通过图8灵活选择（注：图8是以k=0.4，λ_min=0.95，I_Lmax=600A所绘制的）。从图6可以看出，a相变流器端口电压大于β相，由于a相和β相共用直流侧电容，故直流侧电压V_dcH应由端口电压较高的a相变流器来决定，参照式（11）有：

当RPC的单边补偿容量达5～17MW时，其耦合电感一般在15～25Ω间取值，若取17.27Ω，将其代入式（16）～（18）可得RPC的直流侧电压为1.75V_α。显然HRPC直压相比RPC降低了47。3%，变流器的容量大为降低。

3.2 容量分析

由式（3）～（18）并结合图2和图4可得HRPC和RPC变流器的设计容量S_HRPC，S_PRC分别为：

从图9可以看出，HRPC的变流器设计容量大幅低于RPC。具体而言，当λ=0.95时，HRPC的容量为RPC容量的50.7%；当λ=0.99时，HRPC容量为RPC的51.2%，λ=1时，HRPC的容量较RPC也降低了46.4%。故HRPC的节容效果明显。

4 仿真分析

为了验证所提HRPC的正确性，参照图1，搭建了HRPC和RPC的仿真模型。T₁，T₂的变比为110kV/27.5kV，机车负荷的视在功率为16.5MVA（最大值），k=0.4，λ=0.95（最小值），RPC耦合支路阻抗设定为17.27Ω。HRPC和RPC的其他参数如表1所示。

图10是机车负载功率为16.5MVA（最大值）功率因数为0.95（最小值）时，HRPC和RPC投入前后网侧三相电流、主变二次侧电流和直流侧电压波形图。图11为与之对应的网侧电流不平衡度和功率因数曲线。从图10～11可以看出，投入HRPC和RPC后，电流不平衡度均由100%降到了1%以下，三相功率因数接近1，电能质量均得到了明显的提高，直流侧电压V_dcH，V_dc均稳定在给定值26kV和48kV附近。HRPC和RPC在相同负荷条件下具有满意的补偿效果。另外，从图11可知，稳定后HRPC直流侧电压仅为RPC的54%，这与理论分析值基本吻合，也验证了本文所提参数设计方法的正确性。另外，直流侧电压的降低减少了有源部分的容量，有利于降低系统成本。图12是在上述条件下，HRPC和RPC变流系统的容量曲线，其中实线为理论计算值，虚线为仿真测量值。由图12可知，稳定后HRPC变流系统的仿真测量容量为27.401MVA，理论计算值为27.311MVA；RPC的仿真测量容量为54.145MVA，理论计算值为54.149MVA。由此可见HRPC有源部分的容量仅为RPC有源部分容量的50.6%，同时，理论计算值和仿真实测值曲线基本吻合（误差小于5%），这进一步验证了本文容量分析的正确性。

为了验证负荷变化时HRPC的动态性能，选取轻载为6.6MVA（λ=0.95），重载为16.5MVA（λ=1）机车负荷进行仿真。图13显示的是HRPC和RPC在0.4s负荷由轻载突变为重载时网侧三相电流与直流侧电压的波形。网侧电流经短暂暂态过程又回到了三相对称，过渡过程较为平滑，直流侧电压经短暂的降落后重新回到给定值，这说明HRPC和RPC具有较好的动态性能。但仔细观察会发现，暂态时HRPC直流压的跌落百分比约为0.4%，而RPC却有1%，这说明相同负荷条件下HRPC具有比传统RPC更平滑的动态性能。

图14为HRPC和RPC的直流侧电压减少18%，负荷在0.4s由9.9MVA（λ=0.95）变为16.5MVA（λ=1）时的网侧三相电流波形。从图14中可以看出，HRPC在中、重载工况下，补偿性能依然保持良好，而RPC电流已经表现出了一定畸变。这说明当直流压进一步降低时，HRPC仍能获得较好的补偿能力，但此时的RPC却已接近其补偿能力的边缘。这进一步验证了HRPC在低直流电压下的良好补偿性能，同时，也验证了参数设计的合理性。

5 结论

针对高速电气化铁路，本文提出了一种新型混合型功率调节系统，该系统充分挖掘了V/v牵引主变和混合型补偿支路的潜能，使得HRPC较传统的RPC在治理负序时，具有更低的端口电压和补偿容量。文章系统分析了HRPC的拓扑结构和补偿原理，给出了耦合支路关键参数的设计方法，并与RPC在端口电压和补偿容量进行了详细的对比分析。分析表明，在高速电气化铁路中，HRPC有源部分的容量比RPC降低了46%～50%。

推荐访问:电气化铁路 适用于 功率 混合型 调节