基于潮流控制器的牵引变电所群贯通供电系统负序集中补偿方案.pdf

牵引变电所群贯通供电系统可有效解决交流电气化铁路电分相问题，然而该系统存在三相电压不平衡。针对该系统三相电压不平衡问题，提出了一种基于潮流控制器的负序集中补偿方案。该方案可实现对所群供电系统的负序集中补偿，且兼顾无功补偿。首先，介绍了所群供电系统及该方案补偿装置的拓扑结构；然后，阐述了该方案的负序、无功补偿原理，分析了补偿装置计算容量的变化规律；最后，采用 仿真实验平台，结合两牵引变电所实测数据进行仿真，验证了该方案的可行性及有效性。关键词：牵引变电所群；负序补偿；无功补偿；电能质量文章编号：（）中图分类号：文献标识码：，铁道技术标准（，；，；，；，）：，：，：，：；：（）：引言电分相作为交流电气化铁路牵引供电的薄弱环节，制约机车速度的进一步提高，降低供电可靠性，影响再生制动能量利用。机车过分相会产生速度、功率损失，严重时可能会导致机车坡停、坡缓等事故发生；机车过分相还会产生暂态过电压，降低机车与接触网上电气设备的使用寿命，甚至直接导致供电系统的瘫痪；电分相的存在导致牵引网出现供电断点，使得再生制动能量利用困难。因此，电分相问题成为了电气化铁路亟需解决的关键问题之一。针对电分相问题，相关学者提出了不断电过分相技术、同相供电技术、贯通供电技术等。不断电过分相技术通过背靠背变流器从电分相两侧供电臂获取能量为中性段供电，实现机车的不断电过分相，但该技术无法完全取消电分相；同相供电技术牵引变电所中采用单相联结牵引变压器，可取消变电所出口处电分相，且组合式同相供电技术依凭大功率潮流控制器可在取消电分相的同时解决单相变带来的负序问题，但该技术无法取消分区所处电分相；贯通型供电技术可实现牵引网全线贯通，彻底解决电分相问题，值得推广研究。现有贯通型供电技术有基于电力电子变换器的贯通供电技术、基于电缆的贯通供电技术、基于主变电站的贯通供电技术。基于电力电子变换器的贯通供电技术依靠电力电子装置实现三相单相供电，无负序、无功之虞，但存在宽频域谐波等电能质量问题，且投资巨大；基于电缆的贯通型供电技术建造成本低，通过中心变电所治理负序，但是供电距离有限；以牵引变电所群贯通供电技术为代表的基于主变电站的贯通型供电技术供电距离远，但负序问题严重，亟待解决。为解决牵引变电所群贯通供电技术的负序问胡海涛等：基于潮流控制器的牵引变电所群贯通供电系统负序集中补偿方案题，提出了一种基于潮流控制器的负序集中治补偿方案，该方案还可兼顾无功补偿（功率因数）。首先，介绍了该方案补偿装置的拓扑结构；然后，分析了补偿装置的补偿原理并提出了相应的控制策略；最后，通过仿真验证了补偿方案的有效性。所群供电系统及补偿装置拓扑所群供电系统拓扑结构见图。该系统中包含个牵引变电所，分别命名为（，），个变电所均取电于同一主变电站相同母线，在外部电网公共连接点（，）处集中考察其负序。该系统中的各个变电所均采用单相变取电自外部电网的两相，可成功取消变电所出口处的电分相；相邻变电所之间的供电臂相位相同，可成功取消分区所处的电分相，实现所群内部牵引网的全贯通供电，彻底消除电分相。补偿装置拓扑结构见图。为尽量减小所需架设光纤网络的长度，进一步降低成本，临近主变电站建立负序补偿所，安装补偿装置，在所群供电系统一次侧的点处进行负序集中补偿。负序补偿装置与所群供电系统接入同一主变电站的相同母线。负序补偿装置主要由三组降压变压器（，）、潮流控制器（，）、测控单元等组成，简称为。三组降压变压器一次侧分别连接外部电网的、线电压，将其依次命名为，变化比均为，其一次侧与相连接，将与连接的电压源变流器（，）依次命名为，其中表示端口有功功率，正方向如图所标注。测控单元主要由主变电站馈线的电流互感器、母线的电压互感器、光纤网络、控制器组成。控制器的输入端用于接收电压电流信息，输出端与的控制端连接。负序、无功补偿原理及控制策略 负序、无功补偿原理分别阐述所提方案负序、无功补偿原理，并计算综合补偿下端口功率。图牵引变电所群贯通供电系统拓扑结构图图 拓扑结构图 负序补偿原理所提方案负序补偿原理为：设定所群供电系统取电自相，通过转移、相功率进入相，实现功率平衡，即可消除负序。假设所群供电系统有功功率为，无功功率，规定两者正方向相同，均为索引工况下为正，制动工况下为负，则从、相分别获取，通过将得到的转移进入相，此时三相之间有功功率实现平衡，无功功率同理。令端口无功功率为，规定其正方向与相同，为了对所转移功率进行约束，引入负序补偿度，取值范围为，与补偿前后点处三相电压不平衡度、的关系为 （）无功补偿原理所提方案无功补偿原理为：三端口变流器均发出即可将所群供电系统的无功功率补偿为，且因各相功率相等，不会对点处负序造成影响。为了对所发出无功功率进行约束，引入无功补偿度，取值范围为，则无功补偿下应发出无功功率为。与补偿前后所铁道技术标准群供电系统功率因数、的关系为（）（）（）综上可知，综合补偿下的端口功率为 （）（）（）（）的计算容量为（）（）（槡）（）（）（）（槡）（）（）（）（槡）（）式中：为所群供电系统总的视在功率。除负荷条件外，与、取值有关，即与、有关。将作归一化处理得比值系数：。假设 ，探究随、的变化规律。图为随、的变化规律示意图，与的变化规律相同，在不进行无功补偿时，与成正比，且当、时，达到最大值：；当、时达到最大值：。控制策略以相电压为基准，假设时刻所群供电系统一次侧获得的电压瞬时值（）、电流瞬时值（）分别为（）槡 ()（）（）槡 ()（）（）（）槡（）（）式中：、分别所群供电系统一次侧基波电压、电流有效值；为基波电流功率因数角；为角频率；（）为谐波电流；、分别为（）次谐波电流有效值与相位角。通过锁相环获取（）同步信号得（）、（），式左右两侧同时乘图 随、的变化规律示意图以（）并通过滤波器进行滤波可以得到基波电流有功分量；式左右两侧同时乘以（）并通过滤波器进行滤波可以得到基波电流无功分量。通过获取端口电压同步信号（）、（），其中，为接线角（滞后相电压的角度），则补偿电流理论值为胡海涛等：基于潮流控制器的牵引变电所群贯通供电系统负序集中补偿方案 ()（）()（）()（）()（）()()()（）式中：。采用电压电流双闭环控制稳定直流侧电压并实现对补偿电流的精确控制，控制策略框图如图所示。为直流侧电压实际值，为直流侧电压理论值，为补偿电流实际值。图 控制策略框图案例分析采用 仿真实验平台验证所提方案的有效性。选择两个牵引变电所 内实测数据，提取其中两种典型工况，验证所提方案的补偿效果。具体线路条件为：外部电网短路容量为，：。具体工况条件为：所群内存在台机车，均处于牵引工况且机车功率相同；一段时间后台机车同时加速，得工况二，工况二中台机车仍均处于牵引工况且机车功率相同。工况一：每台机车的视在功率为 ，且经计算得：，。工况二：每台机车的视在功率为 ，且经计算得：，。为了获得更好的补偿效果，可以令两种工况下。图为工况一下所群供电系统补偿效果，在 后投入补偿装置，一个周期内外部电网侧的三相电流波形可以趋于稳定，且补偿，。图工况一下所提方案补偿效果图为工况二下所群供电系统补偿效果，在 后投入补偿装置，一个周期内外部电网侧的三相电流波形可以趋于稳定，且补偿，。可以得出结论：所提方案响应速度快、补偿精度高，对所群供电系统具有良好的负序、无功补偿效果，值得推广研究。结语本文提出了一种基于潮流控制器的牵引变电所群贯通供电系统负序集中补偿方案，并通过 仿真实验平台验证了该方案的可行性及有效性，得出结论：该方案具有良好的负序治理与无功补偿效果，且动态响应速度快、补偿精度高，可有效解决所群供电系统负序问题，改善功率因数。具有公共的直流侧，方便新能源发电与储能装置的接入，实现对再生制动能量的高效利用；铁道技术标准图工况二下所提方案补偿效果该方案还可实现对所群供电系统的谐波治理，限于篇幅，后续将继续开展研究。参考文献：韩正庆，陈晨旭，沈睿，等高速铁路电分相电弧运动发展规律研究 中国电机工程学报，（）：陈露洁，徐式蕴，孙华东，等高比例电力电子电力系统宽频带振荡研究综述中国电机工程学报，（）：黄文龙，胡海涛，陈俊宇，等枢纽型牵引变电所再生制动能量利用系统能量管理及控制策略 电工技术学报，（）：黄毅，胡海涛，王翼云，等电气化铁路列车柔性不断电过分相系统及其控制策略 电工技术学报，（）：刘志刚，孟祥宇，张乔，等高海拔山区铁路牵引供电系统 问题、挑战与对策思考 电网技术，（）：姜晓锋，何正友，胡海涛，等高速铁路过分相电磁暂态过程分析铁道学报，（）：李群湛论新一代牵引供电系统及其关键技术 西南交通大学学报，（）：李群湛，王辉，黄文勋，等电气化铁路牵引变电所群贯通供电系统及其关键技术 电工技术学报，（）：，（）：，（）：张丽艳，韩笃硕，王辉，等牵引变电所群贯通供电系统负序补偿模型及控制策略 电力系统自动化，（）：魏文婧，胡海涛，王科，等基于铁路功率调节器的高速铁路牵引供电系统储能方案及控制策略电工技术学报，（）：何棒棒，高志宣，马超一种基于储能系统的混合铁路功率调节器及其控制策略 电工技术学报，（）：责任编辑：张航