高铁牵引供电系统综合补偿容量优化研究

魏光

高铁牵引供电系统综合补偿容量优化研究

魏光

(轨道交通工程信息化国家重点实验室(中铁一院)，陕西 西安 710043)

大功率跨线动车组在时速250 km/h高铁上运行通过电分相时，引起牵引变压器过负荷严重，且易导致保护误动作。为此，提出一种基于潮流控制器的解决方案，分析电流分配机理，推导补偿控制策略。通过对潮流的均衡控制，使得动车组在两供电臂的负荷得到优化分配，均匀配置在牵引变压器的两绕组上，降低了其容量需求。同时，对于改善电能质量起到明显作用。此方案适合于改造既有或新建牵引变电所，仿真验证了其可行性与优越性。其满足优化潮流控制，改善了工程的技术经济性。

时速250 km/h高铁；Vx接线；潮流控制；电能质量补偿

中国高铁已基本形成互联互通，大功率、长编组的跨线动车组大量投运；运输组织为适应节假日的高峰运量，临时性的增加列车对数及编组长度。这些给时速250 km/h高铁的牵引供电能力带来了前所未有的挑战。基于牵引变电所现有的配置，本文提出了一种容量补偿方案，将负荷均匀的分摊到牵引变压器的不同绕组上，充分利用变压器的过负荷能力。如此，极大的节约了更换牵引变压器的成本，提高了特殊工况下牵引供电系统的能力。西南交通大学团队从无源和有源补偿角度提出了同相供电系统[1−4]，其旨在将牵引侧的单相电对称映射至电源侧的三相电，为取消电分相，提高电能质量起到了巨大的作用，未考虑功率的传递。普速铁路普遍采用Vv接线牵引变压器，国内学者对此类接线的变电所进行了功率控制及补偿的相关研 究[5−9]，但对于高铁普遍采用的Vx接线牵引变压器未作详述。随着250 km/h高铁的迅速发展，采用Vx接线牵引变压器的变电所数量激增。工程设计致力于以最小的经济代价，实现最大利益的需求。故研究其供电能力适应性及补强措施，成为提升运输能力，降低工程改造成本的必然趋势。

1 过负荷现状

目前高铁牵引变电所普遍采用Vx接线牵引变压器，由2台单相变压器组成。每台单相变压器对应一个供电臂，副边采用中点抽头接地、±27.5 kN供电。牵引变压器按2倍过负荷2 h，3倍过负荷2 min设计配置。时速250 km/h高铁的一个供电臂单相变压器安装容量普遍为20～31.5 MVA。也就是说，一个供电臂最多允许负荷在40～63 MVA。一般，跨铁路局的动车组采用长编组动车组，其容量为20 MVA左右。按照时速250 km/h以及供电臂的长度，一个供电臂最多存在4列动车组。当然，4列动车组不会同时达到最大功率。但是有2列同时达到，而另外2列正常发挥功率，是比较常见的。这种工况下，负荷基本上可以达到50 MVA。如果牵引变压器安装容量偏低，即容易引发过负荷跳闸、阻抗I段保护跳闸等现象。

对已运行的某高铁进行现场测试，如图1所示。当动车组刚通过电分相后，其将以最大的输出功率进行加速，此时动车组是满功率运行。牵引变电所高压侧电流对应的测试电压为353 kV，牵引变压器发生2.7倍的过负荷。同一供电臂正好有2列动车组驶出电分相，供电臂其他位置又同时还有2列动车组在运行，牵引变压器一臂的总容量无法满足供电需求，保护动作。

(a) 现场测试；(b) 测试电流

2 容量补偿原理

设牵引侧电压有效值为，动车组最大运行电流有效值为。假设供电臂中仅有1列动车组运行，且接触网阻抗均匀。牵变副边绕组容量输出如表1所示。可见，T绕组承担了更多的负荷。为了便于牵变的制造，Vx接线牵变往往将T和F绕组设置为相同容量。设牵变原边绕组为31.5 MVA，T和F绕组均设置为20 MVA。所以，限制牵变温升的是T绕组的容量输出。若能采取措施，优化T绕组的容量发挥，即能提高牵变的过负荷能力。

表1 副边绕组容量输出

基于国内250 km/h高铁的容量现状，在不改变既有牵引供电设施的前提下，增设潮流控制器(Power Flow Controller，以下简称PFC)，将负荷按需分配给Vx牵引变压器2个供电臂的T绕组，如图2所示。

PFC采用单相全桥背靠背变流器，作为有功功率传输的潮流控制装置，同时补偿部分负序、谐波、无功。其仅连接T绕组，大大减小了安装容量，降低了经济成本。

设电网侧电压三相对称，取U为基准向 量，则

考虑Vx接线牵引变压器，设PFC 2个端口电压为

T线输出电流为

其中谐波电流为

从负载角度看，牵引侧T线输出功率为

暂不考虑F绕组的负序影响，Vx接线向量关系如图3所示。

由图3(a)可知，两供电臂电流映射到电源侧，存在负序电流。这是由V型接线的结构决定的。

对两供电臂分别补偿无功功率，将相电流补偿超前30°，相电流补偿滞后30°，从而实现电源侧三相电流对称，如图3(c)所示。

(a) 补偿前；(b) 平衡有功功率后；(c) 补偿无功功率后

由向量图的补偿分析可知，牵引变压器副边端口电流期望值为

牵引变压器T绕组输出功率为

以一个电源周期计算，牵引变压器T绕组输出能量等于牵引侧T线输出能量与直流侧变化的能量之和，即

由式(5)和式(7)得

由式(9)可知，稳态时，PFC的两端口分别需传递两供电臂有功分量的差值，实现牵引变压器容量利用均摊；补偿无功分量，实现电源侧三相对称；补偿谐波分量，实现T绕组的完全补偿。所以，Vx牵引变压器副边T绕组指令电流为

从而补偿指令电流为

3 控制策略

考虑技术经济性，宜采用级联变流器。为此，配置单极性载波相移正弦脉宽调制CPS-SPWM (Carrier phase shifted SPWM)技术，将等效开关频率提高至SPWM控制的2 N倍，从而大大降低变流器自身产生的谐波最低次数。

常规运行工况，当动车组位于第二AT段时，T绕组与F绕组的功率输出相同，且均不高，不必投入PFC，牵引变压器的过负荷能力完全胜任。当动车组位于第一AT段时，T绕组的输出功率大于F绕组。F绕组功率输出小，不必投入PFC；T绕组功率输出高，极端情况下多列动车组同时运行有可能超过牵引变压器的过负荷能力。所以，以牵引变压器2倍过负荷为启动条件，当同一供电臂负荷达到启动条件时，投入PFC，将两供电臂的输出功率均摊在两相上，充分利用轻负荷相的变压器供电能力，同时兼顾电能质量的补偿。

图4 控制策略

4 仿真分析

基于MATLAB/Simulink建立仿真模型，参数如表1所示。

表1 系统参数

4.1 单列SS机车运行工况

为了验证PFC的电能质量补偿能力，负荷采用SS机车特性，即

为验证潮流的控制能力，设牵变相上行有1列机车满功率运行(刚通过变电所出口处的电分相)，牵引变电所两供电臂再无其他负荷。仿真动车组过分相后，位于相首端，牵变T绕组端口及PFC两端口的电流，如图5所示。

由仿真结果可知，当动车组接近牵引变电所相首端时，PFC的两端口分担T绕组一半的有功功率输出，同时补偿无功、负序、谐波。

(a) 负荷电流；(b) 牵引侧电流；(c) 补偿电流；(d) 电源侧电流

4.2 两供电臂均有SS机车负荷运行工况

当两供电臂均有负荷存在时，假设相的负荷为2列机车，相的负荷为1列机车。仿真结果如图6所示。

(a) 负荷电流；(b) 牵引侧电流；(c) 补偿电流；(d) 电源侧电流

可知，PFC的双向有功传输及补偿作用，实现了在两供电臂内的负荷能量均匀分摊，并在一定程度上实现了电能质量补偿(因为假设暂不考虑F 绕组)。

如图7所示，CPS-SPWM技术提升了变流器产生的最低谐波次数，从而降低了开关管的成本。

4.3 380AL动车组容量补偿运行工况

如图8所示，仿真采用380AL动车组(29MVA)。0.1～0.2 s，相供电臂近端仅有1列动车组时，相端口发挥29 MVA(1.45倍过负荷)，变压器自身的过负荷能力可以满足要求，PFC无需投入。0.2～0.4 s，相供电臂近端上下行同时运行2列动车组时，相端口发挥58 MVA(2.9倍过负荷)。0.4～0.6 s，PFC启动，将负荷在牵引变压器两副边绕组中平分，由于PFC通过补偿无功功率来补偿负序，使得牵引变压器两副边端口实际各发挥33.5 MVA的能力(1.67倍过负荷)。

图7 单极性载波相移正弦脉宽调制输出

(a) 容量输出；(b) 牵引侧电流；(c) 电源侧电流

5 结论

2) 在一定程度上补偿了电能质量。尤其在运营初期，供电臂容性负荷偏高，可有效提高功率因数。

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Study on optimization of comprehensive compensation capacity of high-speed railway traction power supply system

WEI Guang

(State Key Laboratory of Rail Transit Engineering Informatization (FSDI), Xi’an 710043, China)

When the high-power cross line EMU runs on the 250 km/h high-speed railway and passes through the electric phase separation, the overload of the traction transformer is serious and the protection is easy to misoperate. Therefore, a solution based on the power flow controller (PFC) was proposed, the current distribution mechanism was analyzed, and the compensation control strategy was deduced. Through the balance control of power flow, the load of EMU in the two power supply arms is optimally distributed and evenly distributed on the two windings of traction transformer, which reduces its capacity demand. At the same time, it plays an obvious role in improving the power quality. This scheme is suitable for the reconstruction of existing or new-built traction substation, and its feasibility and superiority are verified by simulation. It’s satisfactory optimization of power flow control improves the technical economy of the project.

250 km/h high speed railway; Vx connection; power flow control; power quality compensation

TM922.4；U223.5

A

1672 − 7029(2020)12 − 3021 − 07

10.19713/j.cnki.43−1423/u.T20200109

2020−02−14

中国铁路总公司科技研究开发计划课题(2017J005-C)；中国铁建股份有限公司科技研究开发计划课题(2018-B12)；川藏铁路科研课题(院科(川藏)19-26)；中铁一院青年创新科研课题(院科19-84)

魏光(1984−)，男，陕西西安人，高级工程师，从事高速铁路牵引供电系统研究及工程设计；E−mail：184613852@qq.com

(编辑 涂鹏)