电气化铁道电能质量综合治理系统
摘要：针对目前电气化铁道AT或直供系统中普遍存在的负序、谐波和功率因数低等电能质量问题，提出了一种基于YN_接线平衡变压器的电气化铁道电能质量综合治理系统.该系统充分挖掘了YN_型牵引变压器二次侧可带三相系统的潜能，在无需降压变压器的情况下，实现了三相全桥型有源功率调节系统和主牵引变压器的融合.给出了该系统的构成方式，分析了该系统补偿负序、谐波和无功的基本原理，提出了电流检测和控制方法.根据实际变电站参数和实测牵引负荷数据建立了该系统的仿真模型.仿真结果表明所提系统具有良好的负序、谐波和无功补偿性能.
关键词：负序,谐波,平衡变压器,电气化铁道,电能质量治理
铁路运输是国民经济的大动脉，其快速发展将给经济的增长带来强劲动力和可靠保障.随着电气化铁道的建设朝着重载货运和高速客运方向发展，牵引机车的功率不断增大，列车追踪间隔进一步减小，电气化铁道所引起的电能质量问题发生了一些变化.对于韶山型机车和动车组混跑的线路，其负序、谐波和功率因数低仍然是比较严重的问题，而对于高铁专线，其主要问题是负序问题.这些问题给牵引供电系统的进一步发展带来挑战，引起了国内外学者的广泛关注[1-3].
考虑到成本因素，牵引变电所高压侧三相进线采用相序轮换技术是抑制负序最传统的方法[4].但牵引网一旦建成相序无法再变更，缺乏灵活性是其主要缺点. 另一种方法是采用平衡变压器.平衡变压器是一种在电气化铁道牵引供电系统中广泛使用的特种变压器，它主要将三相制公共电力系统转变成两相制牵引供电系统，能完全消除一次侧的零序电流，并具有一定的负序抑制能力，但该能力受到牵引负荷波动影响较大，负荷越不平衡其抑制负序的能力越差，故难以完全消除负序对电力系统的影响.对于谐波和无功，则采用LC无源滤波器，兼做无功补偿.
针对上述无源治理方法的缺点，多种有源治理方法弥补了无源治理方法的不足.在众多有源治理方法中，铁路功率调节器(railway power conditioner，RPC)[5-7]无疑是其中最成功的.它通过对两相基波有功负荷进行重新分配，并独立补偿各相的谐波和无功，能成功实现牵引变电站的负序、谐波和无功的综合治理，并被部分牵引变电所采用、投入运行[8-9].但该系统由于采用了背靠背单相全桥型逆变器拓扑结构，其逆变器最高输出电压等于其直流侧电压，且共需8组功率器件，其直流电压利用率有进一步提高的空间，功率器件的数目也可进一步减少.另一些背靠背结构的有源和无源混合型铁路功率调节系统[10]也存在类似的问题.鉴于此，2004年，Sun等[11]提出了有源电能质量补偿器(active power quality compensator，APQC)系统，该系统成功将三相全桥型有源系统应用在电气化铁道的电能质量综合治理中，减少了功率器件的使用，同时也提高了直流电压的利用率，但是该系统需要一台结构复杂的SCOTT变压器将主变和有源系统进行匹配，这将大大增加系统的投资成本，同时也降低了整个系统的可靠性. 为弥补上述各系统存在的不足，本文提出了一种基于YN_接线平衡变压器[12]的电气化铁道负序和谐波综合治理系统. 该系统充分利用了YN_平衡变压器三相变三相的潜能.由于从YN_二次侧a，c，b三抽头引出的电力系统三相对称，故整个系统中三相全桥型有源系统可直接与主变进行连接.与APQC相比，整个有源部分的电压等级可以调节.由于省掉了降压耦合变压器，其投资将有较大降低，可靠性也将得到提高.此外，由于 YN_二次侧两相系统完全独立，适用于电气化铁道的AT或直接供电方式.且两相可以做不等容设计，对于两相负载容量长期不同的牵引供电所来说，可以大大降低牵引变电站的运营成本.
1系统构成方式
基于YN_接线平衡变压器的电气化铁道负序和谐波综合治理系统如图1所示.该系统由一台YN_平衡变压器和三相全桥有源功率调节系统组成，其中变压器可作为牵引变电站的主牵引变压器，既可以联接铁道的两相负载，也可以用于牵引变电站内部三相电源的供电.其中三相全桥有源功率调节系统作为治理整个牵引变电站负序、谐波和无功的综合治理装置.主变压器的三相负载端的电压等级可以灵活进行设置，既可以满足三相负载端的要求，也可以达到降低有源系统部分电压等级的要求，从而达到经济性和可靠性的平衡.
2系统补偿原理
2.1YN_平衡变压器基本结构
YN_平衡变压器是一种基于国内外各种平衡变压器而提出来的新型的平衡变压器，此种变压器的综合材料利用率达到90.2%，既可以同时接两相负载又可以同时接三相负载，两相负载还可以做不等容量设计，在整个变压器的设计中需要满足如下绕组关系：
WA/Wa1=Wc/Wc1=K1，
WA/Wa2=Wc/Wc2=K2，
WB/Wb1=K2/2，
WA/Wa3=WB/Wb2=Wc/Wc3=K3.(1)
其中有3/K2+1/(3K3)=1/K1.
该型变压器满足绕组关系的同时要满足低压侧三角形回路等值阻抗值相等.且两相短路时，从高压侧观测的三相等值阻抗值相等，即满足：
Za3=Zc3=Zb2.(2)
2.2负序、谐波和无功补偿原理
当变压器只接有两相机车负载时，一次侧电流和二次侧电流之间的关系为：
利用基尔霍夫电流定律(KCL)和磁势平衡原理可得电流关系式为：
若利用此变压器作为牵引供电所变压器，对于两相负载侧接入负载，三相负载侧接入三相全桥功率调节装置，利用叠加定理，得
对两相负载侧的电流可以分解为基波有功分量和谐波无功分量，可以表示为：
式中：αp，βp为基波有功分量;*α，*β分别为基波无功分量和谐波分量之和.相量图如图3所示.
则一次侧电流中只含有基波的有功分量，一次侧电流中的谐波和无功分量被完全消除.此时一次侧电流满足：
只需调节三相负载端电流的大小便可以消除一次侧的负序、谐波和无功分量，从而达到治理电气化铁道负序和谐波问题.
3综合控制系统
3.1检测部分
对于两相供电臂电压相位相差90°的谐波、无功和负序电流的检测方法，本文采用文献[13-14]中的检测方法.该方法可以在电压波形畸变的情况下检测到电流中的谐波、无功和负序电流的分量，并将直流侧电容电压的控制输出叠加到检测环节中.当直流侧电容电压没有稳定时，整个有源系统工作于整流状态，对电容进行充电，当直流侧电压稳定时，系统工作于逆变状态.其电流检测原理如图4所示.
α，β相负载电流的傅里叶分解表达式为：式中：Iαp，Iβp为基波的有功分量;Iαq，Iβq为基波的无功分量;∑ωk=2iαk，∑ωk=2iβ k为谐波分量.将式(13)中iα(t)，iβ(t)分别乘以电压相位的同步值sinωt，cosωt，再将iα(t)sinωt，iβ(t)cosωt 相加，经过低通滤波器之后可以得到α，β相基波电流的平均值：
G=(Iαp+Iβp). (14)
再将G分别与sinωt，cosωt相乘，即可得到α，β相电流的理想平衡值.此理想值不含有谐波分量和无功分量，并且有效值大小相同，将实际电流值与理想电流值相减，便可以得到所需补偿的电流值i*α(t)和i*β(t)：
i*α=iα(t)-(Iαp+Iβp)sin ωt，
i*β=iβ(t)-(Iαp+Iβp)cos ωt.(15)
3.2控制部分
根据图1给出的系统拓扑结构，并运用基于瞬时无功功率的检测方法来进行谐波、负序和无功电流的检测，并采取动态响应速度快、鲁棒性好的滞环控制进行整个系统的控制.控制框图如图5所示.
4仿真验证
结合某一实际采用YN_接线平衡变压器的牵引供电站的系统参数，本文利用Matlab/simulink仿真软件搭建了该系统的仿真模型.两相负载侧输出电压等级为27.5 kV，三相负载侧输出电压等级为10 kV，负载选用一组实测的负载数据，实测所选用的测量仪器为日置3198电能质量分析仪.
两相负载分别选用重载机车和轻载机车，具体数据如表1所示.表2为系统仿真参数.由表1可知，α相负载机车少，β相负载机车多，整个两相负载功率相差大，主要用于模拟负序电流较为严重的工况.仿真模型在0.1 s时投入三相全桥功率调节器，并在0.6 s切除α相负载.以此来验证整个系统在定负荷及负载波动条件下系统的动态性能.
图6为负载实测波形和仿真波形对比图.图6(a)的上图为实测电压波形，下图为实测电流波形.图6(b)和(c)分别为仿真的电压和电流波形.由图6可知，仿真波形与实测波形较为吻合.图7为仿真波形对比图. 图7(a)给出了牵引变压器一次侧的电流波形，0.1 s前后的电流波形充分说明了，采用三相全桥功率调节器前后，三相负载电流基本对称，一次电流畸变率由7.9%，3.0%，9.3%分别下降为 2.0%，1.9%，1.9%.图7(b)给出了系统采用三相全桥功率调节器前后的电流不平衡情况，不平衡度ε由0.63下降为0.01，结果表明电流不平衡度得到有效改善.图7(c)给出了一次侧三相的功率因数λ，一次侧A，B，C三相的功率因数分别0.97，0.89，0.43提升接近为1.图 7(d)给出了系统运行过程中直流侧电压的变化情况，结果说明该系统具有良好的动态性能.
5结论
本文针对基于YN_平衡变压器的电气化铁道牵引变电站，提出了一种采用三相全桥功率调节器的电气化铁道电能质量综合治理系统，分析了该系统的构成及综合补偿原理，详细分析了电流检测及控制算法，并结合某牵引变电站实测负荷数据，对整个系统进行了仿真分析，仿真结果表明该系统能有效抑制牵引变电站一次侧的负序和谐波电流，提高其受电端功率因数.
本系统充分挖掘了YN_平衡变压器和三相全桥型功率调节器的潜能，利用YN_平衡变压器二次侧三相系统的对称性实现了三相全桥型变流器与主牵引变压器的结合，并成功对牵引变电站的负序、谐波和无功进行了综合治理.由于该系统的三相全桥功率调节器的端电压可以在设计变压器的时候调节，而主变的阻抗匹配条件又较我国广泛使用的阻抗匹配平衡变压器[15]匹配条件更加具有灵活性，且在获得更高的直流侧电压功利用率的前提下，功率器件的数量也较少，因此，该系统在获得相同治理效果的条件将更具成本优势，运行可靠性高，是一种具有较高综合性能的电气化铁道负序与谐波综合治理系统，工程应用前景广阔.
参考文献
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