基于单台YN,d11变压器的同相AT供电系统

王冬梅 王 晨

（西南交通大学电气工程学院，成都 610031）

为减少电气化铁路牵引负荷造成的不平衡影响，目前主要的解决方法有：采用三相-两相平衡牵引变压器，换相连接，采用不平衡补偿装置等[1]。这些措施能够改善三相不平衡状态，但由于牵引负荷的特殊性，效果并不理想。同相供电技术为综合解决电气化铁路电能质量问题和取消牵引变电所换相连接方式提供了方案，受到了广泛重视。

我国电气化铁路主要的供电方式有：直接供电，BT供电，AT供电；其中AT供电方式适用于重载、高速和繁忙干线电气化铁路，随着高速铁路在中国和世界的推广和发展，AT供电方式以其技术经济的整体优势，将得到进一步采用[2]。YN，d11接线变压器能适应牵引供电短期严重过载、频繁近地短路等特点，结构简单、制造方便，在我国电气应用经验丰富，所以研究基于YN，d11接线变压器的同相AT供电系统方案具有重大意义。

1 同相AT牵引供电系统结构

同相AT牵引供电系统的结构如图1所示，由AT牵引网和同相 AT牵引变电所组成[3]，图中SS1-SS3为同相AT牵引变电所，PP为平衡变换装置，它与牵引变压器相连接，主要任务是平衡变换与补偿无功、滤除谐波。针对不同接线的变压器，平衡变换装置的主电路部分可以由三相三桥臂变流器、两“背靠背”单相变流器等构成[4-6]。

图2是基于单台YN,d11变压器的同相AT所接线图，变压器为一台变比110kV/27.5kV的双绕组变压器，平衡变换装置由三相四桥臂变流器构成，通过对平衡器适当控制，能够使得牵引侧各供电臂电压相同，从而取消电分相，实现同相供电。

图1 AT同相供电系统

图2 单台YN,d11-27.5同相AT牵引变电所

2 平衡变换基本原理

式中，iL为负荷电流；i1p为负荷电流基波有功分量；Ps、PL分别为电源功率和负荷有功功率；K为变压器原副边电压比值，K=110/27.5。

平衡变换后，变压器原边电流为对称的三相基波正序电流，可得110kV侧电流的瞬时值为

YN,d11变压器原次边电流关系为

根据式（5）得牵引侧各相电流瞬时值为

根据图2可得，若要使得变压器牵引侧各相电流满足式（6），则平衡变换器输出的的补偿电流应为

当平衡变化装置各桥臂电流满足式（7）时，电源只提供负载有功功率，负载所需的负载基波正序无功电流、负序电流和谐波电流由平衡变换器提供。

3 补偿电流的实时检测

由式（7）可知，若能够检测出负荷电流iL的基波电流有功分量的有效值I1p，就可得到平衡变换器需要输出的综合补偿电流[7]。

将系统的负载电流表示为

式中，iL(t)为负载电流，iLh(t)为谐波电流，i1q(t)为基波无功电流分量，i1p(t)为基波有功电流分量。

将式（8）等号两端同乘 2sinwt，可得

观察式（9），等号右边由两部分构成，I1p为其中的直流分量，若将其中的交流分量通过低通滤波器滤除便可得到I1p。那么变流器需要输出的的补偿电流可根据式（7）得出。

对式（7）进行变换可得

由式（10）构造出平衡变换器补偿电流的生成原理图如图3所示。

图3 补偿电流生成框图

图3中所示的sinwt和coswt通过锁相环和信号发生器得到，与负载电压同相位。图3中M为矩阵：

根据图3原理可实现对平衡变换器补偿电流的实时检测。

4 平衡补偿及控制策略

基于单台YN,d11变压器的同相AT供电系统，平衡变换装置由三相四桥臂变流器构成，结构如图4所示。

图4 三相四桥臂平衡变换器

其控制策略采用基于三维空间电压矢量的电流调节方案[8-9]，方案由最高开关频率受限的三电平比较器和电压矢量选择表构成，控制原理如图5所示。电流误差信号经坐标变换得到在αβγ 坐标系下的误差信号，eα，eβ和 eγ，经最高开关频率受限的三电平比较器输出信号dα，dβ和 dγ，用以选择空间电压矢量，驱动逆变器产生在指令电流误差范围内的电感电流。具体的空间电压矢量选择分析，详见文献[9]。

图5 电流调节方案控制框图

5 系统仿真分析

本文在Matlab/Simulink环境下，构建了基于单台YN,d11（110kV/27.5kV）接线变压器的AT同相供电系统，观察其经平衡变换装置后的补偿效果。

平衡变换装置采用三相四桥臂变流器，如图 4所示，参数设为L=0.3mH，C=15mF，直流侧电压设定为10kV；降压变压器变比为27.5kV/2.5kV，牵引网电压为 27.5kV，负荷端口电压和负荷电流分别为式中，ψL为负荷端口接线角。

仿真结果如图6、图7所示。

图6 补偿前原边电流

图7 补偿后变压器原边电流

图6为补偿前变压器原边三相电流波形，可以看出补偿前110kV侧三相电流中谐波和无功的含量很高。图7为补偿后变压器原边三相电流，经平衡变换装置作用后三相电流基本对称，补偿效果明显，验证了方案的正确性。

6 结论

本文主要研究基于单台 YN,d11接线变压器的AT同相供电系统，变压器为110kV/27.5kV双绕组变压器，选用三相四桥臂变流器构成平衡变换装置。通过分析和系统仿真说明，该系统能够动态滤除谐波和补偿无功，使110kV侧三相电流对称并与相电压同相位，这样就使得牵引负荷相对电力系统而言，相当于一个纯阻性的三相对称负荷，实现了由单相牵引负荷到三相电力系统的平衡变换。

[1]李群湛. 牵引变电所供电分析与综合补偿技术[M].北京: 中国铁道出版社, 2006.

[2]李群湛, 贺建闽. 牵引供电系统分析[M]. 成都: 西南交通大学出版社, 2010.

[3]张秀峰. 高速铁路同相 AT牵引供电系统研究[D].西南交通大学博士研究生论文, 2006.

[4]曾国宏, 郝荣泰. 采用有源滤波器实现平衡变换的供电系统研究[J]. 铁道学报, 2003, 25 (1): 48-53.

[5] 曾国宏, 郝荣泰. 基于有源滤波器和阻抗匹配平衡变压器的同相供电系统[J]. 铁道学报, 2003, 25(3):49-54.

[6] 张秀峰, 李群淇, 吕晓琴, 等. 基于有源滤波器的V,v接线同相供电系统研究[J]. 中国铁道科学, 2006,27(2): 98-103.

[7]张秀峰. 基于有源滤波器的同相供电系统补偿电流的实时检测[J]. 铁道学报, 2005, 12(6).

[8]VERDELHO P, MARQUES G D.A current control system based in variables for a four-leg PWM voltage converter[A].IEEEIECON’98[C]. Aachen, Germany,1998: 1847-1852.

[9]孙驰，张国安.一种新颖的三相四桥臂逆变器电流调节方案研究[J]. 电机与控制学报，2004(2):165-169.