基于两相三线制变流器的高速铁路新型同相供电系统仿真计算

夏焰坤

(西华大学 电气与电子信息学院，四川 成都 610039)

在高速铁路牵引变电所采用大功率交直交变流器实行同相供电方案来取代现行的换相式供电方案，是电气化铁路一种较理想的选择[1-5]。该方式既解决了电分相问题[6-7]，又解决了电气化铁路长期存在的电能质量问题[8-9]。其中平衡牵引变压器构成的同相供电系统由于变流器结构简单、所需容量相对较小等优点，目前国内外展开了相关的工程试验研究。

传统的基于平衡牵引变压器构成的同相供电系统采用背靠背结构的变流器来实现同相供电。该方式需要两组背靠背结构的单相变流器来实现，共4条开关管支路。目前研究的重点之一如何降低变流器装置的成本，主要有两种思路：变流器容量的优化来减少容量投入和新拓扑的应用来减少开关管的数量。文献[10]将对称补偿原理扩展到有源同相供电系统中，分析了变流器容量优化设计思路。文献[11-12]研究了基于Vv接线和平衡变压器接线同相供电系统变流器容量设计方法。但针对如何减少开关管数量方面的研究较少。文献[13-14]借鉴三相SVG原理首次提出一种两相三线制变流器结构并应用于铁路无功和谐波补偿，而对于是否适合同相供电系统未展开探讨。

在上述研究基础上，本文提出一种基于两相三线制变流器的同相供电系统，该系统与背靠背结构相比减少了一条开关管支路，与三相SVG相比减少了一个电抗器，因此结构更加简单。分析系统结构和原理，提出电流检测和控制方法，并通过仿真验证该方法在负载电流正弦和畸变两种情况下的补偿效果。

1 传统的同相供电系统结构与原理

同相供电系统的结构如图1所示，三相电网电压经过三相-两相平衡变压器对称变换成α、β两相电压，其中α直接向牵引网供电，β经过单相背靠背变流器(PFC)向牵引网传递一定的功率。中间直流环节接有大容量的电容器组来稳定直流电压，提供能量传输的通道。T为降压变压器，起到隔离和开关器件电压等级相匹配的作用。

图1 背靠背变流器的同相牵引供电系统

负序和无功完全补偿时原理如下：

为简化分析，设PFC两个端口电压为

( 1 )

馈线负载电流为

( 2 )

负载电流进一步分解为

式中：I1p=I1cosφ1为负载电流的有功分量。

通过PFC传递负载一半有功和在负载端口补偿无功之后，变压器次边两端口的电流将只包含有功分量，应满足

( 3 )

PFC两侧补偿电流指令

( 4 )

由此可见，经过潮流控制器的补偿，变压器次边两端口各自输出的为负载一半的有功功率。即在α端口PFC需要输出负载一半的有功电流，并补偿无功电流和谐波电流；而在β端口PFC只需要传递负载一半的有功电流。

同相供电系统补偿前后负序相量图如图2所示。在正序图中Uα、Uβ两相电压相位相差90°，在负序图中二者相位相差180°。可以看到补偿前变压器次边一相空载，负序电流等于负载电流，三相侧不平衡。通过PFC补偿后，变压器次边两相电流共线反向，合成负序电流为0，对应三相系统电流对称。

图2 补偿前后负序图

2 两相三线制变流器的同相供电系统

两相三线制变流器构成的同相供电系统结构如图3所示，三相电网电压经过三相-两相平衡变压器对称变换成α、β两相电压，其中α直接向牵引网直接供电。三线制变流器一个端口接β相，一个端口接α相，第三个端口接α、β两相的公共端。这样三线制变流器与传统背靠背变流器结构相比减少了一组开关管桥臂。

图3 两相三线制变流器的同相牵引供电系统

系统负序平衡原理如下：

与传统背靠背变流器构成的同相供电系统相比，两相三线制变流器端口电流icα和icβ均保持不变，同样满足式( 4 )。

将变流器看作一个广义节点，由基尔霍夫电流定律可得(此处n端口取等效为变压器一次侧)

( 5 )

当负载只包含有功，不含无功和谐波电流时，有

( 6 )

从式( 6 )可以看出,n端口电流是α和端口β电流的合成电流，满足1.414倍关系。从αn端口看，注入电流为icα，而从βn端口看注入电流为icβ，因此负序相量图将和图2完全一致，不再赘述。

3 负序和谐波检测与控制方法

两相三线制变流器的同相供电系统负序和谐波检测电流如图4所示。首先对负载电流有功分量、无功分量以及谐波分量进行分离，采用单相电路谐波检测方法。

图4 负序和谐波电流检测及控制框图

负载电流乘以α端口同步电压信号sinωt，再经过低通滤波器(LPF)，得到负载电流的有功分量。有功分量的一半分别乘以sinωt和sin(ωt-90°)，得到平衡变压器次边两端口输出电流指令为

( 7 )

变流器端口的输出电流指令为

( 8 )

检测出需要补偿的电流指令后，采用滞环比较器生成3个桥臂的开关驱动信号，完成电流闭环控制。同时为保障系统稳定工作，变流器直流侧应保持电压稳定，因此图4中对变流器直流侧电压也进行了闭环控制。

4 仿真分析

为验证本文所提同相供电系统方案及负序和谐波补偿方法的有效性，在MATLAB/Simulink平台上建立仿真模型，参数见表1。为直观看出补偿效果，负载分为仅含有功和含谐波、无功两种情况进行分析。

表1 仿真参数

仿真情况1：负载仅含有功，用电流源。

图5 补偿前后三相侧电流波形

图6 变流器电压和电流

从图5可以看出，补偿前三相电流不对称，含有负序分量，经过系统补偿后三相电流对称，消除了负序。从图6可以看出变流器n端口输出电流相对较大，与理论相符。

模拟负载，对应交直型机车负载，仿真结果如图7、图8所示。

图7 补偿前后三相侧电流

图8 变流器电压和电流

从图7可以看出，补偿前三相电流不对称且含有无功、谐波成分，经过系统补偿后三相电流对称，消除了负序。从图8可以看出,对应端口α补偿量含有无功和谐波，端口β补偿量仅含有无功，变流器n端口输出电流相对较大，与理论相符。经过补偿后端口α处电流畸变率由 22.5%降为 1.5%。

仿真情况3：模拟负载为交直交和交直型电力机车混跑的情况。此时负载大小为前两种仿真情况相叠加，仿真结果如图9、图10所示。

图9 补偿前后三相侧电流

图10 变流器电压和电流

从图9、图10补偿效果可以看出，机车混跑情况下补偿前三相电流不对称且含有无功、谐波成分，经过系统补偿后三相电流对称，消除了负序。变流器直流侧电压同样能稳定在3 000 V左右，说明系统稳定性较好。

5 结束语

本文提出一种基于两相三线制变流器的同相供电系统方案，分析了其补偿原理和负序谐波检测、控制方法，并进行了3种负载条件下的仿真验证。仿真结果表明该系统能够较好地治理高速铁路负序和谐波问题，同时减少了开关管数量，结构得以简化。但会造成n相支路电流相对较大，需要加以注意。

本文所提方案适合各种平衡变压器(如Scott变压器、单三相组合平衡变压器等)构成的同相供电系统。