电力机车试验线平衡供电系统

吕顺凯

摘 要：电力机车为大功率单相负载，其试验线25kV供电电源经由10kV单相变升压获取，试验时经常造成10kV三相进线侧严重不平衡，導致过流保护跳闸。文章提出了一种用于电力试验线的平衡供电系统方案，介绍了系统拓扑结构和工作原理，探讨了系统控制及保护逻辑，并通过仿真，验证了系统方案及控制策略的可行性和优越性。该平衡供电系统构成简洁，控制策略新型，性能优良，能够实现10kV进线侧三相平衡，显著减小线路电流幅值，充分保障试验线路供电可靠性。

关键词：电力机车；试验线；不平衡；控制策略

中图分类号：TM922.3 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）02-0001-04

Abstract： Electric locomotive is a high-power single-phase load， its test line 25kV power supply is obtained by 10kV single-phase transformer， the test causes in serious imbalance of the 10kV three-phase line side， resulting in over-current protection tripping. A scheme of balanced power supply system for power test line is presented in this paper. The topological structure and working principle of the system are introduced. The logic of system control and protection is discussed. The feasibility and superiority of the system scheme and control strategy are verified. The balanced power supply system has the advantages of simple structure， new control strategy and excellent performance. It can realize the three-phase balance at the inlet side of the 10kV， significantly reduce the line current amplitude， and fully guarantee the power supply reliability of the test line.

Keywords： electric locomotive； test line； unbalance； control strategy

引言

公共电网属于三相供电系统，电力机车属于大功率单相负荷，会导致公共电网三相不平衡[1]。电气化铁路采用220kV或者110kV供电，电压等级高，供电容量大，同时采用分段相序轮换供电，可以有效抑制单相大功率电力机车造成的不良影响[2]。

主机厂用于电力机车静调和动调考核试验的试验线路，通常采用采用普遍存在的交流三相10kV电源供电，通过单相升压变压器输出25kV电压给电力机车供电，由于10kV系统容量相对较小，供给SS型、HXD型电力机车、CRH型高速动车组等大功率单相不平衡负载时，造成的负序会影响同线供电敏感负荷的正常用电，而且容易出现不平衡负荷或者单相过载引起的上级变压器跳闸故障，影响供电系统安全、可靠运行[3]。

为了保证电力机车出厂动调试验正常运行，往往只是采取同线负载临时限电，增大上级变压器容量的措施。为解决试验线路供电问题，株洲电力机车研究所有限公司曾为某主机厂的牵引变电所设计了一种用于提升单相牵引供电能力、改善三相负荷平衡的TSC+TSR型三相动态平衡补偿装置，该TSC+TSR型动态平衡补偿系统投切级数可达28级，基本上能达到无级调节的效果，且投入涌流及关断过电压都较小，效果较好，但是系统结构及控制策略复杂，投资高，占地面积大[4-5]。

基于现已成熟应用的大功率变流器模块及四象限变流技术[6]，本文提出了一种新型的电力机车试验线平衡供电系统设计方案，介绍了系统构成、工作原理、控制方法及保护逻辑，并通过仿真验证了应用效果。该系统及控制策略能够实现进线侧三相平衡供电，消除负序影响，保证试验线路供电质量，充分发挥供电系统的能力，同时具有占地面积小、损耗低等优势。

1 平衡供电系统构成

图1为平衡供电系统一次主电路图，按照功能划分，包含两个子系统：机车牵引供电子系统和功率平衡子系统。机车牵引供电子系统将10kV单相线电压转换为机车额定牵引供电电压25kV，满足电力机车动调电能需求。功率平衡子系统检测机车牵引子系统的电流，通过控制变流器机组的有功融通及无功输出，实现10kV进线侧三相电流平衡，显著减小10kV进线电流幅值，消除电力机车单相牵引供电导致的负序，避免对同线供电负荷造成影响。

平衡供电系统主要设备包含断路器、隔离开关、避雷器、电流互感器、电压互感器、变压器、大功率变流器模块构成的四象限变流器机组等，详细设备清单见表1。

2 平衡供电系统工作原理

平衡供电系统原理说明见图2。第一步，由控制装置检测机车供电子系统的电流I1（即图1中TA1检测的电流），计算出牵引供电子系统的有功功率P1和无功功率Q1。第二步，功率平衡子系统的变流器机组2向变流器机组1进行有功融通，转移有功功率P2（功率方向与P1方向相反，大小为P1的1/2）；同时变流器1输出容性无功功率Q2，同时变流器2输出感性无功功率Q3，使得各相电流与相电压达到同相位。至此，通过控制两个变流器机组间的有功融通以及各自的无功输出，已实现10kV进线侧三相输入电流相等，功率平衡。

3 平衡供电系统控制策略

设定三相进线电压为额定电压，变压器损耗较小，忽略不计，首先以交流传动机车负荷（功率因数为1）为例进行分析，机车有功功率等于P1，无功功率Q1等于0。为方便分析，以下的电压电流全部为10kV侧等效电流。

机车牵引供电子系统运行时，子系统的电压电流矢量图如图3所示。

控制系统检测到机车牵引子系统的电流，控制系统使得变流器机组2向变流器机组1进行有功融通，融通功率大小为机车供电系统有功功率的二分之一（10kV侧等效为融通电流为二分之一I1），方向为由变流器机组2向变流器机组1；同时变流器1输出容性无功功率Q2，同时变流器2输出感性无功功率Q3。

即以各自线电压为参考，变流器机组1及变流器机组2的视在功率S1和S2分别为：

平衡供电系统10kV进线侧总电流：

I1、I2和I4分别为图1中CT1、CT2和CT4的电流。

功率平衡前后，相电流幅值变化为：

则平衡供电系统能够显著减小10kV进线侧的电流幅值，变为初始值的57.7%，减小幅值达42.3%。

如果负载為交直型电力机车，只需将变流器机组1的容性无功输出值增加为机车无功负载Q1与Q2之和即可。

变流器机组1的视在功率为：

变流器机组2的视在功率为：

而且由于平衡供电子系统同时补偿了牵引供电子系统的无功电流，则电流10kV进线侧的电流幅值减小比例超过42.3%。

4 系统控制及保护逻辑

4.1 控制逻辑

控制装置实时检测牵引供电子系统的电流（来自TA1的测量绕组）以及10kV进线侧三相母线电压（来自PT），实时计算系统有功及无功，并将控制命令发送至执行装置，控制变流器机组1和变流器机组2的有功和无功输出，同时实时采集变流器机组1的电流（来自CT1的测量绕组）和变流器机组2（来自CT2的测量绕组）的电流，反馈回控制系统进行实时修正，保证进线侧三相功率平衡。

同时，控制装置接收保护装置以及两个变流器机组发送的故障信号，当检测到故障时，停止发送变流器机组1和变流器机组2的控制命令。

4.2 保护逻辑

保护装置实时检测10kV母线的电压（来自PT）和系统各支路10kV侧的电流（来自TA1、TA2、TA3、TA4的保护绕组），以及变流器机组1的电流（来自CT1的保护绕组）和变流器机组2的电流（来自CT2的保护绕组），并与保护定值进行比较。

若采集的电流值超过设定值，动作于牵引供电子系统支路断路器（QF1）和功率平衡子系统支路断路器（QF2），同时将故障信号发送至控制系统，停止变流器机组1和变流器机组2的输出。

同时，保护装置还采集了隔离开关的位置信号，作为合闸允许条件，防止系统检修时误合断路器。

5 仿真验证

为了证明本文所提出的检测方法和控制策略的有效性，以直流机车为例，进行了仿真验证。机车负载用电阻和不可控整流负载并联来等效，设定接在电力机车变压器二次侧的电阻负载为0.7Ω，不可控整流负载为1Ω电阻串联一个200mH大电感的阻感负载，用来模拟谐波源，且保证其基波负载功率因数接近1。仿真结果如图8、9所示。

图8中IA、IB和IC分别为A、B、C三相电流，可见未应用平衡供电系统之前，由于只有三相进线侧只有A相和C相通过变压器接入机车负载，B相电流为0，这时三相电流中负序电流最大，负序电流与正序电流之比为100%，并且A、C相电流含有一定量的谐波。应用平衡供电系统之后，进线侧三相电流达到平衡。图9中iaL和ia分别为应用平衡供电系统前后网侧等效电流，可见采用平衡供电系统之后，网侧等效电流谐波含量明显减少，经测算，电流畸变率从17.2%降低到5%。通过仿真，证明平衡供电装置具有较好的负序补偿、无功补偿和一定的谐波抑制能力。

6 结束语

本文提出了一种电力机车试验线平衡供电系统设计方案，满足电力机车静调及动调试验需求，同时能够实现10kV进线侧三相供电平衡，显著减小线路电流幅值（减小值达42.3%以上），避免供电线路过负荷或负序保护跳闸，充分保障试验线路供电可靠性。整体系统按照功能和主电路划分为牵引供电子系统和功率平衡子系统，一次系统构成简洁，功能和结构分区清晰，检修维护方便，控制方法和保护策略简单有效，同时具有占地面积小、损耗低等优势。

参考文献：

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

[2]赵强，张润宝，薛玉霞，等.牵引变电所换相连接方式研究[J].电气化铁道，2010（2）：28-31.

[3]姚金雄，张涛，林榕，等.牵引供电系统负序电流和谐波对电力系统的影响及补偿措施[J].电网技术，2008，32（9）：61-64.

[4]陈志博，蒋家久，沈辉，等.动车组试验线牵引供电TSC+TCR型三相平衡补偿装置的系统设计[J].大功率变流技术，2010（5）：38-44.

[5]陈志博，蒋家久，胡晓东，等.动车组试验线牵引供电TSC+TCR型三相平衡补偿装置控制系统研制[J].大功率变流技术，2010（6）：46-50.

[6]刘国友.智能电网应用的大功率IGBT模块技术[J].电力电子，2009（6）：14-17.