基于组合式变换器的川藏铁路贯通供电方案电气性能仿真分析

夏焰坤,任俊杰

(西华大学电气与电子信息学院，四川 成都 610039)

0 引 言

川藏铁路全长近1514 km，是本世纪中国乃至世界最伟大的铁路工程项目之一，也是迄今为止建设难度最大、风险最高的重点铁路工程，号称“高原过山车”。川藏铁路自东向西依次经过五大地貌单元，穿越6条构造边界断裂和8条全新世活动断裂带，翻越21座海拔4000m以上山峰，跨越14条江河，线路8起8伏，岭谷相对高差达1500～3000 m，属典型的多“V”型高山峡谷地貌。牵引供电系统是川藏铁路的唯一动力来源，其供电质量的优劣将对保障列车安全、可靠、高效、经济运行产生重大影响。川藏铁路牵引方面目前主要存在着高海拔、坡度大、自然环境恶劣、沿线电网薄弱等问题[1-3]。尤其是处于高原地带外部电源(西藏电网)十分薄弱地区，其电网架构稀疏，供电系统短路容量小，供电能力弱，既有平原电气化铁路供电方案难以满足川藏铁路建设技术要求，主要体现在以下方面的挑战：

1)既有供电方案下各供电臂相互独立，供电半径较短，沿线需建设大量牵引变电所，由于外部电源薄弱和匮乏，无法满足大规模供电需求。较小的系统短路容量导致较大的电力系统电压损失，使得牵引网末端电压可能低于电力机车车载变流器最低工作电压，引起低电压闭锁。

2)系统短路容量较小使得电力系统承受的负序能力低，电气化铁路产生的负序[4-7]通过公共连接点注入电力系统，将对系统电能质量造成严重“污染”。

3)山区、高原地区海拔落差大，大长坡道区段较多，列车爬坡速度低，列车下坡里程长。这常常使得牵引供电臂一臂处于再生制动状态、另一臂处于空载或牵引状态，牵引供电臂能量得不到有效支援和利用，占用牵引供电系统供电容量，恶化负序水平，同时影响行车安全。

上述问题的解决，将对促进高原铁路的顺利建设和可靠运行具有重要的工程现实意义。

近年来兴起的同相供电技术[8-15]，将大功率的电力电子变流器引入到牵引变电所来补偿负序，并能取消所内电分相。国内开展了同相供电技术的相关工程实践，取得了较好的经济和社会效益，但主要侧重于单个牵引变电所负序改善，线路分区所处依然保留有电分相环节，未能实现线路的全线贯通[16-21]。

在上述研究基础上，提出了一种适用于川藏铁路牵引供电系统的贯通供电方案。该方案在牵引变电所采用单相变压器来实现供电同相位，通过大功率变换器来实现三相之间功率平衡，消除单相负荷引起的负序影响。下面首先分析了所提系统结构和原理，再介绍了变换器控制方法；最后，在仿真平台上进行了不同列车追踪时间下的仿真。仿真结果表明所提方案电气性能指标能较好地满足国家标准要求。

1 基于组合式变换器的贯通供电系统结构与原理

1.1 系统结构

基于组合变换器的集中式贯通供电系统结构见图1所示。图1中给出了4个牵引变电所，每个变电所均采用单相变压器TT作为牵引变压器，选取其中一个变电所安装大功率电力电子变换器(power flow controller，PFC)。该变换器输入侧为一个三相变压器T1，输出侧为一个单相变压器T2，两台变压器组合构成一个等效平衡变压器。变换器实现从三相系统中A相取电，传递功率到牵引网所在相(B、C相)。

图1 基于变换器的贯通同相牵引供电系统拓扑结构

1.2 组合式变压器平衡原理

由三相变压器和单相变压器构成的等效平衡变压器端口电压相量关系见图2所示。三相电压分别为UA、UB和UC，等效的两单相电压分别为uα和uβ。一相对应三相系统线电压，一相对应三相系统相电压，二者刚好在相位上相差90°，即uα超前uβ90°。

图2 组合变压器电压相量

单相背靠背连接的变换器两端口与组合式变压器连接在一起，如图3所示。变换器实现uα和uβ两个端口之间的功率融通，以最大限度消除负序。

图3 变换器结构

变换器平衡补偿原理如下：

忽略谐波影响，变换器端口电压可假设为

(1)

式中：U1为基波电压有效值；ω为角频率。

贯通线路等效负载电流为

(2)

式中：N为变电所数；Im、φn为第n个变电所电流有效值、电流阻抗角；I、φ分别为等效负载电流有效值、电流阻抗角。

则等效负载瞬时功率为

s(t)=uβ(t)i(t)=U1Icosφ-U1Icos 2ωt

(3)

式中，U1Icosφ为负载有功功率。

如果变换器刚好能从uα传递负载一半的有功功率到uβ，并在uβ侧补偿无功功率，则从平衡变压器次变两个端口看来，两个端口输出的有功功率完全相同，此时变换器两端输出的补偿容量分别为

(4)

2 变换器控制策略

变换器由大功率电力电子器件构成，器件通常组成桥式结构，实现交流-直流-交流的变换。其控制方式灵活多样，主要有直接电流控制、间接电流控制、瞬态电流控制和直接功率控制等。直接功率控制是一种标量控制方法，具有实现简单、控制稳定等优点，近年来得到快速发展。这里的变换器采用直接功率控制方法来实现功率指令的闭环跟踪。以ua侧为例，构造对称的电压uα和uβ，对称的电流为iα和iβ，此时单相侧瞬时有功和无功功率为

(5)

对式(5)进行求导，可得

(6)

变换器端口列写基尔霍夫电压方程为：

(7)

(8)

式中：ucα和ucβ为变流器端口电压；L为电感。

整理式(5)—式(8)可得到变换器端口输出电压表达式为

(9)

式中： dp=pref-p，dq=qref-q；pref与qref分别为有功指令和无功指令。

在计算得到变换器端口输出电压之后，利用SPWM调制技术，分别得到单相桥式结构4个开关管驱动信号，变换器控制结构见图4所示。从图中可以看出，uα侧以电压为控制外环，功率为控制内环；uβ侧只有功率环。功率为稳定的直流分量，方便控制环路的设计。

图4 变换器控制框

3 建模与仿真分析

为验证所提基于组合式变换器的贯通同相供电系统电气性能，在Matlab仿真软件上搭建了图1相关电气模型，假设贯通线路3个变电所互联在一起。系统包含三相电网、3个单相牵引变压器、组合式变换器等。与川藏电网供电实际情况相接近，三相系统电压取115 kV，系统短路容量设置为1500 MVA，牵引变压器容量设置为30 MVA，模拟3个变电所构成一个贯通线路分区，每个所供电线路长为40 km，牵引变压器额定电压为27.5kV，变换器安装在第2个牵引变电所，变换器采用单相背靠背变流器结构，隔离变压器低压侧为930 V，变换器采用直接功率控制，方便对输入和输出进行快速跟踪。牵引网采用直接供电方式，阻抗设为0.21+j0.52 Ω/km。

动车组采用额定功率5 MW/列，分别对15 min和30 min追踪列车间隔时间来分析贯通系统相关电气性能。15 min和30 min追踪列车间隔时间下列车在线路上的分布见图5所示(图中△和○分别代表15 min追踪和30 min追踪列车位置)，其中线路采用复线供电方式。

图5 列车分布位置

1)电压偏差分析

电压偏差是牵引网供电电压重要的指标之一，规定牵引网最低电压不能低于19 kV。图6给出不同列车追踪时间下的牵引网电压分布情况。

图6 不同追踪列车间隔时间下的牵引网电压分布

从图6中可以看出，不同追踪列车间隔时间下，牵引网电压均接近额定值。未采用组合变换器牵引网最低电压为27.52 kV，电压偏差很小。采用组合变换器补偿后，牵引网电压最低为27.61 kV，电压偏差仅为110 V。

2)负序和功率因数分析

负序和功率因数是电网对牵引供电系统考核的两个重要指标。表1给出了不同追踪列车间隔时间下的系统指标统计结果，同时图7给出了指标对比情况。

图7 变换器投入前后(t=0.2 s投入)三相侧负序和功率因数

表1 负序和功率因数对比

从表 1可以看出，采用组合变换器后，对负序改善较为明显，没有补偿前负序最大为2.41%，大于国家标准2%限制要求。采用组合变换器补偿后，负序最大仅0.21%，说明负序治理效果明显。而功率因数主要受机车负载影响，因机车功率因数较高，系统侧功率因数最小值均大于 0.95，高于国家标准值0.9的要求。此外，图8给出了系统侧三相电流在补偿前后波形(0.2 s时投入补偿)，从图中可以看出三相电流在补偿前严重不对称，经过变换器补偿后三相电流大小基本对称，峰值由400 A降至280 A，降低了30%。

图8 变换器投入前后三相侧电流波形

3)变压器容量分析

传统高速铁路牵引变压器容量一般都选50 MVA，并且三相系统短路容量较大，而川藏铁路三相系统短路容量小得多，列车班次密度小。采用贯通供电模式后，牵引变压器可如文中选取30 MVA，单个变电所短时负荷最大为10 MVA左右，这样可减少牵引变压器总容量投入，从而有助于降低系统容量电费、安装和运营成本。

综上所述，所提贯通供电系统电压偏差、负序和功率因数等技术指标，在投入组合变换器后均能达到国家标准指标要求。

4 结 论

上面提出了一种适用于高原铁路的贯通供电系统方案，建立了相关仿真模型，模型仿真表明：采用组合式变换器构成的贯通供电系统多项主要电气指标能达到相关指标要求。15 min追踪列车间隔时间下，电压偏差仅110 V；采用组合变换器补偿后，负序最大仅0.21%；三相系统功率因数均高于0.98。

该方案为实现工程设计和实施可提供理论借鉴和技术参考。