基于轨道交通的同相供电装置变流器研究设计及仿真验证

摘 "要：该文阐述轨道交通27.5 kV交流供电系统不等容SCOTT变压器的单相组合式同相供电方案，并通过仿真验证该方案的可行性。应用证明该同相供电装置，可有效提高列车运行效率，改善电能质量，提高牵引系统能效。

关键词：轨道交通；同向供电装置；27.5 kV交流供电系统；运行效率；仿真验证

中图分类号：U223.6 " " "文献标志码：A " " " " "文章编号：2095-2945（2024）20-00５４-0６

Abstract： This paper describes the single-phase combined in-phase power supply scheme of unequal capacitance SCOTT transformer in rail transit AC 27.5 kV AC power supply system， and the feasibility of the scheme is verified by simulation. The application shows that the in-phase power supply device can effectively improve the train operation efficiency， the power quality and the energy efficiency of the traction system.

Keywords： rail transit; co-directional power supply device; 27.5 kV AC power supply system; operation efficiency; simulation verification

地铁作为现代化的城市轨道交通工具，承担着越来越重要的大客流运输任务。纵观地铁建设的百年历史，供电系统一直采用直流供电制式。随着市域轨道交通的发展及粤港澳大湾区的城市融合，直流供电已不能满足长距离大跨距的轨道交通供电需求，迫切需要一种能够承担远距离的供电制式的出现，故诞生了27.5 kV交流供电制式的轨道交通。

截至目前，我国实施的轨道交通27.5 kV交流同相供电系统应用方案，分为2种：一是基于不等容SCOTT变压器的单相组合式同相供电方案；二是基于单相牵引变+三相高压匹配变压的单三相组合式同相供电方案。国内某一线城市轨道交通集团选用以上2种方式进行运营和试验，均取得了良好效果。本文着重阐述了一种同相供电装置，可有效提高列车运行效率，改善电能质量，提高牵引系统能效。

1 "变流器研究与设计

通过对1 700 V及3 300 V IGBT方案的对比选择，3 300 V IGBT方案在系统效率、可靠性、经济型和占地面积上均具有一定优势，故本文以H桥串并联同相供电变流器3 300 V IGBT方案进行研究及仿真验证。图1为H桥串并联同相供电变流器框图。

1.1 "3 300 V IGBT方案

同相供电变流器采用H桥串并联结构，功率单元采用背靠背结构，变流器级联侧通过电抗器与SCOTT牵引主变T座连接，变流器并联侧通过同相供电匹配变压器升压与SCOTT牵引主变M座连接，级联侧电压为10 kV，每个模块电压选择为1 kV AC时，需要模块数量为10个，设计12个功率模块，冗余2个功率单元。

1.2 "母线电容

采用干式薄膜电容器，母线电容参数计算：单元电压波动主要由无功的转移导致，引起在直流电容上电压二倍频的波动，以发出或吸收最大无功的情况下进行直流电容参数计算，根据系统要求，选取电容电压上的波动范围为15%。

实际应用母线电容比理论值取值稍大，选取6 mF母线电容参数。

1.3 "叠层母排

同相供电变流器功率单元母线采用叠层母排设计，具有更低的散杂电感和接触电阻。叠层母排广泛用于电力电子变换装置中功率器件的连接，通过正负极层叠平行分布的结构形式降低线路分布电感，从而降低功率元件关断时的尖峰电压，降低功率元器件的耐压要求，提高功率器件运行的可靠性和稳定性，同时提高电路的集成度，便于维修维护。母排采用具有良好的导电、导热和耐腐蚀性能的T2紫铜作为导电层，表面镀锡处理，绝缘材料采用具有良好介电性能的环氧树脂，结构合理紧凑，分布电感小。

1.4 "吸收电容

为了抑制IGBT关断电压，一方面采用叠层母排设计，具有更低的散杂电感和接触电阻；另一方面采用吸收电容装置来吸收抑制IGBT关断尖峰电压，吸收电容为薄膜材质，等效电感与电阻值极低，对于关断高频分量呈现极低阻抗，因此吸收抑制IGBT关断过压能力强，可有效提高功率器件允许的可靠性及稳定性。

1.5 "并联侧并网电抗

并联侧并网电抗集成在牵引匹配变压器的各低压绕组的漏抗内，根据电流纹波和电抗值关系式

纹波电流取额定电流的±25%，母线电压取1 800 V，开关频率取1 250 Hz，计算出电抗值为720 ？滋H，考虑到变压器工艺误差，变压器漏抗参数要求取800 ？滋H。

1.6 "串联电抗参数计算

纹波考虑。

串联侧为H桥级联拓扑，采用载波移相叠加的技术可以有效增加等效开关频率，采用180度载波均匀移相的算法后，电流纹波的计算式如下

式中：N为H桥级联数量。

取纹波为额定电流的±2%（相对于并联侧这里没有多个电流的纹波抵消功能，因此电流纹波要求相对小），母线电压取1 800 V，IGBT开关频率取300 Hz，计算出电抗值为3.1 mH。

短路电流抑制。

串联侧为10 kV高压，考虑到主电路短路电流一致的需求，按短路电流限制为额定电流50倍考虑，则交流电抗取值6.4 mH，此时交流电抗造成并网额定压降为2%。

将6.2 mH的参数代入电流纹波计算式内，验证此时电流纹波为10 A。

综上，交流电抗取较大值6.4 mH，此时对调制深度利用率的影响小于2%，电流纹波相对更小。

2 "功能要求

首先根据技术规范明确同相供电装置的功能要求，对单相三相对称变换的原理进行分析和仿真验证，然后根据功能要求给出同相供电装置的控制策略，最后搭建系统仿真模型，对同相供电装置的功能进行仿真验证。

2.1 "同相供电功能

同相供电装置是实现同相供电的核心设备，主要功能实现单相三相对称变换。

在主变电所牵引变压器侧采用同相供电装置，同相供电装置主要由变流器和变压器等组成，其主要功能是通过采用同相供电装置以满足电能质量关于负序、谐波的要求，使单相负荷反映到三相系统中，三相电流大小和负序分量达到国标要求，同时取消主变出口处电分相，同相供电装置可靠性要求需满足N-1可靠性的要求。

同相供电装置可追踪牵引变压器M座输出电压，输出匹配的电压，可同时接入27.5 kV母线，为主变电所承担的所有牵引负荷同相位、同幅值供电。

采用同相供电装置后需满足以下要求。

1）谐波。对于谐波电压，根据GB/T 14549—1993《电能质量 公用电网谐波》标准规定：110 kV公用电网电压总谐波畸变率以及各次谐波电压含有率允许值见表1。

2）三相电压不平衡度。执行标准为GB/T 15543—2008《电能质量 三相电压不平衡》。

根据《电能质量 三相电压不平衡》，电力系统公共连接点三相电压不平衡度允许值如下：①电网正常运行时，负序电压不平衡度不超过2%，短时不得超过4%。②接于公共连接点的每个用户引起该点负序电压不平衡度允许值一般为1.3%，短时不超过2.6%。根据连接点的负荷状况以及邻近发电机、继电保护和自动装置安全运行要求，该允许值可作适当变动，但必须满足公用电网电压谐波允许的规定。

3）电压波动。根据GB/T 12326—2008《电能质量 电压波动和闪变》任何一个波动干扰源在电力系统公共连接点产生的电压变动，其限值和电压变动频度和电压等级有关。对于电压变动频度较低（例如r≤1 000次/h）或规则的周期性电压波动，可通过测量电压方均根值曲线U（t）确定其电压变动频度和电压变动值，电压波动限值见表2。

2.2 "无功补偿功能

同相供电装置需具备独立的无功补偿功能，当牵引网无列车负荷或本地牵引变压器不供给牵引负荷时，可由同相供电装置实现整个供电系统的无功补偿功能。

2.3 "抑制谐波功能

同相供电装置需具有一定的谐波抑制功能，对牵引负荷的低次谐波具有一定的滤波功能。

该功能主要实现负载同相供电装置的谐波抑制功能。检测负荷电流，在线计算主要谐波电流，将其作为参考值，使得同相供电装置输出等量的谐波电流，达到谐波抑制的目的。

2.4 "牵引网电压动态调整功能

牵引网是典型的分布式网络，呈现感性阻抗。若牵引负荷过载，或牵引负荷无功过大，会引起牵引网电压明显小于牵引母线电压。同相供电装置需具备一定的牵引网电压动态调整功能，当牵引网电压过低时，具备一定的提升牵引网电压的功能。

该功能主要实现负载同相供电装置的牵引网电压动态调整。检测牵引网电压，牵引网电压低于限值时，同相供电装置输出感性无功电流Ic，该电流在牵引网等效电抗上产生超前电压。同相供电装置输出不同的无功电流，可将牵引网电压调整到不同的电压值，同相供电装置根据检测到的牵引网电压、输出电流等，得到适当的输出电流参考值，使得牵引网电压处于规定的范围内。

3 "不等容不等边牵引变压器分析

理论分析：牵引变压器采用不等边不等容斯科特连接形式，同相供电装置接斯科特T座。正常运行时，T座+同相供电和M座同时为牵引网的牵引负荷供电，M座担负主要供电负荷，T座+同相供电装置担负其余供电负荷以及三相电压不平衡度的调整。同相供电装置与牵引变压器的接口在牵引变压器T座出线开关柜的出线端。

同相供电装置一次接线如图2所示。

牵引变压器接线及其矢量图，如图3所示。

根据图4，不考虑变压器漏抗，可得牵引变压器的电压、电流满足

因此

由于ia+ib+ic=0，因此，110 kV侧三相电流为

。 （12）

设M座和T座的电流分别为

根据对称分量法，可以求得110 kV侧负序电流为

式中：a=ej2？仔/3 。

因此，仅在？渍M=？渍T，且？棕3IT=？棕2IT的情况下，110 kV侧才没有负序电流，结合电压方程可得

由于ＵＣ超前ＵＡＢ 90°，ＵＭ超前ＵＴ 90°，因此可得

。 （16）

因此，仅在变压器低压侧的M座与T座的视在功率相等，且功率因数相等时，110 kV侧的负序电流才能为零，当变压器不等容时，只能降低负序电流，而不能完全消除负序电流。

从式（14）可得，在相同的同相供电装置容量下，当M座与T座功率因数相等时，负序电流最小，即负序电流治理能力最强。

4 "仿真验证

不等容不等边牵引变压器理论分析结果进行仿真验证，主要包括以下几个方面：①牵引变压器两侧电压电流分析公式的正确性。②110 kV侧负序电流分析的正确性。第一，M座与T座视在功率相等，功率因数相等；第二，M座与T座视在功率相等，功率因数不相等；第三，M座与T座视在功率不相等，功率因数相等；第四，M座与T座视在功率不相等，功率因数不相等。

仿真参数见表3。

4.1 "M座与T座视在功率相等，功率因数相等

M座负载为5 MW，T座负载为5 MW。

110 kV侧三相电流平衡，按照45 MVA的额定功率标幺，正序电流幅值为0.223 7 pu，负序电流幅值为0.004 926 pu，电流不平衡度为2.202%。

4.2 "M座与T座视在功率相等，功率因数不相等

M座有功功率为5 MW，无功功率为0，T座有功功率4 MW，无功功率为3 MVar。

110 kV侧三相电流不平衡，按照45 MVA的额定功率标幺，正序电流幅值为0.207 4 pu，负序电流幅值为0.071 9 pu，电流不平衡度为34.67%。

4.3 "M座与T座视在功率不相等，功率因数相等

M座有功功率为10 MW，T座有功功率5 MW，无功功率均为0。

110 kV侧三相电流不平衡，按照45 MVA的额定功率标幺，正序电流幅值为0.334 pu，负序电流幅值为0.112 pu，电流不平衡度为33.65%。

4.4 "M座与T座视在功率不相等，功率因数不相等

M座有功功率为10 MW，T座有功功率4 MW，无功功率为感性3 MVar。

110 kV侧三相电流不平衡，按照45 MVA的额定功率标幺，正序电流幅值为0.314 5 pu，负序电流幅值为0.153 4 pu，电流不平衡度为48.77%。

4.5 "小结

仿真验证汇总表见表4。

通过理论分析和仿真验证，可以得到以下结论。

1）仅在变压器低压侧的M座与T座的视在功率相等，且功率因数相等时，110 kV侧的负序电流才能为零。

2）当M座与T座负载视在功率不相同，二者功率因数相同时，负序电流最小。

5 "谐波补偿模式

5.1 "单次补偿

5.1.1 "5次谐波补偿仿真

补偿前M座电流THD为16.33%，其中5次谐波电流为16.02%，补偿后M座电流THD为8.3%，其中5次谐波电流为7.84%。

5.1.2 "7次谐波补偿仿真

补偿前M座电流THD为13.37%，其中7次谐波电流为12.67%，补偿后M座电流THD为6.99%，其中7次谐波电流为5.02%。

5.1.3 "9次谐波补偿仿真

补偿前M座电流THD为12.17%，其中9次谐波电流为11.26%，补偿后M座电流THD为8.97%，其中9次谐波电流为7.75%。

5.1.4 "11次谐波补偿仿真

补偿前M座电流THD为12.77%，其中11次谐波电流为11.98%，补偿后M座电流THD为10.85%，其中11次谐波电流为9.85%。

5.2 "综合补偿

5、7、9、11次谐波电流均设定为并联侧额定电流的3%，仿真结果见表5。

6 "结论

本文通过对单相三相对称变换的原理进行了分析和仿真验证，然后根据功能要求搭建了系统仿真模型，对同相供电装置的功能进行了仿真验证。同相供电装置需具有一定的谐波抑制功能，对牵引负荷的低次谐波具有一定的滤波功能。

本文通过对同相供电装置H桥串并联方案中变流器进行研究及仿真，论证了SCOTT变压器在运行过程中，当M座与T座负载在功率不相同，功率因数相同时，负载电流最小（即只能降低负序电流，而不能完全消除负序电流）；当M座与T座视在功率相等，且功率因数相同时，110 kV侧的负序电流为零。本文为城市轨道交通交流供电同相供电装置的设计提供了理论依据和设计思路。

参考文献：

[1] 于松伟，杨兴山，韩连祥，等.城市轨道交通供电系统设计原理与应用[M].成都：西安交通大学出版社，2008.

[2] 于松伟，韩连祥，陈德胜.城市轨道交通供电系统设计管理与服务[M].成都：西安交通大学出版社，2019.

[3] 吴飞.城市轨道交通交流27.5 kV同相供电装置安装、调试技术研究[J].中国高新科技，2023（22）：74-76.