摘要：針對目前電氣化鐵道AT或直供系統中普遍存在的負序、諧波和功率因數低等電能質量問題，提出了一種基于YN_接線平衡變壓器的電氣化鐵道電能質量綜合治理系統.該系統充分挖掘了YN_型牽引變壓器二次側可帶三相系統的潛能，在無需降壓變壓器的情況下，實現了三相全橋型有源功率調節系統和主牽引變壓器的融合.給出了該系統的構成方式，分析了該系統補償負序、諧波和無功的基本原理，提出了電流檢測和控制方法.根據實際變電站參數和實測牽引負荷數據建立了該系統的仿真模型.仿真結果表明所提系統具有良好的負序、諧波和無功補償性能.

　　關鍵詞：科技類核心期刊發表,負序,諧波,平衡變壓器,電氣化鐵道,電能質量治理

　　A Comprehensive Improvement System for Electric Railway

　　Power Quality Based on YN_ Balance Transformer

　　ZHANG Zhiwen，CHEN Mingfei， XU Jiazhu，HU Sijia，LI Zhiyu，YANG Dan

　　(College of Electrical and Information Engineering， Hunan Univ， Changsha， Hunan410082，China)

　　Abstract：A novel power quality conditioning system based on the YN_ balance transformer to improve the power quality， such as negative sequence， harmonic and lower power factor in electric railways with AT or direct power supply， was proposed. The system fully uses the potential of the traction transformer secondary side with threephase system， and it integrates the threephase fullbridge active power regulation system with the main transformer omitting stepdown transformer. The composition method of the system， the principle of the compensation of the negative sequence and harmonic and reactive power were described. The current detection and control methods were also proposed. According to the actual parameter and measured data in a substation， a system simulation model was built. The results indicate that the proposed system has excellent performance in the compensation of the negative sequence， harmonic and reactive power.

　　Key words：negative sequence; harmonic; balance transformer; electric railway; power quality improvement

　　鐵路運輸是國民經濟的大動脈，其快速發展將給經濟的增長帶來強勁動力和可靠保障.隨著電氣化鐵道的建設朝著重載貨運和高速客運方向發展，牽引機車的功率不斷增大，列車追蹤間隔進一步減小，電氣化鐵道所引起的電能質量問題發生了一些變化.對于韶山型機車和動車組混跑的線路，其負序、諧波和功率因數低仍然是比較嚴重的問題，而對于高鐵專線，其主要問題是負序問題.這些問題給牽引供電系統的進一步發展帶來挑戰，引起了國內外學者的廣泛關注[1-3].

　　考慮到成本因素，牽引變電所高壓側三相進線采用相序輪換技術是抑制負序最傳統的方法[4].但牽引網一旦建成相序無法再變更，缺乏靈活性是其主要缺點. 另一種方法是采用平衡變壓器.平衡變壓器是一種在電氣化鐵道牽引供電系統中廣泛使用的特種變壓器，它主要將三相制公共電力系統轉變成兩相制牽引供電系統，能完全消除一次側的零序電流，并具有一定的負序抑制能力，但該能力受到牽引負荷波動影響較大，負荷越不平衡其抑制負序的能力越差，故難以完全消除負序對電力系統的影響.對于諧波和無功，則采用LC無源濾波器，兼做無功補償.

　　針對上述無源治理方法的缺點，多種有源治理方法彌補了無源治理方法的不足.在眾多有源治理方法中，鐵路功率調節器(railway power conditioner，RPC)[5-7]無疑是其中最成功的.它通過對兩相基波有功負荷進行重新分配，并獨立補償各相的諧波和無功，能成功實現牽引變電站的負序、諧波和無功的綜合治理，并被部分牽引變電所采用、投入運行[8-9].但該系統由于采用了背靠背單相全橋型逆變器拓撲結構，其逆變器最高輸出電壓等于其直流側電壓，且共需8組功率器件，其直流電壓利用率有進一步提高的空間，功率器件的數目也可進一步減少.另一些背靠背結構的有源和無源混合型鐵路功率調節系統[10]也存在類似的問題.鑒于此，2004年，Sun等[11]提出了有源電能質量補償器(active power quality compensator，APQC)系統，該系統成功將三相全橋型有源系統應用在電氣化鐵道的電能質量綜合治理中，減少了功率器件的使用，同時也提高了直流電壓的利用率，但是該系統需要一臺結構復雜的SCOTT變壓器將主變和有源系統進行匹配，這將大大增加系統的投資成本，同時也降低了整個系統的可靠性. 　　為彌補上述各系統存在的不足，本文提出了一種基于YN_接線平衡變壓器[12]的電氣化鐵道負序和諧波綜合治理系統. 該系統充分利用了YN_平衡變壓器三相變三相的潛能.由于從YN_二次側a，c，b三抽頭引出的電力系統三相對稱，故整個系統中三相全橋型有源系統可直接與主變進行連接.與APQC相比，整個有源部分的電壓等級可以調節.由于省掉了降壓耦合變壓器，其投資將有較大降低，可靠性也將得到提高.此外，由于 YN_二次側兩相系統完全獨立，適用于電氣化鐵道的AT或直接供電方式.且兩相可以做不等容設計，對于兩相負載容量長期不同的牽引供電所來說，可以大大降低牽引變電站的運營成本.

　　1系統構成方式

　　基于YN_接線平衡變壓器的電氣化鐵道負序和諧波綜合治理系統如圖1所示.該系統由一臺YN_平衡變壓器和三相全橋有源功率調節系統組成，其中變壓器可作為牽引變電站的主牽引變壓器，既可以聯接鐵道的兩相負載，也可以用于牽引變電站內部三相電源的供電.其中三相全橋有源功率調節系統作為治理整個牽引變電站負序、諧波和無功的綜合治理裝置.主變壓器的三相負載端的電壓等級可以靈活進行設置，既可以滿足三相負載端的要求，也可以達到降低有源系統部分電壓等級的要求，從而達到經濟性和可靠性的平衡.

　　2系統補償原理

　　2.1YN_平衡變壓器基本結構

　　YN_平衡變壓器是一種基于國內外各種平衡變壓器而提出來的新型的平衡變壓器，此種變壓器的綜合材料利用率達到90.2%，既可以同時接兩相負載又可以同時接三相負載，兩相負載還可以做不等容量設計，在整個變壓器的設計中需要滿足如下繞組關系：

　　WA/Wa1=Wc/Wc1=K1，

　　WA/Wa2=Wc/Wc2=K2，

　　WB/Wb1=K2/2，

　　WA/Wa3=WB/Wb2=Wc/Wc3=K3.(1)

　　其中有3/K2+1/(3K3)=1/K1.

　　該型變壓器滿足繞組關系的同時要滿足低壓側三角形回路等值阻抗值相等.且兩相短路時，從高壓側觀測的三相等值阻抗值相等，即滿足：

　　Za3=Zc3=Zb2.(2)

　　2.2負序、諧波和無功補償原理

　　當變壓器只接有兩相機車負載時，一次側電流和二次側電流之間的關系為：

　　利用基爾霍夫電流定律(KCL)和磁勢平衡原理可得電流關系式為：

　　若利用此變壓器作為牽引供電所變壓器，對于兩相負載側接入負載，三相負載側接入三相全橋功率調節裝置，利用疊加定理，得

　　對兩相負載側的電流可以分解為基波有功分量和諧波無功分量，可以表示為：

　　式中：αp，βp為基波有功分量;*α，*β分別為基波無功分量和諧波分量之和.相量圖如圖3所示.

　　則一次側電流中只含有基波的有功分量，一次側電流中的諧波和無功分量被完全消除.此時一次側電流滿足：

　　只需調節三相負載端電流的大小便可以消除一次側的負序、諧波和無功分量，從而達到治理電氣化鐵道負序和諧波問題.

　　3綜合控制系統

　　3.1檢測部分

　　對于兩相供電臂電壓相位相差90°的諧波、無功和負序電流的檢測方法，本文采用文獻[13-14]中的檢測方法.該方法可以在電壓波形畸變的情況下檢測到電流中的諧波、無功和負序電流的分量，并將直流側電容電壓的控制輸出疊加到檢測環節中.當直流側電容電壓沒有穩定時，整個有源系統工作于整流狀態，對電容進行充電，當直流側電壓穩定時，系統工作于逆變狀態.其電流檢測原理如圖4所示.

　　α，β相負載電流的傅里葉分解表達式為：式中：Iαp，Iβp為基波的有功分量;Iαq，Iβq為基波的無功分量;∑ωk=2iαk，∑ωk=2iβ k為諧波分量.將式(13)中iα(t)，iβ(t)分別乘以電壓相位的同步值sinωt，cosωt，再將iα(t)sinωt，iβ(t)cosωt 相加，經過低通濾波器之后可以得到α，β相基波電流的平均值：

　　G=(Iαp+Iβp). (14)

　　再將G分別與sinωt，cosωt相乘，即可得到α，β相電流的理想平衡值.此理想值不含有諧波分量和無功分量，并且有效值大小相同，將實際電流值與理想電流值相減，便可以得到所需補償的電流值i*α(t)和i*β(t)：

　　i*α=iα(t)-(Iαp+Iβp)sin ωt，

　　i*β=iβ(t)-(Iαp+Iβp)cos ωt.(15)

　　3.2控制部分

　　根據圖1給出的系統拓撲結構，并運用基于瞬時無功功率的檢測方法來進行諧波、負序和無功電流的檢測，并采取動態響應速度快、魯棒性好的滯環控制進行整個系統的控制.控制框圖如圖5所示.

　　4仿真驗證

　　結合某一實際采用YN_接線平衡變壓器的牽引供電站的系統參數，本文利用Matlab/simulink仿真軟件搭建了該系統的仿真模型.兩相負載側輸出電壓等級為27.5 kV，三相負載側輸出電壓等級為10 kV，負載選用一組實測的負載數據，實測所選用的測量儀器為日置3198電能質量分析儀.

　　兩相負載分別選用重載機車和輕載機車，具體數據如表1所示.表2為系統仿真參數.由表1可知，α相負載機車少，β相負載機車多，整個兩相負載功率相差大，主要用于模擬負序電流較為嚴重的工況.仿真模型在0.1 s時投入三相全橋功率調節器，并在0.6 s切除α相負載.以此來驗證整個系統在定負荷及負載波動條件下系統的動態性能.

　　圖6為負載實測波形和仿真波形對比圖.圖6(a)的上圖為實測電壓波形，下圖為實測電流波形.圖6(b)和(c)分別為仿真的電壓和電流波形.由圖6可知，仿真波形與實測波形較為吻合.圖7為仿真波形對比圖. 　　圖7(a)給出了牽引變壓器一次側的電流波形，0.1 s前后的電流波形充分說明了，采用三相全橋功率調節器前后，三相負載電流基本對稱，一次電流畸變率由7.9%，3.0%，9.3%分別下降為 2.0%，1.9%，1.9%.圖7(b)給出了系統采用三相全橋功率調節器前后的電流不平衡情況，不平衡度ε由0.63下降為0.01，結果表明電流不平衡度得到有效改善.圖7(c)給出了一次側三相的功率因數λ，一次側A，B，C三相的功率因數分別0.97，0.89，0.43提升接近為1.圖 7(d)給出了系統運行過程中直流側電壓的變化情況，結果說明該系統具有良好的動態性能.

　　5結論

　　本文針對基于YN_平衡變壓器的電氣化鐵道牽引變電站，提出了一種采用三相全橋功率調節器的電氣化鐵道電能質量綜合治理系統，分析了該系統的構成及綜合補償原理，詳細分析了電流檢測及控制算法，并結合某牽引變電站實測負荷數據，對整個系統進行了仿真分析，仿真結果表明該系統能有效抑制牽引變電站一次側的負序和諧波電流，提高其受電端功率因數.

　　本系統充分挖掘了YN_平衡變壓器和三相全橋型功率調節器的潛能，利用YN_平衡變壓器二次側三相系統的對稱性實現了三相全橋型變流器與主牽引變壓器的結合，并成功對牽引變電站的負序、諧波和無功進行了綜合治理.由于該系統的三相全橋功率調節器的端電壓可以在設計變壓器的時候調節，而主變的阻抗匹配條件又較我國廣泛使用的阻抗匹配平衡變壓器[15]匹配條件更加具有靈活性，且在獲得更高的直流側電壓功利用率的前提下，功率器件的數量也較少，因此，該系統在獲得相同治理效果的條件將更具成本優勢，運行可靠性高，是一種具有較高綜合性能的電氣化鐵道負序與諧波綜合治理系統，工程應用前景廣闊.

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