利用電力電子技術(shù)構(gòu)建的新型牽引供電系統(tǒng)

1、工業(yè)應用利用電力電子技術(shù)構(gòu)建的新型牽引供電系統(tǒng)張秀峰，連級三（西南交通大學電氣工程學院，四川成都）摘要：由于當前牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的特殊性，存在著諧波、無功、負序、通信干擾、“過電分相”等其自身無法解決的問題。其中“過電分相”還對高速鐵路的安全、可靠運行構(gòu)成了威脅。文章提出了利用電力電子技術(shù)和不同接線方式的變壓器以及牽引網(wǎng)構(gòu)成的新型牽引供電系統(tǒng)。新系統(tǒng)采用了供電方式，具有綜合經(jīng)濟技術(shù)性能優(yōu)越的通信防護效果，利用電力電子技術(shù)濾除了諧波、補償了無功、消除了系統(tǒng)不平衡，實現(xiàn)了同相供電，解決了過電分相問題。分析仿真證實新型牽引供電系統(tǒng)不但可以解決當前牽引供電系統(tǒng)所存在的問題，且可以提高供電的質(zhì)量與效率，

2、增強供電的可靠性與安全性。關(guān)鍵詞：電力電子技術(shù)；牽引供電系統(tǒng)；平衡變換；同相供電；電氣化鐵道中圖分類號：文獻標識碼：文章編號：（）New Traction Power Supply System Constructed byPower Electronic Technology，(School of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University, Chengdu, Sichuan 610031,China)Abstract: Because of particularities in traction power supply sys

3、tem, the defects of harmonics, reactive power, negative,communicationjamming and crossing neutral sections are exist.Crossing neutral sections also affect high speed railway in safe and reliability. Power electronictechnology, transformers with different connections and new traction power supply sys

4、tem constructed by AT traction mode are presented.AT supply mode is employed for the new system, which has superior general econmic technology indicator in communication defense.Harmonics are removed, reactive power is compensated and unbalance is eliminated by power electronic technology. It realiz

5、es cophase powersupply, solves the problems in crossing neutral sections. The simulation verifies that this system not only can resolve those problems inpresent system,but also improve supply quality and efficiency, enhance reliability and safety.Key words: power electronic technology; traction powe

6、r supply system; balance transform; cophase supply; electric railway收稿日期：作者簡介：張秀峰（），男，教授，主要從事供電系統(tǒng)理論與綜補償方面的研究工作；連級三（），男，教授，主要從事電力電子與電力傳動，磁浮列車技術(shù)方面的研究工作。利用電力電子技術(shù)構(gòu)建的新型牽引供電系統(tǒng)器件的容量和開關(guān)頻率不斷提高，其控制手段也不斷完善，在諧波抑制和無功補償方面得到了廣泛應用并取得了很好的效果。基于電力電子技術(shù)構(gòu)建新型牽引供電系統(tǒng)，不僅可以濾除諧波、補償無功、實現(xiàn)三相平衡供電，提高供電的質(zhì)量與效率，更重要的是可以取消分相絕緣器，實現(xiàn)同相供電，解

7、決“過電分相”所帶來的嚴重問題，提高供電的安全性和可靠性?，F(xiàn)有牽引供電系統(tǒng)的主要問題當前電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)普遍采用單相工頻交流制，因為這種制式具有很多的優(yōu)點和較明顯的經(jīng)濟效果，但它同時也存在著許多亟待研究解決的問題，主要是：系統(tǒng)三相嚴重不平衡交流電氣化鐵道牽引負荷電力機車為變化頻繁的單相負荷，在電力系統(tǒng)中產(chǎn)生較大的負序電流，造成三相嚴重不平衡。不平衡程度與牽引負荷的大小和變電所主變壓器接線形式有關(guān)。表給出系統(tǒng)電流不對稱度與牽引變電所的接線方式、供電臂負荷狀況之間的關(guān)系。從表中可以看出，當兩個臂負荷完全相同時，采用平衡變換的變壓器可以實現(xiàn)三相完全平衡，這是采用平衡變壓器的優(yōu)勢。而采用其他接線

8、方式時，電流不對稱程度仍很嚴重。但是由于牽引負荷的隨機性，兩臂同時有負荷的機率很小，即使有也由于機車類型和機車工作狀態(tài)的多樣性，多數(shù)情況下兩臂負荷有顯著不同。所以無論采用何種接線方式，一般情況下三相總是嚴重不平衡。表電流不對稱度與接線方式、負荷狀況的關(guān)系，接線方式單相接平衡接其中：負序電流正序電流，為電流不對稱系數(shù)；表示供電臂負荷狀況，當時表示兩供電臂負荷大小相等，時表示僅一個供電臂有負荷。換相聯(lián)接帶來的問題為了減輕系統(tǒng)三相不平衡狀況，電氣化鐵道各變電所依次輪換接入不同相別，稱為“換相聯(lián)接”。換相聯(lián)接后任意個異相供電臂都有相同負荷時，系統(tǒng)總負序電流為零，但這種情況在實際運行中幾乎不存在，多數(shù)情

9、況下個異相供電臂負荷顯著不同，由此換相聯(lián)接對三相不平衡改善程度受到限制。此外換相聯(lián)接后各供電區(qū)必須用分相絕緣器分隔，而分相絕緣器的使用存在使電力機車安全平穩(wěn)通過存在較大隱患，制約了高速、重載鐵路的發(fā)展：（）分相和分段絕緣器不論在電氣上還是在機械上都是薄弱環(huán)節(jié)，當重載、高速列車通過時，由于絕緣器形成的硬點對受電弓構(gòu)成嚴重威脅，同時絕緣器也常因拉弧而燒損。（）一般沿電氣化鐵道每設(shè)一牽引變電所，左右設(shè)一“電分相”。若列車以的速度行駛，則每就要過一次“電分相”。每當過“電分相”時，機車都需要提前退級、斷電，并依靠慣性滑過“電分相”。待過去之后再重新給電、進級行駛。這給機車司機的操作帶來了很大困難，對于

10、高速列車，人工操作幾乎是不可能的。（）高速鐵路“電分相”處一般有左右的無電區(qū)，電力機車只能靠慣性通過。當“電分相”處于上坡的長大坡道線路時，機車牽引滿載的列車通過“電分相”就十分困難，俗稱“闖八跨”。目前解決“闖八跨”問題的一般方法是在“電分相”處裝設(shè)自動過分相轉(zhuǎn)換裝置，但裝置復雜，且因電壓高、轉(zhuǎn)換動作頻繁，使其準確性和可靠度在應用中受到嚴峻挑戰(zhàn)，至今在使用中的技術(shù)缺陷依然存在，更重要的是裝有自動過分相裝置并不能解決系統(tǒng)不平衡問題。諧波與無功問題我國電氣化鐵道運行的交直整流器電力機車是一種非線性、低功率因數(shù)負荷，將對牽引供電系統(tǒng)和電力系統(tǒng)注入各次諧波電流，成為一種諧波源。電力機車不同工況下，牽

11、引負荷電流相位角（相對于牽引網(wǎng)電壓）的變化幅度較大，致使功率因數(shù)偏低。當機車處于再生制動工況時，機車電流反饋牽引網(wǎng)，電流相位角為滯后°°；機車過電分相產(chǎn)生激磁涌流，可視為純感性電流，相位角接近滯后°；機車處在其他工況時，相位角為°°（功率因數(shù)為）；而在牽引網(wǎng)短路故障時，故障電流相位角為滯后°°。正常工況下相位角的大幅度變化和牽引負荷電流動態(tài)的劇烈波動，加大了有效補償無功功率的難度。采用電力電子技術(shù)構(gòu)建的新型牽引供電系統(tǒng)新型牽引供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)解決現(xiàn)有牽引供電系統(tǒng)存在的問題的方法主要有種：一種是采用無源對稱補償技術(shù)；另一種是采用

12、電力電子技術(shù)。后者可以得到較好的動態(tài)平衡與補償效果，其結(jié)構(gòu)如圖所示。其中，為同相牽引變電所，它主要由牽引主變壓器和平衡變換裝置（圖中用表示）構(gòu)成，其作用是：（）變壓；（）平衡變換；利用電力電子技術(shù)構(gòu)建的新型牽引供電系統(tǒng)（）補償負載無功和諧波。變壓的任務主要由牽引主變壓器完成，當前常用變壓器的接線方式有接線、接線、平衡變壓器接線（包括阻抗匹配平衡變壓器，變壓器，三相變四相變壓器）等多種。平衡變換與濾除諧波、補償無功的任務主要由平衡變換裝置完成，平衡變換裝置的核心部分可以由三相三橋臂變流器、三相四橋臂變流器或兩“背對背”單相變流器等構(gòu)成。由于各變電所采用了相同的結(jié)構(gòu)，所以各供電區(qū)段電壓大小相同、相

13、位一致，可取消分相絕緣器實現(xiàn)同相供電?？紤]供電靈活性和可靠性等原因可設(shè)分段斷路器（圖中和）。平衡變換、濾除諧波和補償無功的原理與有源濾波器濾除諧波、補償無功的原理是一樣的，也就是通過實時檢測負載中的諧波、無功電流和三相不平衡電流，生成包括諧波、無功和不平衡電流的綜合補償電流參考量，根據(jù)綜合補償電流參考量控制有源濾波器輸出綜合補償電流，以補償負載的諧波、無功并實現(xiàn)三相平衡。平衡變換裝置與有源濾波器本質(zhì)上是一樣的，通常的有源濾波器主要是用于抑制諧波和補償無功，而同相供電系統(tǒng)的平衡變換裝置還有一重要功能是實現(xiàn)平衡變換。同相牽引變電所的結(jié)構(gòu)同相牽引變電所的結(jié)構(gòu)與主變壓器的接線方式、平衡變換裝置的結(jié)構(gòu)以

14、及變壓器、平衡變換裝置和牽引網(wǎng)三者的連接方式有關(guān)。由于變壓器接線方式和平衡變換裝置結(jié)構(gòu)以及變壓器、平衡變換裝置和牽引網(wǎng)三者的連接方式有多種，所以同相牽引變電所也有多種接線類型。若以平衡變換裝置的結(jié)構(gòu)分類有：三相三橋臂變流器結(jié)構(gòu)、三相四橋臂變流器結(jié)構(gòu)和兩“背對背”單相變流器結(jié)構(gòu)。兩單相變流器變電所結(jié)構(gòu)由兩單相變流器構(gòu)成的同相牽引變電所結(jié)構(gòu)如圖所示。圖中虛框為主變壓器，它可以采用三相變四相平衡變壓器，阻抗匹配平衡變壓器、變壓器以及接線等構(gòu)成。圖中實框為平衡變換裝置，其結(jié)構(gòu)如圖所示。它是由兩單相變流器共用一套直流電源“背對背”連接而成。圖Fig.1同相牽引供電系統(tǒng)Cophase AT tractio

15、n power supply system利用電力電子技術(shù)構(gòu)建的新型牽引供電系統(tǒng)（）主變壓器可采用平衡變壓器，也可采用接線的單相變壓器。采用平衡變壓器造價高但變壓器和平衡變換裝置的容量利用率也高；采用接線單相變壓器造價低，但變壓器和平衡變換裝置的容量利用率也低。另外，接線和接線一次側(cè)無中性接地點，對于要求中性點接地的場合，必須采用阻抗匹配平衡變壓器或三相變四相平衡變壓器。三相三橋臂變流器變電所對于接線、“”形（包括、）接線供電系統(tǒng)，若僅補償負序，三相補償電流對稱，此時可采用三橋臂變流器構(gòu)成的平衡變換裝置。由于這種系統(tǒng)中的接線二次側(cè)有個端子，而接線、接線和接線二次側(cè)有個端子，所以平衡變換裝置也應

16、有種接入方式：一種是通過變壓器接入系統(tǒng)，主要用于、和接線系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)見圖（）所示；另一種通過個單相變壓器接入系統(tǒng)，可用于接線系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)見圖（）所示。采用三橋三端子變流器的同相牽引變電所的結(jié)構(gòu)，見圖所示。其中圖（）主變壓器采用了雙繞組接線，主變壓器變比為；圖（）主變壓器采用了接線。采用三橋四端子變流器的同相牽引變電所接線與圖相似，只不過主變壓器為接線，平衡變換裝置為三相三橋四端子結(jié)構(gòu)。同樣對平衡變換裝置適當控制，也能實現(xiàn)三相平衡變換并能濾除諧波、補償無功，解決現(xiàn)有牽引供電系統(tǒng)所存在的問題，其主要特點是：（）變壓器造價低，系統(tǒng)投資少，維護方便；當平衡變換裝置出故障時，不影響正常供電，但系統(tǒng)將失去

17、平衡能力；當系統(tǒng)僅補償負序電流時，三相橋臂電流是均衡的；而當需要補償無功和諧波電流時，三相橋臂電流不均衡，這時平衡變換裝置的容量無法得到充分利用。（）采用接線變壓器時，一次側(cè)中性點可方便接地，但變壓器需要特制，因為在我國沒有的接線變壓器，同時為了引出接鋼軌的中抽頭，需要在變壓器端子間接一臺自耦變壓器；采用接線時，一次側(cè)不能提供中性接地點，但不需要在變壓器端子間接自耦變壓器，可方便引出接鋼軌的中抽頭?；谌嗨臉虮圩兞髌鞯慕Y(jié)構(gòu)構(gòu)建對于供電方式的牽引供電系統(tǒng)，若采用變比為的接線雙繞組變壓器時，則需要兩臺接成十字交叉接線（圖）。顯然這種結(jié)構(gòu)的牽引供電系統(tǒng)同樣存在諧波、無功、負序和過電分相等問題。若在

18、該接線基礎(chǔ)上直接加平衡補償裝置，也能使這些問利用電力電子技術(shù)構(gòu)建的新型牽引供電系統(tǒng)題得到解決。但接線過于復雜，調(diào)試維護不便，平衡補償裝置也不會因為變壓器數(shù)量多而節(jié)省容量。若減少一臺工作變壓器，將一臺接變比為的變壓器、牽引網(wǎng)和四橋臂變流器有機結(jié)合，可以構(gòu)成性能優(yōu)越的新型牽引供電系統(tǒng)（圖）。其中為使各變電所輸出同相位的電壓，取消分相絕緣器，實現(xiàn)同相供電，并能達到三相完全平衡，同時濾除諧波和無功。該方案的特點是：以三相四橋臂變流器為核心的平衡變換裝置，其結(jié)構(gòu)如圖所示。同樣，通過對平衡變換裝置適當控制，能夠利用電力電子技術(shù)構(gòu)建的新型牽引供電系統(tǒng)（）一次側(cè)電流（）（）二次側(cè)電流（）圖新型同相供電系統(tǒng)原次

19、邊電流波形（）原系統(tǒng)電流頻譜（）（）新系統(tǒng)電流頻譜（）圖一次側(cè)電流頻譜圖平衡補償電流波，電流諧波總畸變率為。圖是平衡變換裝置提供的補償電流，個補償電流不平衡，但大小基本接近。電流波形，三相電流基本對稱，并與相電壓同相位，電流不對稱度（負序與正序基波電流之比）約為，基本不含有諧波和無功。圖（）、（）分別為原系統(tǒng)和新型同相供電系統(tǒng)一次側(cè)電流頻譜，平衡補償前電流中含有大量諧波，；而平衡補償后電流中，僅含有少量的諧結(jié)語電力電子技術(shù)與不同接線方式的變壓器相結(jié)合，可以構(gòu)建多種新型同相牽引供電系（下轉(zhuǎn)第頁）基于磁鏈函數(shù)的無刷直流電機轉(zhuǎn)子位置檢測法研究，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：，（）：董富紅，沈艷霞，紀志成永磁無刷直流電機無位置傳感器估計方法綜述微電機，（）：萬文斌，黃夫陽無刷直流電機無位置傳感器的一種新型控制方案電機技術(shù)，（）：楊影無刷直流電機無位置傳感器控制技術(shù)研究同濟大學，（上接第頁）統(tǒng)。通過仿真證實這些新型同相牽引供電系統(tǒng)都能濾除諧波、補償無功、消除三相不平衡。因此各變電