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基于三相-单相电力电子变压器的牵引供电系统负载不平衡、无功和谐波潮流分析
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将三相-单相电力电子变压器应用于贯通式同相供电系统,对比计算了传统变压器、电力电子变压器的单相侧和三相侧之间负载不平衡、无功和谐波的潮流关系。基于三电平电路研究了隔离DC-DC变换器和多模块级联整流器的控制方法:整流器采用有功无功解耦控制,实现了三相网侧单位功率因数运行;隔离DC-DC变换器采用双边三电平控制,减小了流过中频变压器电感电流有效值。仿真和实验结果验证了基于三相-单相电力电子变压器的贯通式同相供电系统可有效消除负载不平衡、无功和谐波对三相电网电能质量的不良影响,系统动静态性能良好。
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第 39 卷 第 11 期
2019 年 11 月
电 力 自 动 化 设 备
Electric Power Automation Equipment
Vol.39 No.11
Nov. 2019
基于三相-单相电力电子变压器的牵引供电系统
负载不平衡、无功和谐波潮流分析
闫 晗
1
,舒泽亮
1
,姚家煊
1
,陈亚军
2
,马俊扬
1
,杜玉亮
3,4
(1. 西南交通大学 电气工程学院,四川 成都 610031;2. 国网遂宁供电公司,四川 成都 629000;
3. 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所,北京 100081;
4. 北京纵横机电科技有限公司,北京 100081)
摘要:将三相-单相电力电子变压器应用于贯通式同相供电系统,对比计算了传统变压器、电力电子变压器的
单相侧和三相侧之间负载不平衡、无功和谐波的潮流关系。基于三电平电路研究了隔离 DC-DC 变换器和多
模块级联整流器的控制方法:整流器采用有功无功解耦控制,实现了三相网侧单位功率因数运行;隔离 DC-
DC 变换器采用双边三电平控制,减小了流过中频变压器电感电流有效值。仿真和实验结果验证了基于三
相-单相电力电子变压器的贯通式同相供电系统可有效消除负载不平衡、无功和谐波对三相电网电能质量的
不良影响,系统动静态性能良好。
关键词:三相-单相电力电子变压器;贯通式同相供电系统;电能质量;潮流计算
中图分类号:TM 41;TM 922.3 文献标志码:A DOI:10.16081/j.epae.201909045
0 引言
目前,我国电气化牵引供电系统多用异相供电
方式
[1]
。异相牵引供电系统通过平衡变压器将机车
负载接入三相电网,由于各供电臂电压相位、幅值等
的差异,通常设置过分相对各相进行隔离。异相供
电会造成较为严重的电能质量问题,如谐波、无功、
负序以及电压波动与闪变等
[2‐4]
。平衡变压器两副
边绕组只有在负载完全相同时,网侧三相电流才对
称
[1,5]
。由于牵引负载的随机性和不确定性,平衡变
压器的原边电流通常存在很大的电能质量问题。虽
然目前已有多种装置对原边电流进行补偿
[6‐8]
,很大
程度上解决了原边电流的不平衡问题,但是牵引变
压器的个性差异并不能取消牵引变电所间的电
分相。
电力电子变压器技术可以通过控制电压幅值和
相位实现对电压、电流和功率的灵活控制,从而达到
提高电能质量的目的
[9]
。应用于牵引供电系统的电
力电子变压器研究受到了学者的广泛关注
[10‐12]
。但
是,面向牵引供电系统的电力电子变压器系统的潮
流分析还未得到深入研究。
本文将三相-单相电力电子变压器应用于贯通
式同相供电系统,该系统彻底取消了工频隔离变压
器,能有效实现三相与单相之间的隔离和功率控制,
同时消除了牵引负载无功、谐波和不平衡对三相电
网的影响。对牵引供电系统的电力电子变压器系统
进行负载不平衡、无功和谐波潮流分析,仿真和实验
结果验证了理论分析的正确性。
1 三相-单相交流多端口变压器结构
本文研究的三相-单相电力电子变压器结构如
附录中图 A1 所示,由高压级联整流端口 1、中间隔离
DC-DC 变换级、单相逆变输出端口 2组成。端口 1与
三相电网相连,每个级联模块为 DC-DC 变换器提供
独立的直流电源。隔离 DC-DC 变换器实现高压端
口和低压端口之间的潮流双向控制、电气隔离和电
压变换。单相级联端口 2 为牵引供电输出端,连接
贯通式同相供电牵引母线。
三相-单相变压器单模块电路采用如图 1 所示
的基于中性点箝位 NPC(Neutral Point Clamped)的
电路拓扑,可成倍提高单模块端口电压和功率等级。
整流器为二极管箝位三电平全桥结构,隔离 DC-DC
变换器采用基于中频变压器 MFT(Medium Frequen‐
收稿日期:2019-01-22;修回日期:2019-08-11
基金项目:中国铁道科学研究院集团有限公司科研项目(1851-
ZH1603)
Project supported by the Science and Technology Founda‐
tion of China Academy Railway Sciences Corporation Limi-
ted(1851ZH1603)
图 1 三相-单相交流多端口变压器单模块电路拓扑
Fig.1 Topology of single module in three-phas e to
single-phase power electroni c tr ansformer
电 力 自 动 化 设 备
第 39 卷
cy Transformer)的二极管箝位三电平半桥双向 DC-
DC 电路。低压逆变侧的单相逆变器的电路拓扑与
高压整流级相同。
2 负载不平衡、无功和谐波潮流分析
定 义 高 压 端 口 三 相 电 压 和 电 流 分 别 为
U
A
=
U
A
e
jφ
Au
、U
B
=U
B
e
jφ
Bu
、U
C
=U
C
e
jφ
Cu
和 I
A
=I
A
e
jφ
Ai
、I
B
=I
B
e
jφ
Bi
、
I
C
=I
C
e
jφ
Ci
。异相供电系统中,以斯科特变压器为例,
假设牵引侧 α 相、β 相电流分别为 I
α
=I
α
e
jα
i
、I
β
=I
β
e
j β
i
,
牵引侧 α 相、β 相电压分别为 U
α
=U
α
e
jα
u
、U
β
=U
β
e
j β
u
。
α 相阻抗角
α
z
=α
u
-α
i
,β 相阻抗角
β
z
=β
u
-β
i
。变压器
在 ABC 坐标系和 αβ0 坐标系下具有如附录中图 A2
(a)所示的相量关系。
三相-单相变压器通过 DC-DC 变换器连接高压
端口和低压端口,能够有效地消除负载无功和谐波
对高压端口的影响。假设牵引负载电压 U=Ue
jθ
u
,电
流 I=Ie
jθ
i
,阻抗角 θ=θ
u
-θ
i
。三相-单相变压器在 ABC
坐标系和 αβ0 坐标系下的相量关系如附录中图 A2
(b)所示。
斯科特变压器高压端口和低压端口的电压、电
流关系较为复杂,难以实现网侧三相平衡和单位功
率因数运行,而三相-单相变压器高压端口和低压端
口的电压、电流关系较为简单,容易实现对高压端口
电压、电流的控制。
2.1 负载不平衡对网侧电流不平衡的影响
根据文献[13]的斯科特变压器模型,可推导出
斯科特变压器的不平衡度为:
ε =
I
1
I
2
=
M
2
+ 1 - 2Mcos
( )
α
z
- β
z
M
2
+ 1 + 2Mcos
( )
α
z
- β
z
(1)
其中,
I
1
为正序电流有效值;
I
2
为负序电流有效值;M
为牵引网 α相、β 相的电流之比,
M = I
α
/I
β
。
根据式(1)绘制斯科特变压器不平衡度 ε 与 M、
α
z
-β
z
之间的特性曲线,如图 2(a)所示。由图可见,
当且仅当 M =1 且 α
z
-β
z
=0 时,斯科特变压器的不平
衡度才能达到 0。当 M 和 α
z
-β
z
变化时,原边电流的
不平衡度将急剧增大,严重影响三相电网的电能质
量。而三相-单相电力电子变压器的高压交流端口
和低压交流端口通过隔离 DC-DC 变换器实现完全
解耦,交流端口 2 可以等效于端口 1 的阻性负载,因
此可以控制实现
I
A
= I
B
= I
C
,则网侧不平衡度为
ε=
I
1
/I
2
=0
。总之,基于三相-单相电力电子变压器的牵
引供电系统可实现牵引负载不平衡度的完全抑制,
三相电网将不存在电流不平衡问题。
2.2 负载无功对网侧无功的影响
假设
U
α
=U
β
=U,I
α
=I
β
=I,α
u
=0°,β
u
=90°,
则牵引
负载在三相电网产生的无功功率 Q
A
、Q
B
、Q
C
为:
ì
í
î
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
ï
Q
A
=
UI
3
[ ]
sin(60°+α
z
)- 3 sin
( )
30°-β
z
Q
B
=
UI
3
[ ]
sin(α
z
-60° )- 3 sin
( )
30°+β
z
Q
C
=
2UI
3
sin α
z
(2)
根据式(2)可绘制三相无功功率与负载阻抗角
的特性曲线如图 2(b)—(d)所示,图中 Q
A
、Q
B
、Q
C
为
标幺值。可以看出,当且仅当 α
z
= 0 且 β
z
= 0 时,斯科
特变压器在 A、B、C 三相产生的无功功率才均为 0,
否则至少有一相存在无功分量。
与 2.1 节分析类似,三相-单相变压器采用 DC-
DC 变换器连通高压端口和低压端口的潮流。如果
高压级联整流器采用 dq 解耦控制可实现端口 1的单
位功率因数运行,则三相无功功率分别为 Q
A
= 0、
Q
B
= 0、Q
C
= 0。因此,负载侧的无功潮流不会影响高
压三相端口 1 的功率因数。
2.3 负载不平衡对网侧无功的影响
根据斯科特变压器的特性,三相无功不仅受
负载无功的影响,也与负载不平衡有关。假设 U
α
=
U
β
= U,
α
u
=
α
i
= 0°,
β
u
=
β
i
= - 90°则负载传递到端口
1 的无功功率为:
ì
í
î
ï
ï
ï
ï
Q
A
= 3 U
( )
I
α
-I
β
Q
B
= 3 U
( )
I
β
-I
α
Q
C
=0
(3)
由式(3)可见,负载不平衡不仅会造成网侧不平
衡,还会分别在三相端口 1 产生一定的无功分量。
三相无功与 α 相
、
β 相电流的关系如图 3(a)所示。
随着不平衡电流的增加,端口 1 的 A、B 两相的无功
分量也将随之增加,但 C相无功电流始终为 0。
图 2 2 种变压器不平衡度与无功的特性曲线
Fig.2 Characteristic curves of unbalance degree an d
reactive power of two transformers
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