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同相供电系统潮流控制器容量的优化配置

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首先建立了潮流控制器(PFC)综合补偿的数学模型,给出了针对任意三相-两相接线变压器的PFC综合补偿电流的通用表达式；进而提出了以牵引变电所完全补偿和满意补偿为目标的PFC容量综合配置方法.利用3种不同的牵引负荷,分别对按照2类补偿目标设计的PFC容量综合配置方案进行分析和比较.实例分析表明,采用文中所提出的配置方法,PFC可在负荷周期内满足满意补偿的目标,显著降低了自身的工程造价,同时实现了对装置容量的充分利用.

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V01．37

Arp．25，2013

No．8

第37卷第8期

电力系统自动化

Automation of Elec仃ic Power

Systems

2013年4月25日

DOI：10．7500／AEPS201202104

同相供电系统潮流控制器容量的优化配置

张丽艳，李群湛，易东，周福林，邱大强

(西南交通大学电气工程学院，四川省成都市610031)

摘要：首先建立了潮流控制器(PFC)综合补偿的数学模型，给出了针对任意三相一两相接线变压器

的PFC综合补偿电流的通用表达式；进而提出了以牵引变电所完全补偿和满意补偿为目标的PFC

容量综合配置方法。利用3种不同的牵引负荷，分别对按照2类补偿目标设计的PFC容量综合配

置方案进行分析和比较。实例分析表明，采用文中所提出的配置方法，PFC可在负荷周期内满足

满意补偿的目标，显著降低了自身的工程造价，同时实现了对装置容量的充分利用。

关键词：牵引供电系统；潮流控制器；补偿容量；无功补偿；负序补偿

技术，采用背靠背交直交变流器构成，称之为潮流控

制器(PFC)。文献[7—11]研究了同相供电方案与

PFC控制策略。本文首先建立了PFC综合补偿的

引言

目前，国内改善电气化铁路电能质量的有效措

施主要有如下几个方面。①改进电力机车。交直交

数学模型，给出针对任意三相一两相接线变压器的

PFC综合补偿电流的通用表达式；进而提出了以牵

引变电所完全补偿和满意补偿为目标的PFC容量

综合配置方法，利用3种不同的牵引负荷，分别对按

照2类补偿目标设计的PFC容量综合配置方案进

行分析和比较。

电力机车的使用，极大地减小了网侧电流低次谐波

含量，提高了机车的功率因数。②优化牵引供电方

式。通过牵引变电所轮流换相接入系统或采用平衡

变压器，抑制牵引变电所注人系统的负序电流。

③装设补偿装置。利用已经相对成熟的补偿技术，

对电气化铁路牵引供电系统进行谐波、无功、负序电

流综合治理。目前，国内的补偿装置有静态无功补

偿、动态无功补偿，以及有源和无源混合滤波器等。

④同相供电技术。同相供电是指一条电气化铁路全

线牵引变电所输出电压均采用相同相位，理想情况

下可以实现全线贯通供电。同相供电系统通过牵引

变压器和对称补偿装置相结合，实现三相到单相的

对称变换，不仅可以从根本上解决电气化铁路的谐

波、无功、负序电流问题，而且可以解决牵引网的电

分相问题，有利于重载和高速牵引，提高电气化铁路

的运输能力，是电气化铁路电能质量治理较理想的

同相供电系统结构

随着现代电力电子技术的不断发展，采用功率

半导体器件构成的PFC为同相供电系统实现综合

补偿提供了一种新的选择。基于PFC的同相牵引

供电系统中，牵引变压器既可采用平衡接线牵引变

压器(如Scott变压器、阻抗匹配平衡变压器、YNvd

变压器)，也可采用非平衡接线牵引变压器(如Vv

变压器和YNdll变压器)。PFC由2套“背靠背”

静止无功发生器(SVG)组成L1“2I。由三相一两相接

线牵引变压器和PFC构成的同相供电系统如图1

所示。

措施[1。5]。国内首套电气化铁路同相供电装置已在

成都铁路局眉山牵引变电所成功投入运行，目前已

经有多条线路开展同相供电的方案论证和设计，有

望在不久的将来实现同相供电的产业化。

同相供电技术的关键是对称补偿装置容量的设

计，文献[4，6]提出了基于无源对称补偿的同相供

电。国内首套同相供电装置采用的是有源对称补偿

收稿日期：2012—02—17；修回日期：2012一09—12。

国家科技支撑计划资助项目(2007BAAl2805)；铁道部科技

研究开发计划课题资助项目(2012J012一E)。

图l 同相牵引供电系统

tractiOn

pOwer

suppIy system

Fig．1

Co—phase

一59—

万方数据

力

动

电

最

统

自

代

(5)

PFC综合补偿原理

ilp+i2p—i印

联合式(1)、式(2)、式(4)和式(5)，可得

对于高速铁路，同相供电系统对称补偿的关键

ilp+i2p—i却

在于抑制负序电流[1“]。对于重载和普速电气化铁

路，因其无功、谐波、负序电流同时出现，PFC应首

先进行无功和负序电流的综合补偿，在此基础上再

利用PFC滤除谐波，由于相比而言滤波所需容量有

限，故同相供电对称补偿的关键是无功和负序电流

的综合补偿[1“]。

ilq+i2q一(1一Kc)i岫

cos(2妒l ilp)一sin(2驴l ilq)+cos(2驴2i2p)一

sin(2如iz。)一(1一KN)(c。s(2 ，i-一p)一

sin(2妒1 ik))

(6)

sin(2妒1ilp)+cos(2驴1ilq)+sin(2如i2p)+

cos(2如i2。)一(1一KN)(sin(2妒li却)+

cos(2妒1也))

暂不考虑牵引变压器的具体接线形式。设

PFC所在的牵引变压器输出端口分别为1和2，牵

引负荷由端口1与供电臂相连。

求解式(6)并结合式(3)，可得PFC两端口提供

的有功和无功补偿电流为：

补偿后系统的无功功率满足式(1)：

(1)

sin妒1+i2sin妒2一(1一Kc)iLq

如，-o．5昧一盟甍韶等型i功

式中：ih为牵引负荷电流的无功分量；i。和i：分别

KNcos(驴1一也)．．Kc+KN．

为牵引变压器二次端口输出电流；纯和仍分别为

牵引变压器二次端口电流滞后端口电压的功率因数

角；K。为安装PFC系统后无功补偿量(下降量)与

k1。一一百五獗可2。一十—可一2岫

如，一一。．sKNi却一g垒L云篆毫茅铲

原有负荷无功功率的比值，且K。 [o，1]瞳]。

补偿后负序电流满足式(2)：

KN—Kc．

KNcos( 1一亿)．

“加

～

zc2q一_ii万产—■i●弋一2L户一——百一2岫

2sin(驴1一亿)“’

(7)

；了一圭K(i1e_j(2pl+Pl’+i2e_j(2如+吃’)一

完全补偿的PFC容量配置

同相供电装置的补偿效果与设计的补偿容量密

切相关。如果要实现负荷周期内完全补偿无功和负

序电流，则补偿装置的容量将直接取决于负荷周期

内的极端负荷。下面分平衡类变压器和非平衡类变

压器讨论。

若实现无功和负序电流的完全补偿，应满足

K。一1，K。一1。将该条件代入式(7)，并分别代入

2种类型牵引变压器输出端口的接线角，本文设平

衡类接线牵引变压器超前相输出端口为妒。一口，滞

后相输出端口为如一日+90。；非平衡类接线牵引变

压器超前相输出端口为。一目，滞后相输出端口为

也一臼+120o[1I。且设牵引负荷置于超前相端口。

则采用平衡接线和非平衡接线牵引变压器时的

PFC总补偿容量s，和s：分别为：

的比值，且K。 [o，1][2】。

s1一uL(i。1+i。2)一uL[~／(o．5i却)2+i乙+

阵搿

(8)

~／(一o．5iL。)2]

净_22∞8驴2

(4)

52一UL(i。l+i。2)一

u。怍甄。2+(卜去也)2+

巨黧翼

√c_o．s吐H(去。)2]

以牵引负荷功率5。一U。i。分别除以式(8)和

万方数据

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