组合式同相供电系统容量配置优化及分析.pdf

第４４卷第２３期２０１６年１２月１日电力系统保护与控制ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＶｂ１．４４ＮＯ．２３Ｄｅｃ．１．２０１６Ｄ０Ｉ：１０．７６６７／ＰＳＰＣ１５２０２１组合式同相供电系统容量配置优化及分析常文寰，王果（兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃兰州７３００７０）摘要：为优化组合式同相供电系统同相补偿装置的容量，在牵引变电所端口电气量分析的基础上，利用变压器平衡接线和对称分量法原理，对同相补偿装置和牵引变压器的相对容量１）、电网侧负序和无功功率关系进行了分析。通过分析组合式同相供电系统结构，得到牵引变压器容量、同相补偿装置容量、系统短路容量和负载容量之间的关系，进而求得组合式同相供电系统在完全补偿、满意补偿条件下的１值。分析表明，完全补偿时，８等于１。无功满意补偿时，高速铁路不设无功补偿，功率因数可满足国标；普速铁路根据负载功率因数设置无功补偿度。负序不平衡度满足国标时，根据短路容量和负载容量设计卢１。最后利用Ｍａｔｌａｂ软件仿真验证了该结果的正确性。关键词：组合式同相供电；补偿容量；负序补偿；功率因数；无功补偿ＯｐｔｉｍｉｚｉｎｇａｎｄａｎａｌｙｚｉｎｇｏｆｃａｐａｃｉｔｙｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｉｎｃｏｍｂｉｎｅｄＧＯ－ｐｈａｓｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍⅥＣＨＡＮＧＷｅｎｈｕａｎ．ＮＧＧｕｏ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＡｕｔｏｍａｔｉｏｎａｎｄＥｌｅｃｔｒｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＬａｎｚｈｏｕＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００７０，Ｃｈｉｎａ）——Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｃａｐａｃｉｔｙｏｆｃｏｐｈａｓｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅｉｎｃｏｍｂｉｎｅｄＣＯｐｈａｓｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍ，ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐａｍｏｎｇｒｅｌ￣ｉｖｅｃａｐａｃｉｔｙ１）ｏｎｃｏ－ｐｈａｓｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅａｎｄｔｒａｃｔｉｏｎｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ，ｎｅｇａｔｉｖｅ—ｓｅｑｕｅｎｃｅａｎｄｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｉｓａｎａｌｙｚｅｄ．ＢａｓｅｄｏｎｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｃｏｍｂｉｎｅｄＣＯｐｈａｓｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍ，ｗｉｔｈｔｈｅｕｓａｇｅｏｆｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ，ｔｈｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｒａｃｔｉｏｎｓｕｂｓｔａｔｉｏｎａｎｄｓｙｍｍｅｔｒｉｃａｌ—ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｔｈｅｏｒｙ，ｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐａｍｏｎｇｔｒａｃｔｉｏｎｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｃａｐａｃｉｔｙ，ＣＯｐｈａｓｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅｃａｐａｃｉｔｙ，ｓｙｓｔｅｍｓｈｏｒｔｃｉｒｃｕｉｔｃａｐａｃｉｔｙａｎｄｌｏａｄｃａｐａｃｉｔｙｉｓｏｂｔａｉｎｅｄ．Ａｎｄｔｈｅｎａｓｅｒｉｅｓｏｆｖａｌｕｅｓｏｆ１ｏｎｃｏｍｐｌｅｔｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎａｎｄｓａｒｉｓｆｙｉｎｇｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ．Ｔｈｅｓｅａｒｃｈｒｅｓｕｌｔｉｎｄｉｃａｔｅｓａｓｆｏｌｌｏｗｓ．Ｔｈｅｖａｌｕｅｏｆ１ｉｓ１ｗｈｅｎ’ｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ．Ｈｉｇｈｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙｄｏｅｓｎｔｎｅｅｄｒｅａｃｔｉｖｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｗｈｅｎｓａｔｉｓｆｙｉｎｇｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｏｎｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｂｅｃａｕｓｅｉｔｓｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｉｓｎｅａｒｌｙ１，ｂｕｔｏｒｄｉｎａｒｙｓｐｅｅｄｒａｉｌｗａｙｓｅｔｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｆａｃｔｏｒａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｏｆｌｏａｄ．Ｂｏｔｈｏｆｔｈｅｍｎｅｅｄｄｅｔｅｒｍｉｎｅｔｈｅｖａｌｕｅｓｏｆｆ１ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｓｈｏｒｔｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｌｏａｄｃａｐａｃｉｔｙ．ＥｖｅｎｔｕａｌｌｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｂｙＭａｔｌａｂｖｅｒｉｆｙｔｈｅｖａｌｉｄｉｔｙｏｆａｎａｌｙｔｉｃａｌｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ．ＴｈｉｓｗｏｒｋｉｓｓｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙＧａｎｓｕＰｒｏｖｉｎｃｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＰｌａｎ（Ｎｏ．１５０４ＷＫＣＡ０１６），ＴｕｔｏｒｓｏｆＰｒｏｊｅｃｔｉｎＧａｎｓｕＰｒｏｖｉｎｃｅ（Ｎｏ．２０１５Ａ一０５５）．ａｎｄＮａｔｉｏｎａｌＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＦｏｕｎｄａｔｉｏｎｏｆＣｈｉｎａ（Ｎｏ．５１３６７０１０）．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＣＯ－ｐｈａｓｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍ；ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｄｅｖｉｃｅｃａｐａｃｉｔｙ；ｎｅｇａｔｉｖｅｓｅｑｕｅｎｃｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒ；ｒｅａｃｔｉｖｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ０引言电气化铁路牵引负荷是单相、非线性、冲击性负荷，直接接入电力系统会引起负序、无功、谐波等电能质量问题卜。随着京津城际高铁的开通，我国电气化铁路正式进入高速时代，牵引负荷产生的基金项目：甘肃省科技计划资助（１５０４ＷＫＣＡ０１６）；甘肃省硕导项目（２０１５Ａ一０５５）；国家自然科学基金项目资助（５１３６７０１０）负序电流成为影响电力系统电能质量的主要因素。换接相序以及有源、无源补偿装置虽能有效抑制负序，补偿无功、谐波Ｊ，但是过分相引起的牵引力损失甚至安全隐患并不能有效缓解Ｌ４Ｊ。文献［７］提出组合式同相供电系统，牵引变压器与补偿装置互相独立，补偿装置不占用牵引变压器容量，二者共同为牵引负荷供电，彻底取消电分相环节，有效补偿负序等电能质量问题，实现全线贯通供电。同相供电技术的关键是补偿装置容量的设计【８－９］。常文寰，等组合式同相供电系统容量配置优化及分析．９５－为了适应牵引负荷供电要求，需要在满足国标的前提下，降低补偿装置容量，提高同相供电系统的经济性。本文针对组合式同相供电系统分别推导牵引变电所完全补偿以及满意补偿时的容量优化配置，并对其技术经济性进行分析比较。１组合式同相供电系统结构组合式同相供电系统是指牵引变压器与补偿装置互相独立，共同为牵引负荷供电的同相供电系统。电气化铁路全线电压同相位，取消分相绝缘器，实现贯通供电Ｌ６Ｊ。组合式同相供电系统的牵引变电所由单相牵引变压器（ＴＴ）和补偿装置（ＣＰＤ）构成，其中高压匹配变压器（ＨＭＴ）、单相背靠背变流器、牵引匹配变压器（ＴＭＴ）共同构成补偿装置，组合式同相供电系统有如下两种结构Ｉ。如图１所示为单相组合式同相供电系统，高压匹配变压器为单相变压器；如图２所示为单三相组合式同相供电系统，高压匹配变压器为ＹＮ，ｄｌ１接线。ＡＢＣｆＩＢＩｃ，Ａｌｌｌ●：Ｔ‘ｌ●—。—。，上，、一图１单相组合式同相供电系统结构图—Ｆｉｇ．１ＣｏｎｎｅｃｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍｏｆｃｏｍｂｉｎｅｄＣＯｐｈａｓｅｓｕｐｐｌｙ—ｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈａｓｉｎｇｌｅｐｈａｓｅｍｏｄｕｌａｒ由于在牵引臂负载阻抗角相等的情况下，在电力系统侧产生负序电流最大的是单相变压器；其次是Ｙｄｌ１接线变压器和Ｖ接线变压器；最小的是平衡接线变压器【ｌｏ－，因此为将系统本身负序降到最低，在单相组合式同相供电系统中，牵引变压器与高压匹配变压器构成平衡接线形式；单三相系统中，两牵引变压器次边绕组电压相位相差９０。。与原牵引供电系统相比，牵引侧供电臂电压相位全线相同，可取消变电所出口电分相，减少了机车过分相的牵引力损失，适宜高速铁路运行；牵引变压器和补偿装置互相独立，共同为牵引负荷供电，不但可以补偿系统负序、无功以及谐波，而且可以减少牵引变压器的容量。ＡＢＣｒ十Ｉ∞＿叮ｃｕ＇．ＩＳＶＧ２１ＴＭＴｌ上图２单三相组合式同相供电系统结构图—Ｆｉｇ．２ＣｏｎｎｅｃｔｉｏｎｄｉａｇｒａｍｏｆｃｏｍｂｉｎｅｄＣＯｐｈａｓｅｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍｗｉｔｈａｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅａｎｄｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅｍｏｄｕｌａｒ２综合补偿原理图１所示的单相组合式同相供电系统中，牵引变压器和高压匹配变压器均为单相联结，两端口二次侧电压构成平衡接线形式。“√假设电网线电压＝．４３ｕＡｓｉｎｃｏｔ，则牵引变压器及高压匹配变压器二次侧电压分别为蜥＝ｓｉｎｃｏｔ＝．ｓｉｎｃｏｔ“ｐ＝√ｓｉｎ（ｔｏｔ＋９０。）＝（１）・ｓｉｎ（ｒｏｔ＋９０。）式中：和分别是变压器两端口的变比［１¨，且有；。图２所示的单三相组合式同相供电系统中，高压匹配变压器为ＹＮ，ｄｌ１接线形式，电压Ｕ相位选择三角形接线ＡＣ相，与牵引变压器二次侧电压Ｕ相位差９０。，构成平衡接线。两种结构牵引变压器二次侧电压相同，后者高压匹配变压器二次侧电压为甜’ｓ耐＋９０。）＝ｆ’２）．ｘｌ３Ｋ￣ＵＡｓｉｎ（ｒａｔ＋９０。两种同相供电系统在容量配置方面区别仅在于高压匹配变压器的容量利用率，牵引变压器以及补偿装置的补偿原理及容量配置均一致。设ＰＣＣ处的正序阻抗与负序阻抗相等，那么负－９６・电力系统保护与控制序电压不平衡度近似为设牵引变压器是理想变压器，根据上文ＳＶＧ１——：一－（一）——＝（）．Ｌｒ－￣／３Ｉ－ＵＮＸ１００Ｘ１００％３式中：为线电压；＆为ＰＣＣ处的三相短路容量。牵引变压器和高压匹配变压器两个端口共同作用在原边的负序电流分量一般表达式¨为一：去ｌＫＴＩＴｅ＋Ｘｊ，ｅＩ（４）式中：和分别是变压器两端口电压滞后ＵＡ的相角；许和分别是变压器两端口功率因数角。由于组合式同相供电结构的平衡接线形式，将接线角＝－－９０。、＝１８０。代入式（３）、式（４）得击ＩＩＴｅ－ｊＯｓ￣＋ｃｒ）＋ｉｉ３ｅ－Ｊ（３６０＋￣）Ｉ＝毒㈣式中，一为系统负序功率。假设牵引变压器及高压匹配变压器均为理想变压器，功率因数角＝，则—ＳＴ＝Ｓ一（６）式中：为ＳＶＧ１容量；为牵引变压器容量。牵引负载电流为ｉＬ＝ｘ／２Ｉ￣ｓｉｎ（ｃａｔ＋）＋ｆｈ＝，√２ｓｉｎｃｏｔ＋￣／２１ｑｃｏｓ＋ｆｈ式中：为牵引负载谐波电流分量；为负载电流基波分量；为基波电流相角，且＝１１ｃｏｓｔｐ￣，，ｑ＝１１ｓｉｎ。根据结构图可以看出，牵引变压器与同相补偿装置共同向负载提供有功功率，两单相背靠背ＳＶＧ共同平衡系统负序，ＳＶＧ２补偿系统无功、谐波。因此有ｆ＝ＰＴ＋１：式中：尸Ｌ为负载有功功率；ＰＴ为牵引变压器有功功率，其值大小等于；Ｐ１为ＳＶＧ１有功功率其值大小等于；为ＳＶＧ２补偿负载的无功功率；为ＳＶＧ２视在功率。３组合式同相供电容量配置优化由于铁路负载类型决定高速铁路同相供电补偿的关键是抑制负序，而重载和普速铁路需要抑制负序、提高网侧功率因数［１５－１６】。因此在容量配置方面应考虑负序、无功的综合补偿，在此基础上利用补偿装置滤除谐波。只承担一部分负载有功功率，结合式（８），令＼Ｉｔ＝Ｉ。：（１二）（９）Ｉ：（１一）式中：，Ｔ为牵引变压器二次侧输出有功电流值；为补偿装置输出有功电流值；为牵引变压器次边电流与牵引负载有功电流比值。设牵引负载电流谐波总畸变率为ＴＨＤ（下文简记做／－／％），则，Ⅳ％＝：（１０）』１３．１完全补偿容量配置根据式（６）可知，当同相供电系统负序完全补偿时，牵引变压器容量与ＳＶＧ１容量相等，＝÷。‘２此时，若无功谐波也完全补偿，ＳＶＧ２总容量为ＳＶＧ１传递的有功以及负载的全部无功、谐波三者容量之和。结合式（８）、式（９），系统完全补偿时牵引变压器、ＳＶＧ１、ＳＶＧ２的容量分别为：ｓ＝ｕ√‘Ｉ（圭）＋（）＋（，＾）结合式（７）、式（９）和式（１０）得ＳＴＳＩ１ＣＯＳｑ，、—＝—＝一——・＝＝＝＝＝Ｓ１Ｓ１２４１＋９％２：１－－ＣＯＳ２（／９１Ｈ％２’＝；≥＝。根据式（１２）做出三者容量比与负载功率因数、谐波电流畸变率关系如图３所示。ＳＣ／ＳＬ￥２／ＳＬＳ１／ＳＬ１．Ｏ圈３完全补偿时负载功率因数、谐波畸变率与容量比关系Ｆｉｇ．３Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐａｍｏｎｇｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒ，ＴＨＤｏｆｔｈｅｌｏａｄａｎｄｔｈｅｒａｔｉｏｏｆｃａｐａｃｉｔｙｗｈｅｎｃｏｍｐｌｅｔｅｌｙｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ常文寰，等组合式同相供电系统容量配置优化及分析．．９７．．从图３可以看出，功率因数对牵引变压器以及补偿装置容量的影响高于负载谐波畸变率对其影响。负载电流谐波畸变率越大，功率因数越低，补偿装置容量越大；反之，补偿装置容量越小。当负载谐波电流谐波畸变率为０，功率因数为１时，牵引变压器、ＳＶＧ１、ＳＶＧ２容量相等，均为负载容量的一半，此时补偿装置容量最小；当负载谐波电流畸变率为４５％，功率因数为０．６时，负载有功电流与负荷电流比值较小，牵引变压器和ＳＶＧ１容量小于ＳＶＧ２容量，此时补偿装置容量最大，约为１．１，。３．２满意补偿容量配置组合式同相供电系统补偿装置ＳＶＧ１端口电压与牵引变压器端口电压相位差９Ｏ。，其作用是为了补偿系统负序。当同相供电系统不补偿时，补偿装置容量为０，此时负序不补偿，Ｓ一＝ｓＴ；无功、谐波不补偿，负载的全部无功、谐波通过牵引变压器流入电力系统。当同相供电系统不完全补偿时，需引入负序、无功、谐波补偿度，得＝ＫＮ．ＳＬｎｒ、／１＋％ｓ２＝ｓＬ＝、／１＋％（１３）式中：为负序补偿度，补偿后系统负序容量为（１一）ｓＴ：Ｋｃ为无功补偿度，补偿后流入电力系统无功功率为（１一）Ｌ；为谐波补偿度。（１）无功补偿模式根据对称分量法【ｌ埽】以及计算牵引变压器原、次边电流变换一般关系【１ｌＪ组合式同相供电系统电流变换矩阵可写为＿２ｌｘ／３Ｋｖ１（１４）则牵引变压器和高压匹配变压器组成的斯科特连接组原边三相电流为Ｉｋ＝一ＫＩ＝等一（１５）丘＝每＋孚Ｉ根据式（１５）做出负载功率因数为１时电网侧电电压相量图，如图４所示。』－‘％气Ｋｌ‘２冬ＩＵ？／７ｘ／３ＫＴ，Ｉｅ‘２Ｂ图４电网侧三相电压、电流相量图Ｆｉｇ．４Ｐｈａｓｏｒｄｉａｇｒａｍｏｆｔｈｒｅｅ－ｐｈａｓｅｖｏｌｔａｇｅａｎｄｃｕｒｒｅｎｔｉｎｇｒｉｄ－ｓｉｄｅ从图４可以看出，牵引变压器电压ｃ和电流，Ｂｃ同相位，但Ｂ、Ｃ相电流和Ｂ、Ｃ相电压存在相位差，由此可得负载功率因数为１时组合式同相供电系统本身的无功功率为ａｏ＝ｕＢｓｉｎ＋ＵｃＩｃｓｉｎｑｏｃ＝ｓｉｎ（３０￣－ａｒｃｔａｎ６式中：屈是ＳＶＧ１与牵引变压器的容量比值，即屈＝要。电网侧三相功率为一一————一√√√Ｓ＝３【，Ａ＋＋＝ｓＴ昙（１＋届）（１７）根据式（１６）、式（１７）得到负载功率因数为１时系统折算到电网侧功率因数为ＣＯＳ（１８）电力系统保护与控制根据式（１８）得到负载功率因数为１时届与电网侧功率因数关系如图５所示。崩图５负载功率因数为１时届与电网侧功率因数关系Ｆｉｇ．５Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎａｎｄｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｉｎｇｒｉｄ－ｓｉｄｅｗｈｅｎｔｈｅｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｏｆｌｏａｄｉｓ１根据图５可以看出，在负载功率因数为ｌ的情况下，当ＳＶＧ１容量和牵引变压器容量相等时，电网侧功率因数最大为１；当不设补偿装置即ＳＶＧ１容量为０时，电网侧功率因数最小为０．９５８。当负载为且无功补偿度为Ｋｃ时，负载中未补偿的无功功率部分会注入电力系统，这部分无功功率为．Ｑ１＝（１一）ｉｎ（１９）根据式（１６）一式（１８）得到有负载通过且无功不完全补偿时，折算到电网侧功率因数为ｃｏｓ＝（２０）仅补偿无功，谐波不补偿时，ＳＶＧ２与ＳＶＧ１的容量比为：—————ｆｌｌ＋—１—ｓｉｎ—ｑ￣）Ｚ（２１）Ⅳ分别令ｃｏｓ￣０Ｌ＝０．６，％：４７％模拟交直型负载、ｃｏｓｔｐＬ＝Ｏ．９５，％：２．１％，模拟交直交型负载通过牵引变电所，并结合式（２Ｏ）可得两种负载情况下组合式同相供电系统ＳＶＧ１与牵引变压器容量比、无功补偿度与电网侧功率因数关系如图６、图７所示；容量比与屈以及无功补偿度关系如图８、图９所示。图６交直型负载通过时届、无功补偿度与电网侧功率因数关系Ｆｉｇ．６Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐａｍｏｎｇ届，ｒｅａｃｔｉｖｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｄｅｇｒｅｅａｎｄｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｉｎｇｒｉｄ・ｓｉｄｅｗｈｅｎｔｈｅｒｅａｒｅＡＣ－－ＤＣｌｏａｄｓ图７交直交负载通过时届、无功补偿度与电网侧功率因数关系Ｆｉｇ．７Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐａｍｏｎｇ届，ｒｅａｃｔｉｖｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｄｅｇｒｅｅａｎｄｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｉｎｇｒｉｄ－－ｓｉｄｅｗｈｅｎｔｈｅｒｅａｒｅＡＣ・・ＤＣ－－ＡＣｌｏａｄｓ图８不同届情况下交直型负载通过时无功补偿度与关系Ｆｉｇ．８Ｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔ届ｓｉｔｕａｔｉｏｎｓｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎａｎｄｒｅａｃｔｉｖｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｄｅｇｒｅｅｉｎｇｒｉｄ－ｓｉｄｅｗｈｅｎｔｈｅｒｅａｒｅＡＣ．ＤＣｌｏａｄｓ一厂王＿＿＿、一一层一ｌｌ一．一。●一／，，．．．．．．．．．＼一一一●●●●＿＝¨常文寰，等组合式同相供电系统容量配置优化及分析．９９．尢功补偿度图９不同届情况下交直交型负载通过时无功补偿度与关系Ｆｉｇ．９Ｉｎｄｉｆｆｅｒｅｎｔ届ｓｉｔｕａｔｉｏｎｓｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎ屈ａｎｄｒｅａｃｔｉｖｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｄｅｇｒｅｅｉｎｇｒｉｄ－ｓｉｄｅｗｈｅｎｔｈｅｒｅａｒｅＡＣ．．ＤＣ．．ＡＣｌｏａｄｓ对比图６、图７可知，对于交直型负载，当系统不设补偿装置时，电网侧功率因数最低为约０．５７；对于交直交型负载，当系统不设补偿装置时，电网侧功率因数最低约为０．８。当补偿装置ＳＶＧ１容量等于变压器容量且补偿度为０时，两种负载情况电网侧功率因数分别达到０．７和０．９３，说明通过交直交型负载网侧功率因数可以满足国标，而交直型机车必须结合ＳＶＧ２无功补偿网侧功率因数才可满足国标；此时若无功补偿度为１，两种情况电网侧功率因数均达到最高值１。图８、图９仿真结果表明，交直交型负载通过时比交直型负载所需无功补偿装置容量小。当负载类型相同且无功补偿度相同时，ＳＶＧ１与牵引变压器容量比越大，ＳＶＧ２的容量越大。当届为１时，通过交直型机车且功率因数为ｌ时，ＳＶＧ２容量最大，约为２．２ｓＴ。（２）负序补偿模式由式（１４）经过对称分量法计算可得电网侧负序、正序电流分别为由此可知，电网侧负序电流不平衡度为￡＝＿Ｉ筹ｌ∞由式（２３）可得容量比与电网侧负序电流不平衡度关系如图１０所示。妪煺世屠露删届图１０届与电网侧负序电流不平衡度关系Ｆｉｇ．１０Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎ届ａｎｄｕｎｂａｌａｎｃｅｄｄｅｇｒｅｅｏｆｎｅｇａｔｉｖｅｓｅｑｕｅｎｃｅｉｎｇｒｉｄ－ｓｉｄｅ从图１０可以看出，当０＜屈＜１时，ＳＶＧ１可以平衡牵引变压器原边三相电流，降低系统负序；当届＝１时，系统负序完全补偿；屈＞１时，原边三相电流不平衡度增大，增加系统负序。因此，当ＳＶＧ１与牵引变压器容量相等时，系统负序最小为０，原边三相电流、电压平衡。组合式同相供电系统补偿装置由电力电子器件构成，成本较牵引变压器更高，≤故本文仅考虑０＜屈１时负序补偿的满意优化。设１１０ｋＶ等级系统短路容量为１０００ＭＶＡ，负载容量为３０ＭＶＡ、５０ＭＶＡ；２２０ｋＶ等级系统短路容量为３０００ＭＶＡ，负载容量为９０ＭＶＡ、１２０ＭＶＡ。结合式（３）、式（８）得到同相供电系统各装置容量如表１所示。通过表１的计算可知，负序满意补偿较完全补偿时补偿装置容量显著降低。原边三相电压、电流负序满足国标的情况下，电压等级越高，所需要的相对补偿容量越小；相同电压等级情况下，负载容量越小，所需要的补偿装置容量越小。表１负序满意补偿时同相供电系统装置容量Ｔａｂｌｅ１ＣａｐａｃｉｔｙｏｆｃｏｍｂｉｎｅｄＣＯ－ｐｈａｓｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍｗｈｅｎｎｅｇａｔｉｖｅｓｅｑｕｅｎｃｅｉｓｓａｔｉｓｆａｃｔｏｒｉｌｙｃｏｍｐｅｎｓａｔｅｄ（３）负序、无功综合补偿模式根据表ｌ的计算数据，将电网侧负序容量满足国标的容量比屈取值代入式（２１）中，即可求得４种情况下无功补偿度与电网侧功率因数关系。图１１、图１２分别为１１０ｋＶ、２２０ｋＶ电压等级下负载不同时关系图。．．１００．．电力系统保护与控制根据图１１、图１２并结合表１可以看出１１０ｋＶ电压等级下负载容量为３０ＭＶＡ和５０ＭＶＡ时，无功补偿度分别为０＿３和０．４电网侧功率因数可以满足国标；２２０ｋＶ等级下负载容量为９０ＭＶＡ和１２０ＭＶＡ时，ＳＶＧ２仅传递有功不补偿无功时电网侧功率因数也满足国标。此时补偿装置ＳＶＧ１、ＳＶＧ２容量均明显低于负序、无功完全补偿时的容量。函槲露窭无功补偿度图１１１１０ｋＶ无功补偿度与电网功率因数关系Ｆｉｇ．１１Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎ１１０ｋＶｒｅａｃｔｉｖｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｄｅｇｒｅｅａｎｄｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｉｎｇｒｉｄ・ｓｉｄｅ鼎函槲督墨无功补偿度图１２２２０ｋＶ无功补偿度与功率因数关系Ｆｉｇ．１２Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎ２２０ｋＶｒｅａｃｔｉｖｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｄｅｇｒｅｅａｎｄｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｉｎｇｒｉｄ－ｓｉｄｅ４结论（１）组合式同相供电系统负序完全补偿时牵引变压器容量和补偿装置容量相等。（２）对于高速铁路，网侧负序满足国标时，公共连接点处功率因数高于０．９，此时ＳＶＧ２只传递有功，可不补偿无功，降低装置容量；对于普速铁路，无功不满足国标，需要进行负序和无功的综合补偿优化。（３）高速铁路电压等级高，系统短路容量大，电网侧负序允许容量大，所需要的相对补偿容量比普速铁路小。相同电压等级情况下，负载容量越小，所需要的补偿装置容量越小。（４）对电气化铁路负载无功、负序的满意补偿配置可以显著降低组合式同相供电系统补偿装置的容量，降低工程造价，且提高了补偿装置的容量利用率。参考文献［１］许志伟，罗隆福，张志文，等．一种新型电气化铁道电能质量综合补偿［Ｊ］．电工技术学报，２０１５，３Ｏ（８）：２６５．２７２．ＸＵＺｈｉｗｅｉ，ＬＵＯＬｏｎｇｆｕ，ＺＨＡＮＧＺｈｉｗｅｎ，ｅｔａ１．Ａｎｏｖｅｌｐｏｗｅｒｑｕａｌｉｔｙｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒｆｏｒｅｌｅｃｔｒｉｆｉｅｄｒａｉｌｗａｙ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，２０１５，３０（８）：２６５－２７２．［２］易桂平，胡仁杰，蒋玮，等．电网电压不平ＳＴＡＴＣＯＭ—的影响及抑制【Ｊ】＿电工技术学报，２０１４，２９（６）：２３８２４７．ＹＩＧｕｉｐｉｎｇ，ＨＵＲｅｎｊｉｅ，ＪＩＡＮＧＷｅｉ，ｅｔａ１．ＩｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆｇｒｉｄｖｏｌｔａｇｅｕｎｂａｌａｎｃｅｏｎＳＴＡＴＣＯＭａｎｄｃｏｕｎｔｅｒｍｅａｓｕｒｅ［Ｊ】．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ—Ｓｏｃｉｅｔｙ，２０１４，２９（６）：２３８２４７．［３］吴传平，罗安，孙娟，等．一种电气化铁路电能质量综合补偿系统【Ｊ】．电工技术学报，２０１１，２６（１０）：６８－７６．ＷＵＣｈｕａｎｐｉｎｇ，ＬＵＯＡｎ，ＳＵＮＪｕａｎ，ｅｔａ１．Ａｐｏｗｅｒｑｕａｌｉｔｙｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｆｏｒｅｌｅｃｔｒｉｃｒａｉｌｗａｙ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，２０１１，２６（１０）：６８７６．［４］常非，赵丽平．五电平交直交变换器在贯通同相供电中的应用［Ｊ］＿电力系统及其自动化学报，２０１５，２７（１）：２６．３１．ＣＨＡＮＧＦｅｉ，ＺＨＡＯＬｉｐｉｎｇ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｆｉｖｅ－ｌｅｖｅｌＡＣ／ＤＣ／ＡＣｃｏｎｖｅｒｔｅｒｏｎｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓＣＯ－ｐｈａｓｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓｏｆｔｈｅＣＳＵ－ＥＰＳＡ，２０１５，２７（１）：２６－３１．［５］李群湛，张进思，贺威俊．适于重载电力牵引的新型供电系统的研究［Ｊ］．铁道学报，１９８８（４）：２３－３１．ＬＩＱｕｎｚｈａｎ，ＺＨＡＮＧＪｉｎｓｉ，ＨＥＷｅｉｊｕｎ．Ｓｔｕｄｙｏｆａｎｅｗｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍｆｏｒｈｅａｖｙｈａｕｌｅｌｅｃｔｒｉｃｔｒａｃｔｉｏｎ［Ｊ］．—ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＣｈｉｎａＲａｉｌｗａｙＳｏｃｉｅｔｙ，１９８８（４）：２３３１．［６］张晨萌，陈柏超，袁佳歆，等．基于ｖ厂、，牵引变压器的同相供电系统电能质量混合补偿研究［Ｊ］．电工技术学报，２０１５，３０（１２）：４９６．５０４．ＺＨＡＮＧＣｈｅｎｍｅｎｇ，ＣＨＥＮＢａｉｃｈａｏ，ＹＵＡＮＪｉａｘｉｎ，ｅｔａ１．ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎａｈｙｂｒｉｄｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｆｏｒＣＯ－ｐｈａｓｅｒａｉｌｗａｙｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｆＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｔｅｃｈｎｉｃａｌＳｏｃｉｅｔｙ，２０１５，３０（１２）：４９６．５０４．［７］李群湛．论新一代牵引供电系统及其关键技术［Ｊ］．西南交通大学学报，２０１４，４９（４）：５５９．５６８．ＬＩＱｕｎｚｈａｎ．Ｏｎｅｎｅｗｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｔｒａｃｔｉｏｎｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍａｎｄｉｔｓｋｅｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｆｏｒｅｌｅｃｔｒｉｆｉｅｄｒａｉｌｗａｙｓ［Ｊ］常文寰，等组合式同相供电系统容量配置优化及分析．１０１．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２０１４，４９（４）：５５９．５６８．［８］张丽艳，李群湛，易东，等．同相供电系统潮流控制器容量的优化配置［Ｊ］．电力系统自动化，２０１３，３７（８）：５９．６４．ＺＨＡＮＧＬｉｙａｎ，ＬＩＱｕｎｚｈａｎ，ＹＩＤｏｎｇ，ｅｔａ１．Ｃａｐａｃｉｔｙｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎｏｆｐｏｗｅｒｆｌｏｗｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｕｓｅｄｉｎａｃｏ－ｐｈａｓｅｔｒａｃｔｉｏｎｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＡｕｔｏｍａｔｉｏｎｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍｓ，２０１３，３７（８）：５９－６４．［９］张秀峰，吕晓琴，连级三．同相牵引供电系统平衡补偿的最优模型［Ｊ］．西南交通大学学报，２００９，４４（６）：８４１．８４７．ＺＨＡＮＧＸｉｕｆｅｎｇ，ＬＵＸｉａｏｑｉｎ，ＬＩＡＮＪｉｓａｎ．Ｏｐｔｉｍａｌｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｓｉｎｃｏｐｈａｓｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＪｏｕｒｎａｌｏｆＳｏｕｔｈｗｅｓｔＪｉａｏｔｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，２００９，４４（６）：８４１．８４７．［１０］王果，任恩恩，田铭兴．不同类型牵引变压器负序电流特性的分析比较【Ｊ］，变压器，２００９，４６（１１）：２４－２７．ＷＡＮＧＧｕｏ，ＲＥＮＥｎｅｎ，ＴＩＡＮＭｉｎｇｘｉｎｇ．Ａｎａｌｙｓｉｓａｎｄｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｎｅｇａｔｉｖｅｓｅｑｕｅｎｃｅｃｕｒｒｅｎｔｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｒａｃｔｉｏｎｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒｓ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ，２００９，４６（１１）：２４．２７．［１１］李群湛．牵引变电所供电分析及综合补偿技术［Ｍ】．北京：中国铁道出版社．２００６：８－１７．［１２］ＧＢ／Ｔ１５５４３．２００８电能质量三相电压不平衡［ｓ】．［１３］付伟，刘天琪，李兴源，等．静止无功补偿器运行特性分析和控制方法综述［Ｊ］．电力系统保护与控制，２０１４，４２（２２）：１４７－１５４．ＦＵＷｅｉ，ＬＩＵＴｉａｎｑｉ，ＬＩＸｉｎｇｙｕａｎ，ｅｔａ１．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｏｐｅｒａｔｉｎｇｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃａｎｄｓｕｒｖｅｙｏｆｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｓｕｓｅｄｉｎｓｔａｔｉｃｖａｔｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１４，４２（２２）：１４７－１５４．［１４］周末，王果，等．适于电气化铁路的三相两臂混合有源补偿研究［Ｊ］＿电力系统保护与控制，２０１５，４３（１３）：１Ｏ０．１０４．ＺＨＯＵＭｏ，ＷＡＮＧＧｕｏ，ｅｔａ１．Ｓｔｕｄｙｏｎｈｙｂｒｉｄａｃｔｉｖｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｔｈｒｅｅ－－ｐｈａｓｅｔｗｏ－・ｌｅｇｉｎｖｅ￣ｅｒｆｏｒｅｌｅｃｔｒｉｆｉｃａｔｉｏｎｒａｉｌｗａｙ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１５，４３（１３）：１００－１０４．［１５］张浩，周锦，周荣玲，等．基于联合补偿的电网牵引变—负序补偿［Ｊ】．电网与清洁能源，２０１５，３ｌ（３）：２４２８．ＺＨＡＮＧＨａｏ，ＺＨＯＵＪｉｎ，ＺＨＯＵＲｏｎｇｌｉｎｇ，ｅｔａ１．Ｎｅｇａｔｉｖｅｓｅｑｕｅｎｃｅｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｏｆｔｒａｃｔｉｏｎｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｓｂａｓｅｄｏｎｃｏｍｂｉｎｅｄｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍａｎｄＣｌｅａｎＥｎｅｒｇｙ，２０１５，３１（３）：２４－２８．［１６］付文秀，范春菊，ＦＵＷｅｎｘｉｕ，等．ＳＶＧ在双馈风力发电系统电压无功控制中的应用［Ｊ］．电力系统保护与控制，２０１５，４３（３）：６１－６８．ＦＵＷｅｎｘｉｕ，ＦＡＮＣｈｕｎｊｕ，ＦＵＷｅｎｘｉｕ，ｅｔａ１．ＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆＳＶＧｉｎｖｏｌｔａｇｅａｎｄｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｃｏｎｔｒｏｌｏｆｄｏｕｂｌｙ－ｆｅｄｉｎｄｕｃｔｉｏｎｇｅｎｅｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１５，４３（３）：６１－６８．［１７］季斌炜，陈潇一．基于粒子群算法的配电网无功补偿方法研究［Ｊ】．电网与清洁能源，２０１６，３２（３）：１１１－ｌ１４．ＪＩＢｉｎｗｅｉ，ＣＨＥＮＸｉａｏｙｉ．ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｏｆｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｎｅｔｗｏｒｋｂａｓｅｄｏｎｐａｒｔｉｃｌｅｓｗａｒｌＴｌｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎａｌｇｏｒｉｔｈｍ［Ｊ］．ＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍａｎｄＣｌｅａｎＥｎｅｒｇｙ，２０１６，３２（３）：１ｌ１－ｌ１４．［１８］辛业春，李国庆，王朝斌．无功和三相负荷不平衡的序分量法补偿控制［Ｊ］．电力系统保护与控制，２０１４，—４２（１４）：７２７８．ＸＩＮＣｈｕｎｙｅ，ＬＩＧｕｅｑｉｎｇ，ＷＡＮＧＣｈａｏｂｉｎ．Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｏｆｒｅａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒａ—ｎｄｔｈｒｅｅｐｈａｓｅｕｎｂａｌａｎｃｅｌｏａｄｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｍｅｔｈｏｄｏｆｓｅｑｕｅｎｃｅｃｏｍｐｏｎｅｎｔ［Ｊ］．Ｐｏｗｅｒ—ＳｙｓｔｅｍＰｒｏｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＣｏｎｔｒｏｌ，２０１４，４２（１４）：７２７８．收稿日期：２０１５－１１－１８；—修回日期ｌ２０１６－０１１８作者简介：常文寰（１９９２－），女，硕士研究生，研究方向电力电子及电力传动、铁道电气化；Ｅ・ｍａｉｌ：ｃｈａｎｇｗｅｎｈｕａｎｚ＠１２６．ｔｏｍ王果（１９７７－），女，副教授，研究方向是轨道交通供—电、电能质量补偿等。Ｅｍａｉｌ：ｗａｎｇｇｕｏ２００５＠ｅｙｏｕ．ｃｏｍ（编辑葛艳娜）