电机工程学报最后一页

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平衡牵引电流条件

电气化铁路平衡牵引变压器电流不平衡度研究李永胜;盛义发;桂卫华;喻寿益【摘 要】针对电气化铁路牵引变压器的电流不平衡度问题,以电气化铁路运行的两种典型平衡牵引变压器为研究对象,采用变压器磁势平衡原理、绕组接线方程和对称分量法为理论基础的系统化分析方法,推导出不同工况下电流不平衡度通式,分析了平衡牵引变压器电流不平衡特性;利用Matlab/Simulink仿真平台建立了平衡牵引变压器实验模型,研究了高速客运、货运及客货混用专线列车用牵引变压器电流不平衡度的变化规律,给出了平衡牵引变压器在3种线路工况下的不同运行控制策略,提出了抑制电流不平衡度的方法.实验结果和理论推导验证了所提方法的正确性和可行性.【期刊名称】《电气传动》【年(卷),期】2014(044)010【总页数】5页(P69-73)【关键词】牵引变压器;负序电流;电流不平衡度【作 者】李永胜;盛义发;桂卫华;喻寿益【作者单位】南华大学电气工程学院,湖南衡阳421001;南华大学电气工程学院,湖南衡阳421001;中南大学信息科学与工程学院,湖南长沙410083;中南大学信息科学与工程学院,湖南长沙410083【正文语种】中 文【中图分类】TM922电气化铁路不对称、非线性的牵引负载通过铁路牵引变压器在牵引供电系统中产生大量负序电流和谐波电流，导致铁路牵引网供电系统与电网的不平衡运行；而铁路牵引网供电系统的不平衡运行影响铁路供电系统及电力系统的安全、稳定、经济运行，故铁路牵引变压器负序电流特性与不平衡度一直是研究的热点问题之一［1-4］。铁路牵引变压器主要有3种不平衡牵引变压器（单相接线变压器、V/v接线变压器、三相Yn/d11接线变压器）和2种平衡牵引变压器（Scott接线变压器和阻抗匹配平衡变压器），较不平衡牵引变压器比较而言，2种平衡牵引变压器牵引运行时产生的负序电流和谐波电流少一些，故这2种铁路平衡牵引变压器为国内外最广泛、最常用的铁路牵引变压器［5］。目前国内外对牵引变压器的负序电流与不平衡度的研究主要集中在特性分析［6］、检测方法［7-8］、控制策略［9］和抑制方法与装置［10-13］等方面，鲜有结合具体运行工况的个性分析与控制策略。文献［6］提出了基于聚类趋势分析与逐步回归方法的电铁牵引负载负序源建模方法，研究了描述牵引负载基波负序电流本质的特征向量，聚类趋势分析与建模结果证实了该特征向量的有效性，为负序特性分析提供了理论依据。文献［7］提出了基于FBD法的基波正负序电流实时检测方法，文献［8］提出了基于负序功率正反馈的孤岛检测新方法。文献［9］研究了一种新型不对称接线三相变两相平衡变压器，可最大限度使牵引变电所两臂负荷对称，实验结果表明既可大幅减少电力系统的负序电流，又能提高变压器的运行效率和改善电流不平衡度。文献［10］提出了一种基于两相三线制变流器的高速铁路负序和谐波综合补偿新方法，此方案兼顾直流侧电压控制，对负序和谐波电流的实时检测，采用滞环控制方法对两相三线制变流器输出电流进行跟踪控制，仿真和实验结果证明了所提系统方案具有较好的负序和谐波抑制效果。
本文针对高速客运、货运及客货混用专线列车用平衡牵引变压器，采用变压器磁势平衡原理、绕组接线方程和对称分量法推导出在不同运行工况下电流不平衡度通式，分析了平衡牵引变压器电流不平衡特性；利用Matlab/Simulink仿真平台建立了平衡牵引变压器的实验模型，研究了典型工况下电气化铁路牵引供电网电流不平衡度变化特性，提出了电力牵引机车在不同工况时的运行控制策略和抑制电流不平衡度的方法，为铁路调度部门合理安排运行编组和牵引供电系统的安全、稳定、经济运行提供理论依据。两种典型的铁路平衡牵引变压器基本接线原理如图1所示。图1中，N1，N2分别为牵引变压器1次侧、牵引侧的绕组匝数，N3为牵引侧外延边绕组匝数，且分别为牵引变压器1次侧三相电流；Iα，Iβ分别为牵引侧α相、β相电流分别为α相、β相电流有效值，αi，βi分别为α相、β相电流相位角；Uα，Uβ分别为牵引侧α相、β相电压，且分别为α相、β相电压有效值。则定义牵引侧α相与β相的电流比为牵引供电系统电流不平衡度为式中：I1为正序电流有效值；I2为负序电流有效值。式中：αZ，βZ分别为牵引侧α相、β相阻抗角；αu，βu分别为α相、β相电压相位角。由变压器磁势平衡原理和绕组接线方程可得牵引变压器1次侧、牵引侧相电流的变换关系：由对称分量法可得三相相电流与其对称分量（正序、负序、零序）电流之间关系为由式（4）和式（5）则可得对称分量（正序、负序、零序）电流与牵引变压器牵引侧相电流的关系为式中：IABC为牵引变压器1次侧相电流矩阵；Iαβ为牵引变压器牵引侧相电流矩阵；I120为对称分量（正序、负序、零序）电流矩阵；H为牵引变压器1次侧与牵引侧相电流的变换矩阵；S为对称分量矩阵；Z为对称分量（正序、负序、零序）电流与牵引变压器牵引侧相电流的变换矩阵。相电流变换矩阵Ha，Hb分别为式中：K为牵引变压器1次侧、牵引侧绕组的变比。对称分量矩阵S为式中：α，α2分别为运算子，α=ej120°，α2=ej240°。变换矩阵Za，Zb分 别为
由此，可根据式（1）、式（2）、式（3）和式（6）推导出两种铁路平衡牵引变压器电流不平衡度均为由式（7）可知，两种铁路平衡牵引变压器的电流不平衡度具有相同的变化规律，其电流不平衡度与负载大小及负载功率因数角有关。即铁路牵引变压器随着不同时段、不同地区客流量分布，以及列车不同编组方式运行，其电流不平衡度也随之变化，而电流不平衡度的不同，将不同程度地影响牵引供电网不平衡运行，故可能导致铁路事故发生。3.1 高速客运专线运行工况下电流不平衡度特性高速客运专线列车运行速度快、列车追踪时间短以及列车开行密度大，并且要求列车运行速度能在短时间内平稳地升降和满足不同性质客流量需求。根据以上特点，平衡牵引变压器应用于高速客运专线首先要满足牵引供电网两牵引供电臂负载功率因数角相等，并且能将牵引供电网负序电流控制在铁路标准范围内，即αZ=βZ，电流比M变化时ε的工况。由式（7）知，Scott接线和Yn/vd接线平衡变压器电流不平衡度ε和电流比M的ε—M变化特性曲线如图2所示。由图2可知，当高速客运专线列车运行在M=1左右某一区间时，列车运行区间客流量相同，即高速客运专线两牵引供电臂负荷接近相等，铁路牵引变压器电流不平衡度在0左右取值，牵引运行时铁路牵引变压器产生的负序电流和谐波电流较少，在此工况下对牵引供电网的影响最小。当高速客运专线列车运行在M=1到M=0之间某一区间时，列车运行区间客流量不相同，即高速客运专线两牵引供电臂负荷不相等，铁路牵引变压器电流不平衡度在0到1之间取值，牵引运行时铁路牵引变压器产生大量的负序电流和谐波电流。当高速客运专线列车运行在M=0附近某一区间时，即高速客运专线一相牵引供电臂接近空载运行，铁路牵引变压器电流不平衡度取得最大值1，牵引运行时铁路牵引变压器产生的负序电流基本等于正序电流，并且负序电流达到最大值，在此工况下对牵引供电网的影响最大，可能导致铁路事故发生。3.2 货运专线运行工况下电流不平衡度特性
货运专线属于重载线路，铁路牵引负载具有功率大、波动大、畸变、负载率低、非线性负载和不对称运行等特点，其运行区间列车数相同。根据以上特点，平衡牵引变压器应用于货运专线首先要满足牵引供电网两牵引供电臂负荷相等，但由于货运专线牵引负载性质的不同，较难满足货运专线牵引供电网两牵引供电臂负载功率因数角相等，即M=1，αZ-βZ在-90°～90°变化时的工况。由式（7）知，Scott接线和Yn/vd接线平衡变压器电流不平衡度ε和负载阻抗角差（αZ-βZ）的ε—(αZ-βZ)变化特性曲线如图3所示。由图3可知，当货运专线列车运行在αZ-βZ=0左右某一区间时，运行区间列车数相同，并且牵引负载性质相同，铁路牵引变压器电流不平衡度在0左右取值，牵引运行时铁路牵引变压器产生的负序电流和谐波电流较少，在此工况下对牵引供电网的影响最小。当货运专线列车运行在αZ-βZ=0到αZ-βZ=±90°之间某一区间时，运行区间列车数相同，但牵引负载的性质不相同，铁路牵引变压器电流不平衡度在0到1之间取值，牵引运行时铁路牵引变压器产生大量的负序电流和谐波电流。当货运专线列车运行在αZ-βZ=±90°附近某一区间时，即货运专线两牵引供电臂负载功率因数角相差90°，铁路牵引变压器电流不平衡度取得最大值1，牵引运行时铁路牵引变压器产生的负序电流基本等于正序电流，并且负序电流达到最大值，在此工况下对牵引供电网的影响最大，可能导致铁路事故发生。3.3 客货混用线路运行工况下电流不平衡度特性结合以上两点分析可知，平衡牵引变压器应用于客货混用线路运行时，因运行区间列车数和牵引负载性质未知，客货混用线路较难满足牵引供电网两牵引供电臂负载功率大小和功率因数角同时都相等，即M，αZ-βZ都变化时的工况。由式（7）知，Scott接线和Yn/vd接线平衡变压器电流不平衡度的ε—M—(αZ-βZ)变化特性曲线如图4所示。由图4可知，铁路牵引变压器电流不平衡度随着的增大而增大。当客货混用线路的M=1且αZ-βZ=0时，铁路牵引变压器电流不平衡度取得最小值0，此时牵引侧两相负载对称，负序电流基本为0，但此运行工况几乎不存在。当客货混用线路列车的| M-1|增大时，铁路牵引变压器电流不平衡度曲线斜率变化小；当客货混用线路列车的增大时，铁路牵引变压器电流不平衡度曲线斜率变化大；最后曲线斜率不再变化时，铁路牵引变压器电流不平衡度取得最大值1，牵引运行时铁路牵引变压器产生的负序电流基本等于正序电流，并且负序电流达到最大值，在此工况下对牵引供电网的影响最大，可能导致铁路事故发生。
由以上分析可知，平衡牵引变压器为主变压器应用于电气化铁路中时，在高密度行车条件下，其牵引供电系统两供电臂容量较均衡，负序电流为0，此时电流不平衡度的影响几乎不存在，因此负序电流对牵引供电系统的影响也不存在。在Matlab/Simulink平台下建立图1所示的铁路牵引变压器实验模型。利用此实验模型研究电气化铁路在不同运行工况下其铁路牵引变压器的电流不平衡度情况，其实验结果如表1所示。由表1的实验数据可知，两种铁路平衡牵引变压器对负序电流有相同的抑制效果，其负序电流和电流不平衡度与铁路牵引变压器的接线型式有关。在相同工况下，虽然两种铁路平衡牵引变压器的电流不平衡度几乎相等，但其在运行的过程中产生的正序电流和负序电流不相等。1）高速客运专线列车运行在M=1和货运专线列车运行在αZ-βZ=0左右某一区间时，铁路牵引变压器电流不平衡度在0左右取值，牵引运行时铁路牵引变压器产生的负序电流和谐波电流较少，在此工况下对牵引供电网的影响最小。当客货混用线路的M=1且αZ-βZ=0时，铁路牵引变压器电流不平衡度取得最小值0，但此运行工况几乎不存在。2）高速客运专线列车运行在M=1到M=0之间和货运专线列车运行在αZ-βZ=0到αZ-βZ=±90°之间某一区间时，铁路牵引变压器电流不平衡度在0到1之间取值，牵引运行时铁路牵引变压器产生大量的负序电流和谐波电流。3）高速客运专线列车运行在M=0和货运专线列车运行在αZ-βZ=±90°附近某一区间以及客货混用线路列车的| αZ-βZ|和| M-1|增大时，铁路牵引变压器电流不平衡度取得最大值1，牵引运行时铁路牵引变压器产生的负序电流基本等于正序电流，并且负序电流达到最大值，在此工况下对牵引供电网的影响最大，可能导致铁路事故发生。4）在相同的运行工况下，平衡牵引变压器的电流不平衡度虽然具有相同的变化规律，但是在实际运行过程中产生的负序电流和正序电流不相等，其运行消耗的功率也不相等。
【相关文献】［1］ Luo An，Ma Fujun，Wu Chuanping，et -loop Control Strategy of Railway Static Power Regulator Under V/V Electric Traction System Power Electronics［J］.IEEE Power Electronics，2011，26（7）：2079-2091.［2］ Zhang Z W，Wu B，Kang J S，et al.A Multi-purpose Balanced Transformer for Railway Traction Applications［J］.IEEE Del，2009，24（2）：711-718.［3］ 盛义发，喻寿益，桂卫华，等.轨道车辆用永磁同步电机系统弱磁控制策略［J］.中国电机工程学报，2010，30（9）：74-79.［4］ 盛义发，刘升学，喻寿益，等.城轨牵引内置式永磁同步电机转速及转子位置检测［J］.电机与控制学报，2012，16（7）：34-39.［5］ Wang B，Dong X Z，Bo Z Q，et ve-sequence Pilot Protection with Applications in Open-phase Transmission Lines［J］.IEEE Del，2010，25（3）：1306-1313.［6］ 孙谦，姚建刚，李欣然，等.基于聚类趋势分析与逐步回归的电铁牵引负载负序源模型研究［J］.中国电机工程学报，2012，32（34）：120-128.［7］ 张志文，李晓海，张洪浩，等.基于FBD法的基波正负序电流实时检测方法［J］.电力系统自动化，2012，36（6）：96-100.
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电气化铁路平衡牵引变压器电流不平衡度研究
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电气化铁路平衡牵引变压器电流不平衡度研究
李永胜;盛义发;桂卫华;喻寿益
【摘 要】针对电气化铁路牵引变压器的电流不平衡度问题,以电气化铁路运行的两种典型平衡牵引变压器为研究对象,采用变压器磁势平衡原理、绕组接线方程和对称分量法为理论基础的系统化分析方法,推导出不同工况下电流不平衡度通式,分析了平衡牵引变压器电流不平衡特性;利用Matlab/Simulink仿真平台建立了平衡牵引变压器实验模型,研究了高速客运、货运及客货混用专线列车用牵引变压器电流不平衡度的变化规律,给出了平衡牵引变压器在3种线路工况下的不同运行控制策略,提出了抑制电流不平衡度的方法.实验结果和理论推导验证了所提方法的正确性和可行性.
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【期刊名称】《电气传动》
【年(卷),期】2014(044)010
【总页数】5页(P69-73)
【关键词】牵引变压器;负序电流;电流不平衡度
【作 者】李永胜;盛义发;桂卫华;喻寿益
【作者单位】南华大学电气工程学院,湖南衡阳421001;南华大学电气工程学院,湖南衡阳421001;中南大学信息科学与工程学院,湖南长沙410083;中南大学信息科学与工程学院,湖南长沙410083
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【正文语种】中 文
【中图分类】TM922
电气化铁路不对称、非线性的牵引负载通过铁路牵引变压器在牵引供电系统中产生大量负序电流和谐波电流，导致铁路牵引网供电系统与电网的不平衡运行；而铁路牵引网供电系统的不平衡运行影响铁路供电系统及电力系统的安全、稳定、经济运行，故铁路牵引变压器负序电流特性与不平衡度一直是研究的热点问题之一［1-4］。