高速铁路同相供电：独立式平衡补偿原理

图2.19为独立双边式平衡补偿原理图，其中牵引主变压器为单相变压器，如图2.19中①所示，它主要承担供电的任务。平衡补偿装置由连接110 kV侧的平衡补偿变压器、交直交变流器和连接27.5 kV的单相匹配变压器构成，主要承担平衡补偿的任务，同时兼有供电功能。平衡补偿变压器为YN，d11接三相变压器，如图2.19中②所示，通常要求它与单相牵引主变压器相匹配，形成“Scott效应”，通过控制使单相牵引主变压器和平衡补偿装置各承担一半负荷，从而使各自的容量减半，并通过“Scott效应”消除负序。牵引主变压器换为三相变压器，平衡补偿变压器换为单相变压器，效果一样。所以接线形式有两种：一种是牵引主变压器为单相而补偿变压器为三相；另一种是牵引主变压器为三相而补偿变压器为单相，两种接线形式原理和功能完全相同。交直交变流器由整流器（图2.19中③）和逆变器（图2.19中④）组成，现代常用的整流器有单相全桥不可控二极管整流器和单相全桥PWM整流器两种类型。与一体式相同，二极管整流器成本低、管耗小，功率因数较高，但无法实现电能回馈，会给电网造成谐波污染。而PWM整流器通过适当的控制可以大幅度减小谐波和提高功率因数；可以实现双向功率传输；可以通过直流稳压自动调节器使直流侧电压稳定，改善装置的性能；通过引入适当的控制策略，减小直流侧电容的容量，提高装置运行的可靠性。逆变器一般采用单相全桥PWM逆变器。关于PWM整流器和PWM逆变器的工作原理，可参见本书第6章，以下仅做简要介绍。

图2.19　独立式结构平衡补偿原理

1．Scott效应与补偿策略

图2.19中牵引变压器接系统BC相间，对应的负荷接线角为ψBC=90°；而三相平衡补偿变压器的ac端口接负载，ac端口与系统A相电压同相，对应的负荷接线角为ψA=0°。如果牵引变压器和平衡补偿系统各承担一半牵引负荷，即，那么，根据式（1.109），系统总负序电流为

式中，第1项为一半牵引负荷电流经平衡补偿系统后在系统侧产生的负序电流，对应；第2项为一半牵引负荷电流经过单相牵引变压器后在系统侧产生的负序电流，对应。二者大小相等、相位相反，所以总负序电流为零。这就是由单相变压器和三相变压器共同构成的“Scott效应”作用的结果，这也是独立式结构要求平衡补偿变压器与牵引主变压器必须匹配的原因。按照“Scott效应”，可以仅考虑负序的补偿，也可对负序和无功同时补偿。

1）仅补偿负序

前面讨论的是牵引主变压器与平衡补偿系统各承担一半总负荷容量，这样可以完全补偿负序。当牵引负荷存在无功功率时，牵引主变压器和平衡补偿系统各需承担一半无功功率。由于无功功率的存在增大了设备容量，并降低了系统的功率因数。所以，这种补偿策略主要用于无功功率很小的情况，如交直交电力机车负荷无功功率基本为零，适合采用这种补偿策略。

2）负序和无功同时补偿

当牵引负荷的功率因数较低时，如交直电力机车，负荷的功率因数接近cosφf=0.8，那么仅补偿负序时，牵引主变压器和平衡补偿系统的所有设备容量会因为无功功率存在而增大约1/cosφf=1.25倍。为了降低设备容量、提高系统功率因数，希望牵引负荷的无功功率由逆变器全部补偿，考虑无功功率只在交直交的直流侧与27.5 kV的交流侧交换，所以逆变器和匹配变压器的实际承担的负荷容量为一半负荷有功功率和全部的负荷无功功率，即，而整流器、平衡补偿变压器只承担一半有功功率，但平衡补偿变压器只用一个端口，容量利用率为50%，其实际容量应按照承担全部负荷有功功率选择，所以牵引主变压器、平衡补偿变压器、整流器、逆变器、27.5 kV匹配变压器实际容量应按照、0.72Sf和0.72Sf进行选择。

2．平衡补偿原理(www.xing528.com)

平衡补偿功能主要是通过对交直交变流器控制实现的。交直交变流器工作原理与一体式相似，只是控制目标略有差异。交直交变流器的整流器将单相交流电变为直流电，再由逆变器变为牵引负荷需要的交流电。

1）逆变原理

逆变功能由单相逆变器完成，它由PWM单相逆变器主电路和由信号检测处理、滞环电流比较、PWM驱动构成的控制电路组成。通过信号检测与处理电路得到牵引负荷电流及其有功、无功分量，进而可得到单相逆变器的期望输出电流（关于电流检测内容可参见第5章）。期望输出电流与实际输出电流进行比较，其差值经滞环比较器比较后送向PWM驱动电路。PWM驱动电路产生一系列控制脉冲，驱动单相逆变器主电路使其输出电流接近期望值。当逆变器期望输出电流与实际输出电流的差值Δiph大于零并超过滞环比较器的上边界，即Δiph＞h时，则会驱动主电路增大输出电流；而当差值Δiph小于零并超过滞环比较器的下边界即Δiph＜-h时，则会驱动主电路减小输出电流，最终使实际输出电流逼近期望输出电流。

逆变器的期望输出电流与控制目标有关。假设牵引负荷电流为

式中，ip（t）、iq（t）分别为牵引负荷电流的有功分量和无功分量。

如果仅补偿负序，供电和补偿各承担一半负荷，则逆变器的期望电流为；如果完全补偿无功和负序时，主变压器只承担一半有功功率，则逆变器的期望电流为。前者不需要分离有功和无功电流分量，检测算法简单且无延时；后者需要分离出有功和无功电流分量，检测算法复杂，且算法存在延时。

2）整流原理

整流功能由PWM单相整流器完成，采用了前馈直接电流控制，它由主电路、信号检测与处理电路、电流跟踪控制电路和PWM驱动电路组成。通过信号检测与处理电路得到系统向整流器输入的期望电流，整流器的期望输入电流与实际输入电流的差值Δica经滞环比较器和PWM驱动电路产生一系列脉冲，控制整流器主电路开关，使输入整流器的电流逼近期望电流。当差值Δica大于零并超过滞环比较器的上边界，调整整流器使其输入电流增大；当差值Δica小于零并超过滞环比较器的下边界，调整整流器使其输入电流减小，从而使输入电流逼近期望电流。

控制目标同样有两种选择：一种是只补偿负序电流时，只要单相变压器和补偿装置各承担一半负荷总容量即可，这种情况多用于牵引负荷无功功率较小或可以忽略无功功率的影响的场合，尤其交直交电力机车一般情况下功率因数接近于1，不需要考虑无功补偿；另一种是单相主变压器和补偿装置各承担一半负荷有功功率，所有牵引负荷的无功功率都有补偿装置承担。为满足“Scott效应”，当仅补偿负序电流时，则参考电流满足；而无功和负序全部补偿时，则参考电流满足，且与同相位。

同样，为了使直流侧电压稳定，减小波动，引入了直流电压反馈调节电路。电压反馈调节电路主要包括电压比较和PI调节器。其原理与一体式相同，当直流电压偏离给定值，通过比较得到偏差值ΔEd，根据偏差值，通过PI调节器控制期望电流的幅值增大或减小。当，则使的幅值增大，从而加大系统向整流器输入的功率，使电容电压升高；当，则使的幅值减小，从而减小系统向整流器输入的功率，使电容电压降低。