Scott三相平衡牵引供电系统及其工作原理分析

杨智灵 李宇航

摘要：现行电气化铁路所采用的供电制式为单相工频25 kV交流制，电力机车为单相负荷，作用于三相电力系统，造成了负载不平衡。牵引网供电方案虽采取了分相分区、轮换相序等措施，但受机车负载空间分布不均匀性的影响，不能彻底消除负序。鉴于此，探讨了一种基于Scott接线变压器与四象限变流器拓扑的Scott三相平衡牵引供电系统，介绍了其系统拓扑及补偿原理。该Scott三相平衡牵引供电系统结构简单，能够实现进线侧三相平衡供电，不仅能消除牵引网有功功率导致的负序，也能消除牵引网无功功率导致的负序，还能对牵引网进行无功治理。该Scott三相平衡牵引供电系统能很好地适用于机车试验线和检修所等应用场合，保证试验线路和检修所供电质量。

关键词：单相负荷；
三相平衡；
牵引供电；
负序补偿

中图分类号：U223.1    文献标志码：A    文章编号：1671-0797（2023）12-0001-05

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.12.001

0    引言

现行电气化铁路所采用的供电制式为单相工频25 kV交流制，而电力机车的牵引负荷是一种单相电力负荷。单相电力负荷作用于三相电力系统，给三相电力系统造成了负载不平衡，即带来了负序电流。负序电流给三相电力系统的稳定性和供电质量都造成了不利影响。通常情况下，为减小负序电流带来的影响，牵引网供电方案采取分相分区、轮换相序等措施，受机车负载空间分布不均匀性的影响，该措施不能根本消除负序[1]。

三相平衡牵引供电系统主要功能之一就是解决牵引负载带来的负序问题，目前主要有以下几种方案：

（1）无源补偿方案。由平衡变压器配合以无源补偿器件构成：无源补偿器通常为晶闸管控制电抗器（Thyristor Controlled Reactor，TCR）、晶闸管投切电容器（Thyristor Switched Capacitor，TSC）等设备，特点是补偿功率只能是無功，不可兼顾有功负序和无功负序，且会产生低次谐波。

（2）全功率方案。由输入降压变和三相-单相变流器构成，特点是所有牵引功率流经变压器和变流器，效率低。

（3）同相供电方案。由牵引变压器和同相供电装置构成，特点是变压器和变流器同时为牵引负载提供功率，变流器兼具补偿功能。

从功率传输路径看，无源补偿方案和全功率方案是三相平衡牵引供电的两个极端。无源补偿方案中所有的有功功率从变压器流通，补偿装置不传递有功，但由于补偿装置只提供无功，导致补偿灵活性不够，无法适应负载功率因数变化的负序补偿。全功率方案中变流器传递所有的有功功率，该方案对于负序有很好的缓冲效果，但是所有功率流经变压器和交直交变流器，导致效率降低。同相供电方案则是上述两种极端方案的中间方案，与前两个方案相比，同相供电方案拓扑多种多样，主要有单相组合式、单三相组合式。同相供电方案中的补偿装置既可以提供无功补偿又可以进行有功传输，且牵引负载功率由变压器和补偿装置共同提供，因此其负序治理的灵活性和功率传输效率都得到了提高。

近年来，新型同相供电技术在铁路领域逐步推广，牵引所负序问题逐步得到解决[2-10]。为适应外部电网110 kV或220 kV高电压以及较大的牵引负载容量，从设备经济效益考虑，同相供电装置一般采用AC-DC-AC背靠背变流拓扑以及高压级联并网的技术。这种方案直接用到厂内试验线或车辆检修所的牵引供电，设计裕量过大，属于大材小用。

本文探讨了一种基于Scott接线变压器与四象限变流器拓扑的Scott三相平衡牵引供电系统，介绍了其系统拓扑及补偿原理。该Scott三相平衡牵引供电系统结构简单，能够实现进线侧三相平衡供电，不仅能消除牵引网有功功率导致的负序，也能消除牵引网无功功率导致的负序，还能对牵引网进行无功治理。该Scott三相平衡牵引供电系统能很好地适用于机车试验线和检修所等应用场合，保证试验线路和检修所供电质量。

1    Scott三相平衡牵引供电系统拓扑

Scott三相平衡牵引供电系统拓扑如图1左所示，系统主要的组成设备包括：牵引变压器TT、补偿变压器MT、四象限变流器CVT以及相关的开关器件KH、KT、KC。牵引变压器TT包含两个次边绕组，其中端口T绕组直接为牵引负载供电，端口L绕组为补偿绕组；
补偿变压器MT次边端口K绕组和端口L绕组的电压幅值相等，相位相差90°，两端口共同构成一个电压相位垂直的两相补偿端口连接到四象限变流器CVT。四象限变流器CVT实时检测牵引负载有功功率和无功功率，通过动态控制补偿端口L和K对应绕组电流的大小和相位，对负载进行负序和无功补偿，从而达到抑制三相电网侧负序和无功的目的。图1左所示系统的接线相序、补偿变压器MT和牵引变压器TT次边端口电压与三相电压的相量关系画于图1右侧。

同时由式（6）可以发现，端口K和端口L纯负序补偿时，两端口的有功成分大小相等，符号相反，这意味着图1所示系统的变流器只需要在两端口间转移有功功率，不需要提供有功功率。因此，图1所示系统可以实现纯负序补偿。

2.2    纯无功补偿

若图1所示系统能够实现纯无功补偿，设：负载的视在功率幅值为st，功率因数角为φt；
端口K纯无功补偿的视在功率幅值为sCk，功率因数角为φCk；
端口L纯无功补偿的视在功率幅值为sCl，功率因数角为φCl；
无功补偿度为KC。

式（16）等式右边，加号前的部分为负序补偿分量；
加号后的部分为无功补偿分量。

3    仿真验证

为验证以上推导的正确性，构建基于Matlab/Simulink的仿真模型，如图2所示。

仿真参数：负载视在功率st=3 MVA，负载功率因数cos φt=0.8，补偿系数KN=KC=1；
三相电网电压10 kV，牵引网电压27.5 kV，补偿端口电压780 V。

控制模式：0～0.1 s时间段，不做任何补偿；
0.1～0.2 s时间段，纯负序补偿；
0.2～0.3 s时间段，纯无功补偿；
0.3～0.4 s时间段，负序和无功综合补偿。

仿真波形如图3所示。

從图3仿真波形可见：

（1）0～0.1 s时间段：系统没有任何补偿，此时电网侧的三相电流不平衡；
电网侧的有功和无功瞬时功率为100 Hz波动功率，无功平均功率不为零；
电网三相电流的正序和负序幅值相等，不平衡度为100%。

（2）0.1～0.2 s时间段：系统纯负序补偿，此时电网侧的三相电流平衡；
电网侧的有功和无功瞬时功率稳定，无功功率不为零；
电网三相电流的负序幅值接近零；
系统实现了负序补偿。

（3）0.2～0.3 s时间段：系统纯无功补偿，此时电网侧的三相电流不平衡；
电网侧的有功和无功瞬时功率为100 Hz波动功率，无功平均功率接近零；
电网三相电流的正序和负序幅值不为零；
系统实现了纯无功补偿。

（4）0.3～0.4 s时间段：系统进行负序和无功综合补偿，此时电网侧的三相电流平衡；
电网侧的有功和无功瞬时功率稳定，无功功率接近零；
电网三相电流的负序幅值接近零；
系统实现了负序和无功的综合补偿。

4    结论

本文探讨了一种基于Scott接线变压器与四象限变流器拓扑的Scott三相平衡牵引供电系统方案，并搭建了基于Matlab/Simulink的仿真模型。理论推导与仿真验证证明，本文所提Scott三相平衡牵引供电系统能够实现为单相牵引负载供电时三相电网侧电流的平衡，且能进行电网无功补偿。同时，可以对本系统进行负序和无功的解耦补偿，无功和负序解耦控制，增加了补偿装置补偿的灵活性。根据负载或电网的特性合理设置负序补偿度KN及无功补偿度KC，可以使得补偿变流器达到最优的补偿效果。该方案可满足电力机车调试与线路检修时的供电需求，同时能够实现电力系统侧三相供电平衡，功率因数达标。

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[11] 李群湛.电气化铁道并联综合补偿及其应用[M].北京：中国铁道出版社，1993.

收稿日期：2023-03-03

作者简介：杨智灵（1988—），男，四川巴中人，工程师，研究方向：牵引供电与电力电子技术。

李宇航（1991—），男，山东乐陵人，硕士，工程师，研究方向：列车牵引变流器设计。