同相供電平衡變換裝置研究

郭明富,趙麗平,常 非,李中西

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,四川成都610031)

目前,高速鐵路牽引供電系統(tǒng)存在的主要問題有負(fù)荷不對(duì)稱性嚴(yán)重;機(jī)車牽引電流大;供電臂中負(fù)荷電流波動(dòng)大;電分相限制了高速鐵路機(jī)車平滑連續(xù)地受流[1,2]等。解決高速鐵路牽引供電系統(tǒng)中負(fù)序、“電分相”、諧波等問題的理想辦法是同相供電系統(tǒng)[3]。同相供電系統(tǒng)指全線用同一相位的單相供電,更理想的是在同一線路或局界內(nèi)貫通,最大限度地避免電分相,從而有利于重載和高速牽引。新型同相供電系統(tǒng)在現(xiàn)有牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上,引入平衡變壓器和平衡變換裝置(BCD:Balance Converting Device),由原有的兩相牽引供電方式轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗喙╇姺绞?如圖1所示,平衡變壓器將來自電力系統(tǒng)側(cè)的三相對(duì)稱電壓變換成兩相電壓。變電所兩個(gè)供電臂通過BCD合并為一條饋線向牽引網(wǎng)供電,使得各個(gè)變電所輸出相位相同的電壓,在變電所饋線處取消電分相。為了防止電力系統(tǒng)經(jīng)多個(gè)變電所構(gòu)成環(huán)路,分區(qū)所的分相絕緣器由分段絕緣器取代。主要對(duì)BCD進(jìn)行了分析計(jì)算,并做了仿真驗(yàn)證其準(zhǔn)確性與合理性。

圖1 同相牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1 計(jì)算模型及理論推導(dǎo)

1.1 平衡變換原理

實(shí)現(xiàn)同相供電的關(guān)鍵器件之一是BCD,它由兩個(gè)“背靠背”四象限電壓型變流器組成,如圖2所示,BCD將現(xiàn)有平衡變壓器其中一相并聯(lián)接入另一相,控制原理是[4]利用中間直流耦合電容作為能量交換環(huán)節(jié),在兩個(gè)端口間實(shí)現(xiàn)有功功率的交換,從而實(shí)現(xiàn)原邊三相電流完全對(duì)稱,同時(shí)饋線側(cè)變流器補(bǔ)償無功、濾除主要諧波。平衡變壓器副邊電壓為27.5 kV,為與電力電子開關(guān)器件的性能相匹配,采用變比20:1的隔離變壓器T1和T2。如圖2標(biāo)注,設(shè)BCD兩端電壓為

饋線負(fù)載電流為

ih(t)為負(fù)載的n次諧波電流。

BCD的調(diào)節(jié)目標(biāo)是使變壓器兩副邊繞組均輸出幅值相同的純有功電流,設(shè)該電流的期望值分別為

因負(fù)載有功功率都應(yīng)該由電源提供,所以有:

式中IL為負(fù)載電流有效值。則BCD兩端的電流期望值分別為:

圖2 平衡變換器結(jié)構(gòu)

1.2 元件參數(shù)計(jì)算

假設(shè)直流側(cè)電壓的期望值為Ud,直流側(cè)電壓為uc(t),電容C上的紋波電壓為ua(t),L1、L2中的電流分別為iL1(t)、iL2(t),系統(tǒng)正常穩(wěn)定運(yùn)行時(shí),如圖2標(biāo)注則有:

k為隔離變壓器變比。

假設(shè)允許直流側(cè)電壓波動(dòng)最大值為Uw,可得:

式中t1為直流側(cè)電壓進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后,在一個(gè)周期內(nèi)ua(t)為峰值的時(shí)刻。

電感L1、L2的取值不能太小,在允許的范圍內(nèi)盡可能的取較大值,否則IGBT開關(guān)頻率會(huì)很高,損耗會(huì)很大,但也不能太大,若電感值過大會(huì)導(dǎo)致電感電流無法跟蹤上指令電流,因?yàn)殡姼袝?huì)阻礙自身電流的變化。設(shè)d和e兩點(diǎn)間電壓為ude(t),f和g兩點(diǎn)間電壓為ufg(t)有:

zL1,zL2分別為L1,L2的阻抗。

對(duì)L1,L2的取值必須考慮到當(dāng)直流側(cè)電壓紋波處于波谷時(shí)也能使L1,L2中的電流跟蹤上指令電流。假設(shè)直流側(cè)電壓紋波處于波谷,則有:

此時(shí)要使L1、L2中電流能跟蹤上指令電流,則需要滿足條件:

根據(jù)式(23)、(24)即求得 L1、L2的上限值為:

2 平衡變換器的控制策略

BCD為兩個(gè)“背靠背”的單相變流器,分別為整流部分和逆變部分。從控制方法角度講,逆變和整流系統(tǒng)的控制方法主要有兩大類:直接電流控制和間接電流控制。因?yàn)锽CD對(duì)電流實(shí)時(shí)性要求較高,所以對(duì)整流部分和逆變部分都采用直接電流控制。這里采用最常用的滯環(huán)電流控制。采用滯環(huán)控制系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單,電流響應(yīng)速度快,控制運(yùn)算中未使用電路參數(shù),系統(tǒng)魯棒性好。通過研究表明,滯環(huán)電流控制中,開關(guān)頻率是一個(gè)變量,它與滯環(huán)寬度、直流側(cè)電壓和電感值有關(guān)。

對(duì)于整流部分采用雙閉環(huán)控制[5],控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3,其外環(huán)是直流電壓控制環(huán),內(nèi)環(huán)是交流電流控制環(huán)。考慮電壓外環(huán)信號(hào)的采樣延遲環(huán)節(jié)可以得到電壓外環(huán)控制器結(jié)構(gòu)圖,如圖4所示。

圖3 整流部分控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖4 整流部分外環(huán)電壓控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

對(duì)于電流內(nèi)環(huán)按典型Ⅰ型系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),電流內(nèi)環(huán)可以近似等效成一個(gè)慣性環(huán)節(jié),其慣性時(shí)間常數(shù)為3Ts,通過分析可知電流內(nèi)環(huán)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

式中,Ts為PWM 開關(guān)周期。為簡化控制結(jié)構(gòu),將電壓采樣小慣性時(shí)間常數(shù)τv和電流內(nèi)環(huán)等效小時(shí)間常數(shù)3Ts合并,即 Tev=τv+3Ts,且不考慮負(fù)載電流 iL的擾動(dòng),經(jīng)簡化處理得到電壓外環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為:

根據(jù)三階最佳整定法,可以直接計(jì)算出Tv=4T ev,K=

由于電壓外環(huán)的主要控制作用是穩(wěn)定直流母線電壓,故其控制系統(tǒng)整定時(shí)著重考慮電壓外環(huán)的抗擾動(dòng)性能。

圖5 逆變部分控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

逆變部分要求逆變電流能夠快速跟蹤指令電流,所以逆變控制用電流反饋的滯環(huán)控制。把給定電流信號(hào)與交流電流輸入信號(hào)進(jìn)行比較,兩者的偏差作為滯環(huán)比較器的輸入,通過滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制主電路中開關(guān)管通斷的PWM 信號(hào),該P(yáng)WM 信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路去控制主電路開關(guān)管的通斷,從而控制交流電流的變化,其控制原理如圖5所示。

3 仿真分析

用Matlab/simulink仿真,得仿真結(jié)果如下。

圖6到圖8說明補(bǔ)償前對(duì)變壓器來說負(fù)載電流極度不平衡且含有大量諧波。

圖9圖10說明通過BCD平衡補(bǔ)償后變壓器負(fù)載電流為比較標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)稱電流,且只含少量高次諧波。

圖11為BCD輸出的補(bǔ)償電流波形,它不僅傳遞有功使變壓器負(fù)載平衡,而且還補(bǔ)償負(fù)載的無功和諧波,所以其波形具有諧波無功電流。

圖12說明BCD直流環(huán)節(jié)電壓能很快地穩(wěn)定在設(shè)定電壓附近,具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

圖6 負(fù)載電流

圖7 補(bǔ)償前牽引變壓器次邊電流

圖8 補(bǔ)償前牽引變壓器原邊電流

圖9 補(bǔ)償后牽引變壓器原邊電流

圖10 補(bǔ)償后牽引變壓器次邊電流

圖11 平衡變換器輸出的補(bǔ)償波形

圖12 BCD直流環(huán)節(jié)電壓

4 結(jié)束語

借助BCD和平衡變壓器的同相供電系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)三相到單相的平衡轉(zhuǎn)換,BCD能傳遞有功,補(bǔ)償負(fù)載低次諧波和無功,很好地解決牽引供電系統(tǒng)中負(fù)序、無功、諧波、“電分相”等傳統(tǒng)問題,最后使得牽引負(fù)荷對(duì)于電網(wǎng)來說相當(dāng)于一個(gè)純電阻負(fù)載。

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