貫通式同相供電系統(tǒng)電能變換器的研究

張 睿

0 引言

國內(nèi)電氣化鐵路采用單相工頻交流牽引供電系統(tǒng)，由于其結(jié)構(gòu)和牽引負(fù)荷的特殊性，造成電力系統(tǒng)三相負(fù)載嚴(yán)重不對稱，存在大量諧波電流和無功功率，威脅電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。牽引供電系統(tǒng)中通過增加電分相來改善不對稱負(fù)載對電力系統(tǒng)的影響，但是，電分相的存在使電力機(jī)車安全運(yùn)行存在較大隱患，制約了高速、重載鐵路的發(fā)展。近年來國內(nèi)外嘗試采用現(xiàn)代電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)三相/單相對稱變換，即采用同相供電方式來解決上述問題。

文獻(xiàn)[1～4]提出了有源濾波器分別與V/v接變壓器、YN，vd平衡變壓器、阻抗匹配平衡變壓器以及斯科特變壓器相結(jié)合的同相供電方案，實(shí)現(xiàn)了三相/單相平衡變換，而且能動態(tài)補(bǔ)償諧波和無功功率，但這些組合對于實(shí)現(xiàn)全線貫通供電均具有一定的制約性。由電能變換裝置構(gòu)成的貫通式同相供電系統(tǒng)能夠從根本上解決牽引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題，取消相鄰供電區(qū)段的電分相，是未來牽引供電系統(tǒng)的發(fā)展方向。論文研究了一種基于雙PWM變換器技術(shù)的電能變換器方案，該方案能實(shí)現(xiàn)三相/單相對稱變換，并補(bǔ)償無功和諧波。

1 貫通式同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

同相供電系統(tǒng)是指線路上不同變電所供電區(qū)段的接觸網(wǎng)電壓相位相同，線路上無電分相環(huán)節(jié)的牽引供電方式。貫通式同相供電系統(tǒng)通過升壓變壓器、降壓變壓器和交-直-交電能變換器在牽引變電所實(shí)現(xiàn)三相/單相對稱變換，可以現(xiàn)實(shí)全線貫通供電，如圖1所示。

圖1 貫通同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

由于牽引變電所采用全變換供電方式，牽引網(wǎng)形成獨(dú)立于三相電力系統(tǒng)的環(huán)形供電網(wǎng)絡(luò)，電力系統(tǒng)僅與牽引網(wǎng)側(cè)交換有功功率，三相負(fù)荷平衡，不存在負(fù)序問題。同時，貫通式同相供電系統(tǒng)輸出的牽引饋線電壓大小、相角均可自行控制，可以有效調(diào)度牽引供電系統(tǒng)負(fù)荷潮流，可降低牽引變電所容量，提高其容量利用率[5]。

2 電能變換器結(jié)構(gòu)及變換原理

基于雙PWM變換器技術(shù)的電能變換器主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，2個PWM變換器在直流電容的緩沖作用下傳遞有功功率。其主要由輸入電感、三相整流器、直流支撐電容、單相逆變器以及輸出電感、電容組成。交-直-交電能變換器通過三相整流以及單相逆變實(shí)現(xiàn)三相/單相對稱變換，三相PWM整流器與降壓變壓器相連，一方面要控制輸出直流電壓穩(wěn)定，另一方面還要實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行；單相PWM逆變器與升壓變壓器相連，輸出幅值、頻率穩(wěn)定的電壓，同時，動態(tài)補(bǔ)償牽引負(fù)荷的無功功率和諧波。由于現(xiàn)階段電力電子器件耐壓和功率的限制，實(shí)現(xiàn)貫通式同相供電的牽引變電所可以采用多個電能變換器并聯(lián)的形式。

圖2 電能變換器主電路結(jié)構(gòu)示意圖

假設(shè)單相PWM逆變器輸出電壓uN無畸變，其表達(dá)式為

式中，UN為單相逆變器輸出額定電壓；ω為角頻率。

單相PWM逆變器輸出牽引負(fù)荷電流為

式中，I1為單相PWM逆變器輸出牽引負(fù)荷電流基波分量有效值；φ1為基波相位；In為第n次諧波分量有效值；φn為第n次諧波相位。

單相逆變器輸出的瞬時功率為

單相逆變器輸出的有功功率為

忽略PWM變流器、電容以及電感的損耗，電能變換器兩側(cè)的有功功率應(yīng)該平衡。即

式中，Ua、Ia分別為三相PWM整流器輸入側(cè)相電壓、相電流有效值。

可見，電能變換器輸入電流隨著牽引負(fù)荷電流的變化而不同。

由式（3），忽略牽引負(fù)荷電流中的高次諧波分量，單相逆變器瞬時輸出功率為

由于電能變換器通過直流電容傳送功率，由式（7）可知直流側(cè)電容電壓存在電網(wǎng)電壓頻率的 2次諧波。同時，三相PWM整流器采用電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)PI控制結(jié)構(gòu)，為了減小直流電壓諧波對電能變換器輸入電流質(zhì)量的影響，論文中采用在電壓外環(huán)中加入對反饋的直流電壓值進(jìn)行二階低通濾波來消除諧波干擾對控制的影響[7]。

3 交-直-交電能變換器控制策略

電能變換器的核心是 2級電壓型 PWM 變換器，因此對電能變換器的控制也即協(xié)調(diào)控制2個電壓型PWM變換器，實(shí)現(xiàn)功率流的平衡。因?yàn)椴捎昧私?直-交變換結(jié)構(gòu)，通過母線直流電容在2級變換器中傳遞能量，可以將整流和逆變分開控制。

3.1 三相PWM整流器控制方式

電壓型PWM整流器的直接電流控制技術(shù)具有快速的電流響應(yīng)和魯棒性，其主要包括滯環(huán)電流控制、預(yù)測電流控制、諧振控制和線性PI控制。經(jīng)比較，本文采用基于瞬時有功、無功電流的電壓電流雙閉環(huán)PI控制，其中調(diào)制方式采用電壓空間矢量控制技術(shù)。

通過坐標(biāo)變換將三相對稱靜止坐標(biāo)系中的基波正弦變量轉(zhuǎn)化成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流變量，當(dāng)選取同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系 d軸與電網(wǎng)電動勢矢量重合時，d軸表示有功分量參考軸，q軸表示無功分量參考軸。為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)有功、無功的獨(dú)立控制，采用前饋解耦控制策略，三相PWM整流器的雙環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。雙閉環(huán)PI控制的電壓外環(huán)用來控制直流側(cè)電壓，使直流側(cè)電容電壓在穩(wěn)態(tài)和擾動情況下保持穩(wěn)定；電流內(nèi)環(huán)用來控制交流側(cè)電流，使電流相位跟蹤電網(wǎng)電壓相位，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行和交流側(cè)電流正弦化?；赟VPWM方式輸出的開關(guān)信號頻率固定，可以減小開關(guān)噪聲，提高系統(tǒng)的動態(tài)性能[9]。

圖3 三相整流器控制系統(tǒng)框圖

3.2 單相逆變器控制方式

單相逆變器輸出控制方法有雙閉環(huán)控制、無差拍控制、重復(fù)控制等，其中，雙閉環(huán)控制具有控制器設(shè)計(jì)簡單，輸出電壓波形失真小，動態(tài)響應(yīng)速度快等特點(diǎn)。由于電能變換器需要準(zhǔn)確跟蹤給定的牽引負(fù)荷電流，本文采用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式對單相逆變器進(jìn)行控制[10]。

電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制通過采樣濾波電感電流iL或電容電流iC和濾波電容電壓uC，用外環(huán)電壓誤差的控制信號去控制電流，通過調(diào)節(jié)電流使輸出電壓跟蹤參考電壓值。目前的逆變器大多采用電感電流控制，選擇電感電流可使系統(tǒng)自身具有限流功能，且較容易實(shí)現(xiàn)多級并聯(lián)。選擇電感電流iL和濾波電容電壓uC的雙閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖如圖4所示。圖中，Kf1為外環(huán)反饋通道增益；Kf2為內(nèi)環(huán)反饋通道增益；1/KPWM為PWM環(huán)節(jié)等效增益；Gu(s)為外環(huán)校正網(wǎng)絡(luò)；Gi(s)為內(nèi)環(huán)校正網(wǎng)絡(luò)。

圖4 單相逆變控制系統(tǒng)框圖

4 仿真驗(yàn)證

在 Matlab/Simulink下搭建交-直-交電能變換器仿真模型，為了模擬牽引負(fù)載的運(yùn)行，在電能變換器中加入升壓變壓器、降壓變壓器，其中，三相降壓變壓器變比為 110/3.5，升壓變壓器變比為3.5/27.5。負(fù)載分別采用交-直-交型和交-直型機(jī)車，機(jī)車有功功率設(shè)定P = 4 000 kW。同時，電能變換器的仿真模型參數(shù)設(shè)為Ea= 3.5 kV，UC= 3.5 kV，La= Lb= Lc= 2 mH，Cdc= 8 mF，Udc= 5 kV，L =9 mL，C = 1.5 mF。仿真結(jié)果如圖5、圖6所示。

圖5 交-直-交牽引負(fù)載仿真結(jié)果波形圖

圖6 交-直牽引負(fù)載仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可以看出，無論是交-直-交型負(fù)載，還是模擬交-直型負(fù)載，電能變換器都能準(zhǔn)確跟蹤負(fù)載電流，穩(wěn)定饋線電壓，三相降壓變壓器高壓110 kV側(cè)相同端口電壓與電流同相位，三相電流對稱，牽引供電系統(tǒng)對于電力系統(tǒng)相當(dāng)于一個三相對稱的純阻性網(wǎng)絡(luò)。同時，原邊電流波形畸變率在規(guī)定范圍內(nèi)。

5 結(jié)束語

電能變換器是貫通式同相供電系統(tǒng)的核心，本文研究了一種基于雙PWM變換器技術(shù)的電能變換器方案，在雙閉環(huán)控制策略下，電能變換器能實(shí)現(xiàn)三相/單相對稱變換，并對牽引負(fù)載產(chǎn)生的諧波和無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，三相系統(tǒng)原邊側(cè)電流對稱，牽引供電系統(tǒng)對于電力系統(tǒng)相當(dāng)于一個三相對稱的純阻性網(wǎng)絡(luò)。論文的研究為貫通式同相供電系統(tǒng)的建設(shè)奠定了理論基礎(chǔ)。

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