基于三相－單相變換器的牽引供電系統(tǒng)及并網(wǎng)控制*

何曉瓊，周瑛英，彭旭，肖建

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都 610031)

牽引供電系統(tǒng)是電氣化鐵道的重要組成部分，其承擔(dān)著向電力機(jī)車(chē)提供能量的任務(wù)。同時(shí)，牽引供電系統(tǒng)又是電力系統(tǒng)的重要負(fù)荷之一，目前絕大多數(shù)國(guó)家均采用三相－兩相分相供電模式，如圖1(a)所示。為了保持系統(tǒng)功率平衡以及提高功率利用率，兩側(cè)中間需設(shè)置電氣隔離——過(guò)分相。該系統(tǒng)主變壓器制造要求低、成本小，可將各牽引變電所兩臂負(fù)荷輪換接入電力系統(tǒng)中的三相。但是，隨著高速、重載的發(fā)展，該種供電模式面臨嚴(yán)峻的考驗(yàn)。為保證電力系統(tǒng)三相負(fù)荷的對(duì)稱(chēng)性，避免頻繁過(guò)分相，世界各國(guó)對(duì)牽引供電系統(tǒng)模式開(kāi)展了諸多研究［1－9］。文獻(xiàn)［1］提出了牽引網(wǎng)同相供電系統(tǒng)，其特性符合高速重載鐵路要求，得到了廣泛重視。目前，采用的一種基于Ynvd平衡變壓器和功率補(bǔ)償器(APC)的同相供電系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)變電所內(nèi)同相供電，可將過(guò)分相個(gè)數(shù)減半［6－7］，如圖 1(b)所示;基于電力電子技術(shù)的補(bǔ)償系統(tǒng)也可以較好的解決有功平衡、無(wú)功或諧波補(bǔ)償?shù)葐?wèn)題［5－12］。但這些補(bǔ)償裝置均沒(méi)有改變牽引變電所的主結(jié)構(gòu)，牽引變電所間不能實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行［13－14］。

圖1 2種牽引供電系統(tǒng)模式Fig.1 Two types of traction power supply system

本文研究作為牽引變電所核心設(shè)備的三電平三相－單相二極管箝位變換器。在此基礎(chǔ)上，建立基于此變換器的貫通式牽引供電系統(tǒng)模型。該系統(tǒng)利用電力電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)牽引網(wǎng)全線(xiàn)貫通，徹底取消牽引網(wǎng)過(guò)分相，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)三相負(fù)荷對(duì)稱(chēng)，可以大大改善電能質(zhì)量，是一種理想的牽引供電系統(tǒng)。

1 貫通式牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2所示為本文研究的貫通式牽引供電系統(tǒng)模型，基于三相－單相變換器的牽引變電所從三相電網(wǎng)取電，通過(guò)“三相整流－直流－單相逆變”變換可獲得幅值/相位相等的單相交流電為機(jī)車(chē)供電，也對(duì)牽引負(fù)載的無(wú)功、諧波進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)可以平衡分配三相－單相系統(tǒng)有功電流。其中牽引變電所主設(shè)備是三電平三相－單相變換器，由三電平三相PWM整流器與三電平H橋式單相PWM逆變器背靠背組成，由于三相系統(tǒng)側(cè)與單相系統(tǒng)側(cè)的PWM變換器都具有四象限運(yùn)行的能力，因此，能夠?qū)⒂泄δ芰吭趦蓚?cè)系統(tǒng)間傳遞，并通過(guò)三相系統(tǒng)側(cè)的PWM整流器實(shí)現(xiàn)三相電網(wǎng)有功電流的平衡;同時(shí)，通過(guò)單相系統(tǒng)側(cè)的PWM逆變器提供牽引供電及貫通并網(wǎng)能力。

圖2 貫通式牽引供電系統(tǒng)Fig.2 Co － phase connected system

2 貫通式牽引供電系統(tǒng)變電所結(jié)構(gòu)

2.1 三相－單相變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

顯然，三相－單相變換器是上述貫通式牽引供電系統(tǒng)的核心部件。圖3所示的三電平三相－單相二極管箝位變換器主要由3個(gè)子模塊組成。

(1)三相變換器:在三相電網(wǎng)和直流環(huán)節(jié)之間傳遞能量。牽引工況下，作為整流器將電網(wǎng)側(cè)的三相電轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的直流電，從電網(wǎng)吸收能量;再生工況下，作為逆變器將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)槿嚯?，向電網(wǎng)回饋能量;

(2)支撐電容:串聯(lián)電容儲(chǔ)存能量，為背靠背變換器提供直流電壓。

(3)單相變換器:在牽引網(wǎng)和直流環(huán)節(jié)之間傳遞能量。

在牽引工況下，作為逆變器將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率幅值相位可調(diào)的單相電，從直流側(cè)汲取能量，為機(jī)車(chē)供電;在再生工況下，作為整流器將單相電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，給直流側(cè)輸送能量。

2.2 三相變換器及其控制

三相二極管鉗位三電平變換器開(kāi)關(guān)等效電路如圖4所示，3個(gè)橋臂開(kāi)關(guān)分別用Sa，Sb和Sc表示，其中:S∈{1，0}，k=a，b，c。假設(shè)三相電網(wǎng)平

圖3 基于三相－單相二極管箝位三電平變換器的牽引變電所結(jié)構(gòu)Fig.3 Traction substation structure based on three－phase to single－phase three－level diode－clamped converter

k衡，有ua+ub+uc=0，且各相網(wǎng)側(cè)電阻和電感值相等，分別為Rs和Ls。各橋臂中點(diǎn)對(duì)地電壓Vk=(Sk－)U;k=a，b，c。根據(jù)基爾霍夫定理dc可得式(1)，對(duì)式(1)中的ua，ub和uc進(jìn)行 abc－dq坐標(biāo)變換，得到dq坐標(biāo)下的三相變換器的數(shù)學(xué)模型，如式(2)所示。

圖4 三相二極管鉗位三電平變換器開(kāi)關(guān)等效電路Fig.4 Switch equivalent circuit of three－ phase threelevel diode－clamped converter

由于三相側(cè)變換電路工作在通用PWM整流與有源逆變模式，因此采用傳統(tǒng)的dq解耦控制系統(tǒng)。具體來(lái)說(shuō)，以三相電壓為參考，對(duì)網(wǎng)側(cè)電流信號(hào)鎖相后進(jìn)行有功無(wú)功解耦，然后，采集直流側(cè)實(shí)際電壓與給定電壓做比較，差值經(jīng)PI控制器輸出量與三相電流d分量比較，經(jīng)PI控制器輸出電流控制指令信號(hào)的d分量，另一方面將三相電流q分量與給定值0比較，經(jīng)PI控制器輸出電流控制指令信號(hào)的q分量。然后，根據(jù)式(2)計(jì)算得到電壓的dq分量，將其逆變換，經(jīng)SVPWM控制模塊后輸出三相橋開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。如此，既得到了穩(wěn)定的直流電壓，也保證了網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)為單位1。三相PWM變換器的控制原理如圖5所示。

圖5 三相PWM變換器控制原理框圖Fig.5 Three－phase PWM converter control block diagram

2.3 單相變換器及并網(wǎng)控制

在牽引網(wǎng)已穩(wěn)定工作情況下，單相PWM變換器可等效為具有輸出電壓頻率、相位和幅值可控的電壓源。簡(jiǎn)化的兩逆變器并網(wǎng)回路如圖6所示。

圖6 逆變器并網(wǎng)簡(jiǎn)化電路Fig.6 Inverter parallel simplified circuit

逆變器n(n=1，2)的輸出電流為

則輸出功率為

其中:Pn為逆變器n輸出的有功功率，Qn為變流器n輸出的無(wú)功功率:

由于線(xiàn)電阻與線(xiàn)電感相比一般很小，又因?yàn)棣課通常很小，sinφn≈ φn，cosφn≈ 1，則式(5)和(6)可簡(jiǎn)化為:

有功無(wú)功分別對(duì)相角和電壓求偏導(dǎo):

由式(9)和式(10)可得，單相PWM變換器的無(wú)功電流指令可通過(guò)檢測(cè)牽引網(wǎng)電壓幅值的變化獲得?？紤]到三相電網(wǎng)相位基本不變，以此作為參考即可檢測(cè)牽引網(wǎng)電壓相位從而獲得單相PWM變換器所需的有功電流指令。在dq坐標(biāo)系下，通過(guò)單相系統(tǒng)的電壓電流耦合關(guān)系生成電壓指令，同時(shí)考慮零序電流分量的控制，即可合成單相PWM變換器的電壓給定。最后，控制器驅(qū)動(dòng)變換器即可實(shí)現(xiàn)變換器的并網(wǎng)與受流功能。單相PWM變換器控制原理如圖7所示。

圖7 單相變換器控制原理框圖Fig.7 Single－phase PWM converter control block diagram

本文采用數(shù)學(xué)運(yùn)算以及濾波的方法檢測(cè)單相電流有功、無(wú)功以及諧波分量。電流is(t)可表示為有功分量、無(wú)功分量以及諧波分量之和:

式(11)等號(hào)兩邊同乘以sinωst可得式(12)。從式(12)可知:只需對(duì)is(t)sinωst進(jìn)行低通濾波即可得到有功分量直流量的一半，然后再乘以2sinωst即可得到電流有功分量的瞬時(shí)值isp(t)。

is(t)減去上面得到的有功分量，再乘以cosωst，基于同樣的方法可以得到無(wú)功分量isq(t)，而諧波分量ish(t)可由電流減去有功分量和無(wú)功分量得到。

根據(jù)以上計(jì)算過(guò)程可以得到圖8所示的PQ檢測(cè)原理圖，即為圖7中的電流PQ檢測(cè)模塊。

圖8 電流PQ檢測(cè)原理圖Fig.8 The principle of current PQ detection

3 貫通式牽引供電系統(tǒng)模型及仿真參數(shù)

本文建立了基于三相－單相變換器的三變電所貫通式牽引供電系統(tǒng)仿真架構(gòu)圖(如圖9所示)，用以分析貫通式牽引供電系統(tǒng)大多數(shù)工況。變電所均采用圖3結(jié)構(gòu)。單相交流側(cè)輸出電壓設(shè)定為27.5 kV。牽引網(wǎng)上分別設(shè)置了模擬牽引負(fù)載L0/L1/L2，由于機(jī)車(chē)(特別是動(dòng)車(chē))運(yùn)行時(shí)無(wú)功很小，根據(jù)牽引負(fù)荷功率推算，選取負(fù)載阻抗為100Ω。各變電所與負(fù)載之間的牽引網(wǎng)簡(jiǎn)化為T(mén)型等效電路，等效電阻為 0.256 8Ω/km，電感為0.002 H/km，電容為8.6 nF/km。

圖9 貫通式牽引供電系統(tǒng)仿真架構(gòu)Fig.9 Simulation structure of co－phase connected traction power supply system

4 仿真結(jié)果及分析

4.1 并網(wǎng)電壓分析

圖10所示是貫通式牽引供電系統(tǒng)中牽引網(wǎng)位置V0－V5處的電壓波形。從圖10可以看出，牽引網(wǎng)電壓無(wú)論是在變電所SS1和SS2處或者負(fù)載L0，L1和L2處均能保持27.5 kV左右。由于在使用下垂控制的過(guò)程中，輸出電壓會(huì)下降，而其他變電所電壓保持不變，形成電壓差，使得其他所也可對(duì)負(fù)載進(jìn)行一部分供電，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的變電所根據(jù)距離負(fù)載的距離而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)功率分配，所以在2～3 s內(nèi)，負(fù)載相鄰的兩變電所電壓有下降，下降值為1 000V左右，同理在4～6，7～8和8～9 s內(nèi)，負(fù)載所在變電所均出現(xiàn)電壓略微下降的現(xiàn)象。

4.2 并網(wǎng)電流分析

在0～2 s時(shí)間段內(nèi)是變電所啟動(dòng)并網(wǎng)時(shí)間。其中變電所SS0，SS1在0 s時(shí)刻同時(shí)投入，SS2在0.5秒時(shí)刻投入。在變電所投入時(shí)，電流有微小波動(dòng)，但很快恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)，說(shuō)明變電所可平滑并網(wǎng)，且系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能良好。

在2～3 s內(nèi)，牽引網(wǎng)上只有末端負(fù)載L2投入。L2最靠近SS2，L2電流基本由SS2提供，SS1離L2較遠(yuǎn)，因此，只提供小部分電流，而離L2最遠(yuǎn)的SS0基本不提供電流。

在4～6 s內(nèi)，牽引網(wǎng)上只有負(fù)載L1投入。因?yàn)長(zhǎng)1位于SS1與SS2之間，因此，L1的電流基本上由SS1和SS2共同負(fù)擔(dān)，SS0出力較小。很顯然，SS1和SS2的電流基本均等，其原因是L1負(fù)載距離SS1與SS2基本相等，L1與SS1與SS2之間的牽引網(wǎng)的阻抗相等，因此，2個(gè)變電所平均分配負(fù)載電流。

圖10 多變電所并網(wǎng)V0－V5電壓波形Fig.10 Voltage waveforms V0 －V5 when muti－substation grid－connected

在7～8 s內(nèi)，牽引網(wǎng)上只有負(fù)載L0投入。L0位于SS0與SS1之間，同樣因?yàn)闋恳W(wǎng)的阻抗分布影響負(fù)載電流的分配，L0電流基本上由SS0和SS1共同負(fù)擔(dān)，小部分由SS0提供，符合負(fù)載電流就近提供的分配原則。

在8～9 s內(nèi)，負(fù)載L0并未切除，同時(shí)投入了負(fù)載L2，此時(shí)牽引網(wǎng)上同時(shí)存在負(fù)載L0和L2。由于L2靠近SS2，因此投入的負(fù)載L2的電流大部分由SS2提供。L0的電流依然由SS0和SS1提供，其幅值與7～8 s內(nèi)的幅值相比基本保持不變。其他時(shí)間段內(nèi)，牽引網(wǎng)均無(wú)負(fù)載。

圖11 多變電所并網(wǎng)的變電所和負(fù)載電流波形Fig.11 Current waveforms of traction substation and loads when multi－substation grid－connected

5 結(jié)論

(1)將三電平三相－單相二極管箝位變換器用于牽引供電系統(tǒng)并作為變電所主設(shè)備，并且分析了三相變換器數(shù)學(xué)模型，在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了三相變換器的控制器和單相變換器的并網(wǎng)控制策略，利用Matlab/simulink搭建了基于三相－單相變換器的三變電所貫通式牽引供電系統(tǒng)模型，驗(yàn)證變換器的控制策略。

(2)基于三相－單相變換器的貫通式牽引供電系統(tǒng)能在牽引網(wǎng)側(cè)得到幅值相位穩(wěn)定的單相交流電，實(shí)現(xiàn)平滑并網(wǎng)，并且可根據(jù)負(fù)載與線(xiàn)路阻抗分布自動(dòng)分流，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，功率分配靈活，且能保證三相電網(wǎng)的平衡，驗(yàn)證了該系統(tǒng)的可行性。

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