高速鐵路新型同相貫通供電方案及其仿真研究

陳民武， 蔣汶兵， 王旭光， 孫小凱

(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)電能質(zhì)量問題和動車組過電分相問題是既有單相工頻供電模式下的“痼疾”，而高壓大功率電力電子技術(shù)的日益成熟及其在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，為從根本上解決上述問題提供了有效途徑。日本首次在東北新干線的新沼宮內(nèi)和新八戶牽引變電所投運了鐵路靜止功率調(diào)節(jié)裝置 (Railway Static Power Conditioner，RPC)[1]，我國也在上海南翔牽引變電所投入了類似有源補償裝置[2]，雖然實現(xiàn)了電能質(zhì)量的綜合補償，但無法消除電分相環(huán)節(jié)，制約高速鐵路牽引供電和動車組運行安全的“瓶頸”仍然存在。

同相供電技術(shù)將有源補償和牽引變壓器接線方式有機結(jié)合，在取消了變電所出口處電分相的同時，實現(xiàn)了三相-單相對稱變換。依托“十一五”國家科技支撐計劃,我國研制了世界首套同相供電裝置,額定容量達到了10 MVA，在成昆線眉山牽引變電所成功投入試運行，取得了良好的實際效果[3]。當前我國電力系統(tǒng)調(diào)度管理不允許在分區(qū)所實施雙邊供電，即使在變電所出口實現(xiàn)了同相供電，但分區(qū)所位置的電分相仍然存在[4]。因此，“理想”的牽引供電系統(tǒng)應(yīng)在電網(wǎng)側(cè)全面解決電能質(zhì)量問題，同時牽引側(cè)使用統(tǒng)一的電壓并取消電分相,形成“獨立”于上一級電網(wǎng)的同相貫通供電網(wǎng)絡(luò)[5]。

本文借鑒眉山同相供電裝置研制的成功經(jīng)驗，提出一種基于模塊化和背靠背結(jié)構(gòu)功率變換器的同相貫通供電方案，結(jié)合高速鐵路牽引負荷特性，優(yōu)化功率變換器拓撲結(jié)構(gòu)和控制策略，實現(xiàn)了功率雙向流動和平衡變換，提高供電質(zhì)量和供電可靠性。最后通過仿真分析驗證了上述方案的正確性與可行性。

1 新型同相貫通供電系統(tǒng)基本原理

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

我國高速鐵路推廣采用AT供電方式，圖1為同相貫通牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。可見，牽引變電所取用公用電網(wǎng)的三相電源，所內(nèi)設(shè)置交(三相)-直(流)-交(單相)功率變換器，其中直流側(cè)作為能量緩存環(huán)節(jié)，銜接整流和逆變環(huán)節(jié)。在牽引工況下，從三相電網(wǎng)取電，通過“三相整流-直流-單相逆變”變換后向電力機車(動車組)供電；在再生工況下，通過“單相整流-直流-三相逆變”變換后將電力機車(動車組)回饋的能量反送三相電網(wǎng)。利用功率雙向流動的可控性，實現(xiàn)三相-單相平衡變換，從根本上解決負序問題，而牽引側(cè)變電所輸出電壓一致，徹底取消包括變電所出口和分區(qū)所位置在內(nèi)的所有電分相環(huán)節(jié)。為了便于牽引網(wǎng)檢修和故障隔離，可以在變電所和分區(qū)所位置設(shè)置電分段，對應(yīng)斷路器設(shè)置成常閉狀態(tài)，取消了地面或者車載過分相裝置，高速動車組可以不斷電和不減速通過。

1.2 交-直-交功率變換器主電路拓撲

高壓大容量交-直-交功率變換器是同相貫通供電系統(tǒng)的核心設(shè)備，其主電路拓撲結(jié)構(gòu)的選擇需要兼顧技術(shù)可行性、經(jīng)濟合理性和運行可靠性。本文提出了一種基于模塊化和背靠背結(jié)構(gòu)功率變換器方案，見圖2。在電網(wǎng)側(cè)采用三相獨立控制的H橋級聯(lián)型高壓鏈式結(jié)構(gòu)，每一相均由N個H橋級聯(lián)構(gòu)成鏈式拓撲，不但易于實現(xiàn)模塊化，并且在同等功率開關(guān)器件水平下，可以擴展到更高電壓場合[6]。在牽引側(cè)每一相的N個模塊經(jīng)由多繞組變壓器構(gòu)成并聯(lián)多重化結(jié)構(gòu)，結(jié)合單相變壓器高壓側(cè)繞組串聯(lián)，實現(xiàn)多電平輸出，易于實現(xiàn)模塊化和功率擴容。同時，由于級聯(lián)H橋各鏈節(jié)的直流側(cè)電容相互獨立，避免了傳統(tǒng)直流電容并聯(lián)拓撲造成的母排載流要求高、設(shè)計難度大等問題[7]。通過采用多繞組變壓器將負載平均分到每相的每個模塊上，可以消除由各鏈節(jié)瞬時輸出功率不平衡引起的直流電容電壓不平衡,文中通過優(yōu)化控制算法解決了由于各鏈節(jié)自身損耗不同而引起的功率偏差，保證了直流側(cè)電壓的穩(wěn)定。此外，為了控制電網(wǎng)側(cè)和牽引側(cè)之間功率的雙向流動，功率變換器推薦采用 “背靠背”結(jié)構(gòu)，前期眉山變電所同相供電裝置投入了2 套并聯(lián)運行的高壓大容量“背靠背”變流器系統(tǒng)，運行穩(wěn)定、效果良好。

圖2中以AB相為例詳細闡明了上述結(jié)構(gòu)，其中，us、is為電網(wǎng)側(cè)的輸入電壓和電流；L1為電網(wǎng)側(cè)扼流電感；udc1～udcN、idc1～idcN為AB相的N個子模塊中直流側(cè)電容的電壓和電流；ui為變流器牽引側(cè)的輸出電壓；k為牽引側(cè)升壓變壓器變比；Lo與Co分別為牽引網(wǎng)側(cè)的濾波電感和電容；uo為牽引網(wǎng)側(cè)電壓；iL與io分別為濾波電感上的電流及負載電流。

大容量功率變換器運行可靠性是同相貫通供電系統(tǒng)工程化應(yīng)用的關(guān)鍵，文中采用了功率模塊動態(tài)旁路和恢復(fù)技術(shù)。圖3為某相功率模塊的電氣拓撲。若任一并聯(lián)模塊出現(xiàn)故障時，則在電網(wǎng)側(cè)利用單極斷路器(K1～KN)將故障模塊輸入端口短路，在牽引側(cè)利用雙極斷路器(S1～SN)將故障模塊輸出端口開路，閉鎖變流器控制信號，實現(xiàn)功率模塊的動態(tài)旁路。同時，為了保證牽引供電能力與供電質(zhì)量不受影響，通過調(diào)整功率變換器控制策略，將非故障功率模塊的直流側(cè)電壓提升一定范圍，牽引側(cè)輸出電壓和功率基本不變。當故障模塊修復(fù)后，利用上述操作，可以實現(xiàn)在線投入，所有功率模塊的直流側(cè)電壓恢復(fù)正常水平。

2 直流側(cè)電壓分析及控制策略

任意選取圖3中第i個背靠背模塊，按照功率等效原理將其等效為圖4所示電路，假設(shè)升壓和降壓變壓器的變比均為1。

usi、isi為等效電路中每個模塊的交流側(cè)輸入電壓與電流；uoi、Loi為等效電路中每個模塊的輸出側(cè)電壓與電流；L1i、Loi分別為等效的輸入側(cè)電感和輸出側(cè)電感；C為每個模塊的直流側(cè)電容；ud為直流側(cè)電容電壓。

根據(jù)瞬時功率守恒定律，單模塊電路中電網(wǎng)側(cè)傳遞的功率必定等于各部分消耗的功率與牽引側(cè)功率之和，由此可以建立瞬時功率平衡方程

Psi(t)=PL1i+Pd(t)+PLoi+Poi(t)

( 1 )

式中:Psi(t)為單模塊電路中電網(wǎng)側(cè)的輸入功率；Pd(t)為單模塊電路中直流側(cè)電容上消耗的功率；Poi(t)為單模塊電路中牽引側(cè)消耗的功率；PL1i和PLoi分別為單模塊電路中電網(wǎng)側(cè)等效電感和牽引側(cè)等效電感上消耗的功率。

功率變換裝置投入運行前對直流側(cè)電容進行充電，并在運行過程中保持平均電壓為Ud。假設(shè)單模塊等效電路中電網(wǎng)側(cè)和牽引側(cè)的電壓電流分別為

( 2 )

將式( 2 )帶入式( 1 )并整理得

( 3 )

對式( 3 )進行化簡得

( 4 )

在一個周波內(nèi)求解方程( 4 )可得

( 5 )

式中：ΔP=UsiIsi-UoiILicosφ，為裝置穩(wěn)定工作時單個模塊電網(wǎng)側(cè)輸入有功功率和牽引側(cè)輸出有功功率的差值，穩(wěn)定運行時可視為0。則可得到直流側(cè)電壓脈動值

( 6 )

最終直流側(cè)的電壓可以表示為

( 7 )

可見，直流側(cè)電壓由穩(wěn)態(tài)分量和脈動分量構(gòu)成，其中脈動分量為基波的2次諧波分量，若不加以抑制，將在電網(wǎng)側(cè)引起以3次諧波為主的諧波分量，影響供電質(zhì)量與供電效率[8-9]。通過在直流側(cè)并聯(lián)LC諧振濾波器或在控制環(huán)節(jié)中加入二次低通濾波器可以解決上述問題，但加入LC濾波器不但增加了設(shè)備成本，也增大了設(shè)備體積和占地，而低通濾波器對2次脈動的衰減作用有限且存在一定延遲[10]。本文采用在功率變換系統(tǒng)的控制環(huán)節(jié)加入二次陷波器，可以有效消除直流側(cè)二次脈動成分，降低電網(wǎng)側(cè)諧波畸變，所用陷波器傳遞函數(shù)為

( 8 )

式中：S=jω;ωo為陷波器的工作角頻率，一般將ωo設(shè)置為基波頻率的2倍；Q為其品質(zhì)因數(shù)。

3 電網(wǎng)側(cè)控制策略

電網(wǎng)側(cè)每一相均采用N個H橋級聯(lián)構(gòu)成鏈式拓撲結(jié)構(gòu)，具有良好的諧波特性。針對鏈式結(jié)構(gòu)變流器存在的直流側(cè)電壓平衡問題，論文借鑒文獻[11-12]中的分層控制思想，提出在上層控制中采用雙閉環(huán)控制策略，下層控制中采用基于有功電壓矢量疊加的平衡控制策略，在不影響系統(tǒng)無功的情況下，通過調(diào)節(jié)各鏈節(jié)的有功輸入實現(xiàn)直流側(cè)電壓的平衡。功率變換系統(tǒng)電網(wǎng)側(cè)的控制策略見圖5，其中uf為上層控制中得到的調(diào)制波形；Δuf為下層控制策略中在各鏈節(jié)H橋上疊加的有功分量；uf1至ufN為經(jīng)平衡控制之后各個鏈節(jié)的調(diào)制波形。其他參量同圖2。

上層雙閉環(huán)控制策略中，電壓外環(huán)采用PI調(diào)節(jié)器跟蹤直流電壓，同時加入(idc+…+idcN)/N作為前饋信號，能有效抑制負載的擾動；電流環(huán)中將us作為前饋加入，用于抑制us波動帶來的擾動。為克服PI調(diào)節(jié)器在跟蹤正弦信號時存在穩(wěn)態(tài)誤差的問題，電流環(huán)采用PR調(diào)節(jié)器(比例諧振調(diào)節(jié)器)實現(xiàn)對電流的無靜差控制,而電流環(huán)采用具有更大帶寬的準比例諧振調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為

( 9 )

式中：KP決定著控制器的帶寬和穩(wěn)定性；ωC用于調(diào)節(jié)控制器在諧振頻率附近的帶寬和增益；ω為控制器的諧振頻率。

下層控制策略的基本思想是在上層控制的基礎(chǔ)上疊加一個與網(wǎng)側(cè)電流方向平行的矢量，實現(xiàn)對各鏈節(jié)吸收有功的調(diào)節(jié)。當鏈節(jié)的直流電壓偏低時疊加一個與電流方向相同的矢量，傳輸?shù)皆撴湽?jié)的有功增加，當鏈節(jié)電壓偏高時疊加一個與電流方向相反的矢量，傳輸?shù)皆撴湽?jié)的有功減少。以各鏈節(jié)直流側(cè)電壓的平均值作為參考值，實際電壓作為反饋值，每個鏈節(jié)的有功調(diào)控通過閉環(huán)來實現(xiàn)。直流側(cè)在2種工況下的平衡控制矢量圖見圖6。

4 牽引側(cè)控制策略

針對牽引負荷隨機性大和運行工況多樣的特點，牽引側(cè)控制策略需要滿足輸出電壓穩(wěn)定、諧波含量低、動態(tài)性能好等要求。論文采用輸出電壓外環(huán)和輸出電感電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略。通過采用單極性倍頻調(diào)制及移相載波技術(shù)使得等效載波頻率遠遠大于調(diào)制波的頻率,PWM逆變橋可線性化為一個比例環(huán)節(jié)，滿足式(10)、式(11)。

(10)

ui=KPWM·ur

(11)

式中：udc為直流側(cè)電壓；uc為三角載波幅值；ur為調(diào)制波有效值；ui為多繞組變壓器輸入電壓有效值。以電感電流iL和輸出電壓uo為狀態(tài)變量，建立了牽引側(cè)狀態(tài)方程，見式(12)，其中k為升壓變的變比。

(12)

將式(11)帶入式(12)并整理得

(13)

結(jié)合上述控制方法和狀態(tài)方程，可以構(gòu)建牽引側(cè)控制系統(tǒng)，其原理見圖7。

5 仿真驗證

為了驗證新型同相貫通供電系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)與控制策略的有效性，基于MATLAB/Simulink平臺，建立了系統(tǒng)的仿真模型，表1為系統(tǒng)主要設(shè)計參數(shù)，分別對多種運行工況及狀態(tài)切換過程進行了模擬驗證。

表1 功率變換系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)參數(shù)

5.1 負載突變工況

高速鐵路普遍采用交直交型動車組，相對于交直型機車，牽引負荷近似單位功率因數(shù)，但幅值顯著增大且波動明顯。論文模擬負載初始功率為5 MW，在0.55 s時突變?yōu)?0 MW，牽引側(cè)、電網(wǎng)側(cè)與直流側(cè)仿真結(jié)果見圖8～圖12。

功率變換系統(tǒng)在0.3 s之前通過電網(wǎng)側(cè)變流器控制完成對直流側(cè)支撐電容的預(yù)充電過程，此后在牽引側(cè)投入5 MW牽引負荷，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)接近于1，電網(wǎng)側(cè)諧波電流總畸變率(THD)可以控制在1%左右，三相電流不平衡度不超過1%，直流側(cè)電壓平均值為3 000 V，最大波動量控制在1.6%以內(nèi)。此時單相牽引負荷對于三相電力系統(tǒng)而言近似等效為一個純阻性負載，實現(xiàn)了三相-單相平衡變換。

功率變換系統(tǒng)在0.55 s時牽引側(cè)負荷由5 MW突變?yōu)?0 MW，牽引側(cè)AT牽引網(wǎng)T-F之間電壓保持55 kV不變，饋線電流在10 ms內(nèi)完成了過渡過程，動態(tài)響應(yīng)性能良好。直流側(cè)電壓經(jīng)歷短時波動后迅速穩(wěn)定，各鏈節(jié)的電壓均能保持平衡。整個變化過程中始終保持單位功率因數(shù)，諧波電流總畸變率和三相電流不平衡度等電能質(zhì)量指標良好。

5.2 級聯(lián)功率模塊故障及恢復(fù)過程

假設(shè)功率變換系統(tǒng)在0.45 s時AB相間某級聯(lián)功率模塊出現(xiàn)故障，此時牽引側(cè)負載為15 MW，利用圖3所示功率模塊動態(tài)旁路技術(shù)，立即隔離和切除該故障模塊，同時迅速將非故障模塊的直流側(cè)電壓參考值由3 000 V調(diào)整為3 400 V，單模塊輸出功率從1 MW調(diào)整為1.2 MW，牽引側(cè)總輸出功率保持不變。模擬0.75 s時故障模塊修復(fù)完成，并重新投入運行，各功率模塊的直流側(cè)電壓參考值由3 400 V恢復(fù)為3 000 V，輸出功率恢復(fù)到1 MW，整個過程系統(tǒng)不停機。牽引側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和直流側(cè)仿真結(jié)果見圖13～圖16。

上圖表明在故障模塊切除和修復(fù)投入時，由于直流側(cè)電壓的調(diào)整必然引起非故障模塊傳輸功率的瞬時波動，利用控制策略的動態(tài)跟蹤特性，經(jīng)過0.1 s即可實現(xiàn)輸出功率和直流側(cè)電壓的穩(wěn)定，同時也驗證了動態(tài)旁路和恢復(fù)技術(shù)的可行性。

5.3 動車組牽引與再生制動工況切換

假設(shè)牽引側(cè)動車組負載為5 MW，在0.4 s時由牽引工況突變?yōu)樵偕苿庸r，牽引側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和直流側(cè)仿真結(jié)果見圖17～圖20。

上圖表明牽引側(cè)不同工況切換過程僅需要0.02 s，由于直流環(huán)節(jié)的“慣性”作用，電網(wǎng)側(cè)必然存在一個短暫的過渡過程，且整個過程直流側(cè)電壓保持穩(wěn)定，實現(xiàn)了功率雙向流動和平衡變換，解決了再生制動能量利用，保證了電網(wǎng)側(cè)與牽引側(cè)的供電質(zhì)量。

6 結(jié)論與展望

同相貫通供電技術(shù)可以從根本上解決高速鐵路牽引供電系統(tǒng)存在的以負序為主的電能質(zhì)量問題和過分相問題，本文提出了一種基于模塊化和“背靠背”結(jié)構(gòu)功率變換器的同相貫通供電方案，在電網(wǎng)側(cè)采用級聯(lián)H橋鏈式結(jié)構(gòu)，在牽引側(cè)采用并聯(lián)多重化結(jié)構(gòu)，適應(yīng)高速鐵路AT供電方式需要，應(yīng)用功率模塊動態(tài)旁路和恢復(fù)技術(shù)，提高了供電可靠性。仿真結(jié)果證明，上述方案的正確性與有效性，體現(xiàn)了較好地實際應(yīng)用價值。在上述建模和仿真的基礎(chǔ)上，下一步將對多個牽引變電所協(xié)調(diào)控制策略開展研究，以解決全線同相貫通供電的潮流分析與容量分配問題。

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