載波移相SPWM在貫通式同相供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

(烏魯木齊鐵路局供電處，新疆 烏魯木齊 830011)

0 引 言

牽引供電系統(tǒng)中因?yàn)殡姎饣F路的單相負(fù)載將產(chǎn)生特別差的電能質(zhì)量，如無(wú)功電流、諧波、不平衡有功電流。由于牽引變電所的大功率性質(zhì)，不良影響將擴(kuò)大到電網(wǎng)。當(dāng)基于脈寬調(diào)制(pulse-width modulation, PWM)變換器的機(jī)車被廣泛使用時(shí)，由無(wú)功功率和諧波引起的失真減少，但不平衡變得比以前更顯著[1]。傳統(tǒng)的牽引供電系統(tǒng)，為了平衡兩相負(fù)載，一個(gè)牽引變電所使用兩相供電臂的方案被廣泛采用。如果采用平衡變壓器，次邊的兩相電流平衡會(huì)造成原邊的三相電流平衡?，F(xiàn)有的幾個(gè)平衡變壓器的接線方案，如變形伍德布里奇、斯科特和屋頂三角形變壓器[2]，作為饋電變壓器都有自己的特性和性能。但是如果兩相的電流是不平衡的，平衡變壓器就不能完全平衡三相電流。不幸的是，因?yàn)樵趦上喙╇娤到y(tǒng)中機(jī)車的速度和負(fù)載條件經(jīng)常變化，兩相牽引供電系統(tǒng)中的饋線電流通常是不平衡的。此外，平衡變壓器對(duì)無(wú)功功率和諧波是沒(méi)有用的。

為了解決這些問(wèn)題，在三相電網(wǎng)或兩相牽引網(wǎng)絡(luò)中采用了一些有源補(bǔ)償器。相對(duì)于無(wú)源補(bǔ)償技術(shù)來(lái)說(shuō)，三相電網(wǎng)中使用的有源補(bǔ)償器，包括晶閘管控制電抗器、靜止同步補(bǔ)償器以及有源電力濾波器，它們有多個(gè)補(bǔ)償公用設(shè)施和良好的瞬態(tài)性能[3]。但它們不完全符合牽引供電系統(tǒng)的要求。

此外，傳統(tǒng)電氣化鐵路牽引變電所采用的供電方式是三相-兩相制，在分區(qū)所處設(shè)置分相絕緣器。但實(shí)際中因?yàn)闋恳?fù)荷的單相性和隨機(jī)性，系統(tǒng)中會(huì)產(chǎn)生大量的無(wú)功和諧波分量，此類電能質(zhì)量問(wèn)題加之電分相環(huán)節(jié)的存在，將會(huì)嚴(yán)重制約高速、重載鐵路的發(fā)展[4-6]。

目前已開(kāi)展的有關(guān)同相供電技術(shù)的研究能很好地解決這一問(wèn)題。文獻(xiàn)[7-10]提出的同相供電系統(tǒng)方案，可以在同一電網(wǎng)供電區(qū)間內(nèi)取消電分相環(huán)節(jié)；但在不同電網(wǎng)的供電區(qū)段仍舊需要采用分相環(huán)節(jié)來(lái)隔離，因此存在供電缺陷。貫通式同相供電系統(tǒng)通過(guò)采用交-直-交變流器，實(shí)現(xiàn)全線范圍內(nèi)的貫通供電，以達(dá)到徹底取消電分相環(huán)節(jié)和改善電能質(zhì)量的目的。文獻(xiàn)[11-12]提出了一種基于雙PWM整流器的交-直-交變流器的設(shè)計(jì)方案，但該方法存在輸出波形畸變率大、電力電子器件承受電壓高的缺點(diǎn)。

載波移相SPWM技術(shù)能夠在器件開(kāi)關(guān)頻率較低的情況下，實(shí)現(xiàn)較高的等效開(kāi)關(guān)頻率，因此廣泛應(yīng)用于大功率變流器場(chǎng)合[13-15]。這里提出采用載波移相技術(shù)，將單相逆變器級(jí)聯(lián)后輸出，以期改善輸出電壓波形，降低絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)承受電壓。

1 貫通式同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

貫通式同相供電系統(tǒng)是針對(duì)同相供電系統(tǒng)中存在的供電缺陷提出的，能夠在全線范圍內(nèi)的不同牽引變電所的供電區(qū)段上實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)電壓相位相同，是線路上沒(méi)有電分相環(huán)節(jié)的牽引供電系統(tǒng)[16]。貫通式同相供電系統(tǒng)主要由三相降壓變壓器、交-直-交變流器和單相升壓變壓器組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 貫通式同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在這種結(jié)構(gòu)下，牽引網(wǎng)取流需要經(jīng)過(guò)三相交流-直流-單相交流的全變換過(guò)程，使得每個(gè)牽引變電所均逆變出幅值和頻率相同的單相電壓，將全線上的所有牽引變電所互聯(lián)，形成一個(gè)獨(dú)立于上一級(jí)電網(wǎng)的牽引供電網(wǎng)絡(luò)，僅與三相電力系統(tǒng)交換有功功率，可以有效改善電能質(zhì)量。

2 交-直-交變流器結(jié)構(gòu)及原理

傳統(tǒng)的交-直-交變流器由1個(gè)三相整流器和1個(gè)單相逆變器組成，不能實(shí)現(xiàn)大功率轉(zhuǎn)換，且每個(gè)IGBT元件承受的峰值電壓高。為了取得更好的輸出波形，降低對(duì)電力電子開(kāi)關(guān)器件耐壓等級(jí)的要求，文獻(xiàn)[17]提出依靠載波移相SPWM技術(shù)，將4個(gè)單相PWM逆變器級(jí)聯(lián)輸出電壓作為交-直-交換流器中送入單相升壓變壓器的輸入電壓，交-直-交變流器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 交-直-交變流器結(jié)構(gòu)

3 交-直-交變流器控制策略

交-直-交變流器是貫通式同相供電系統(tǒng)中的核心器件，主要由三相整流環(huán)節(jié)、直流儲(chǔ)能環(huán)節(jié)和單相逆變環(huán)節(jié)組成。三相降壓變壓器將110 kV電壓降壓后輸入給三相PWM整流器，三相整流環(huán)節(jié)將三相交流電變換為直流電，并控制三相交流側(cè)的功率因數(shù)為1，兩PWM整流器通過(guò)直流環(huán)節(jié)的電容傳遞有功功率，然后由單相PWM逆變器將直流電逆變?yōu)榉岛皖l率穩(wěn)定的單相交流電后，輸入給單相升壓變壓器將電壓升至27.5 kV后輸送給負(fù)載。

3.1 三相整流環(huán)節(jié)控制策略

三相電壓型PWM整流器有很多控制方法，包括：直接功率控制、電流閉環(huán)控制、基于LCL濾波的控制等。這里采用的是電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方案，分別按照I型系統(tǒng)和II型系統(tǒng)特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)的比例積分(proportion integration, PI)控制器，用電壓外環(huán)來(lái)控制直流電壓輸出的穩(wěn)定性，用電流內(nèi)環(huán)來(lái)控制交流側(cè)電流，提高網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)[18]。三相整流器控制原理如圖3所示。

圖3 三相整流環(huán)節(jié)控制框圖

3.2 單相逆變環(huán)節(jié)控制策略

采用載波移相SPWM技術(shù)，將單相PWM逆變器的輸出通過(guò)串聯(lián)疊加，將4組逆變器的三角載波分別錯(cuò)開(kāi)一定相角[19]，則同樣的調(diào)制波與三角載波比較后會(huì)產(chǎn)生4種錯(cuò)開(kāi)一定角度的PWM波，分別用來(lái)控制每個(gè)逆變器，輸出側(cè)電壓經(jīng)過(guò)串聯(lián)疊加后即可得到正弦階梯波。每個(gè)PWM逆變器采用了電感電流內(nèi)環(huán)加上輸出電壓外環(huán)的控制方案，單個(gè)逆變器的控制策略如圖4所示。

圖4 單個(gè)單相逆變器控制框圖

4 仿真驗(yàn)證

在Matlab/Simulink中搭建了交-直-交變流器仿真模型，仿真參數(shù)如下：設(shè)定一套交-直-交變流器的額定容量為4 MVA，三相降壓變壓器變比為110 kV/2 kV，單相升壓變壓器變比為8 kV/27.5 kV，直流儲(chǔ)能電容為2 mF。仿真開(kāi)始時(shí)，負(fù)載為4 800 kW純阻性負(fù)載，在0.1 s的時(shí)候突變?yōu)? 400 kW，仿真運(yùn)行結(jié)果如圖5、圖6所示。

仿真結(jié)果表明，不管在負(fù)載突變前還是在負(fù)載突變后，電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)都能夠在交-直-交換流器的控制下基本達(dá)到1(以A相電流為例)。利用Matlab/Simulink中的FFT工具對(duì)三相交流側(cè)電流諧波含量進(jìn)行分析，得到A相電流的THD含量為1.74%，表明采用交-直-交變流器的貫通式同相供電系統(tǒng)能夠有效改善牽引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

圖5 電力系統(tǒng)側(cè)A相電壓、電流

圖6 級(jí)聯(lián)逆變器輸出電壓

圖7 牽引側(cè)電壓電流

在負(fù)載突變后，負(fù)載電壓能夠保持電壓幅值和頻率的穩(wěn)定性，并迅速?gòu)母蓴_中恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)，表明系統(tǒng)具有良好的抗干擾性能。

對(duì)比非載波移相SPWM交-直-交變流器可知，在采用載波移相SPWM后，牽引側(cè)負(fù)載電壓的THD含量由以前的1.5%減少為0.78%，并且在交-直-交變流器容量相同的情況下，IGBT承受的峰值電壓減少為原來(lái)的1/4。

5 結(jié) 語(yǔ)

貫通式同相供電系統(tǒng)能夠有效解決在傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)中存在的電能質(zhì)量和電分相問(wèn)題。在貫通

式同相供電系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和原理的基礎(chǔ)上，對(duì)交-直-交變流器展開(kāi)了研究，得到以下結(jié)論：

1)采用載波移相SPWM的交-直-交變流器的貫通式同相供電系統(tǒng)能夠徹底取消分區(qū)所的電分相環(huán)節(jié)，改善了傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)中存在的電能質(zhì)量問(wèn)題，有利于高速鐵路的發(fā)展；

2)在同樣容量的交-直-交變流器中，載波移相SPWM技術(shù)可以降低對(duì)電力電子器件耐壓等級(jí)的限制，以達(dá)到節(jié)省成本的目的。

[1] B.Busco, P.Marino, M.Porzio, et al.Digital Control and Simulation for Power Electronic Apparatus in Dual Voltage Railway Locomotives[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2003，18(5)：1146-1157.

[2] K.Hung-Yuan，C.Tsai-Hsiang.Rigorous Evaluation of the Voltage Unbalance Due to High-speed Railway Demands[J].IEEE Transactions on Vehicular Technology, 1998,47(4):1385-1389.

[3] R.A.Otto, T.H.Putman, L.Gyugyi. Principles and Applications of Static, Thyristor-controlled Shunt Compensators[J].IEEE Transactions on Power Apparatus & Systems,1978，PAS-97(5)：1935-1945.

[4] 王暉, 吳命利. 電氣化鐵路低頻振蕩研究綜述[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(17):70-78.

[5] 許志偉, 羅隆福, 張志文,等. 一種新型電氣化鐵道電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2015, 30(8):265-272.

[6] 游廣增, 馬斌, 朱毅. 牽引變壓器接線方式對(duì)諧波和負(fù)序的影響研究[J]. 電氣技術(shù), 2014(3):14-18.

[7] 李群湛，賀建閩. 電氣化鐵路的同相供電系統(tǒng)與對(duì)稱補(bǔ)償技術(shù)[J]. 電力系統(tǒng)自動(dòng)化，1996, 20(4)：9-11.

[8] 李群湛. 同相供電系統(tǒng)的對(duì)稱補(bǔ)償[J]. 鐵道學(xué)報(bào)，1991, 13(s1)：35-43.

[9] 賀建閩，李群湛. 用于同相供電系統(tǒng)的對(duì)稱補(bǔ)償技術(shù)[J]. 鐵道學(xué)報(bào)，1998, 20(6)：47-51.

[10] 呂曉琴，張秀峰. 基于有源濾波器的V/x結(jié)線的同相牽引供電系統(tǒng)[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2006，18(6)：73-78.

[11] 張睿. 貫通式同相供電系統(tǒng)電能變換器的研究[J]. 電氣化鐵道，2012(4)：19-22.

[12] 常非，馮金博，趙麗平. 同相貫通牽引供電系統(tǒng)綜合潮流控制器設(shè)計(jì)[J]. 電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化學(xué)報(bào)，2012, 24(1)：54-58.

[13] Minwu Chen，Qun-zhan Li，Guang Wei. Optimised Design and Performance Evaluation of New Cophase Traction Power Supply System[C]. Asia-Pacific Power and Energy Engineering Coference(APPEEC)，2009：1-6.

[14] Zhao Y, Zhao L, Li Q. Some Key Problems on Cophase Traction Power Supply Device[C]. International Forum on Information Technology and Applications,IEEE Computer Society, 2010:444-449.

[15] Shu Z, Xie S, Li Q. Single-Phase Back-To-Back Converter for Active Power Balancing, Reactive Power Compensation, and Harmonic Filtering in Traction Power System[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2011, 26(2):334-343.

[16] 王冬梅, 王晨. 基于單臺(tái)YN,d11變壓器的同相AT供電系統(tǒng)[J]. 電氣技術(shù), 2014, 15(7):18-21.

[17] 卓放，胡軍飛，王兆安. 采用多重化主電路實(shí)現(xiàn)的大功率有源電力濾波器[J]. 電網(wǎng)技術(shù)，2000, 24(8)：5-7.

[18] 林飛，杜欣. 電力電子應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[19] 李群湛，賀建閩，解紹鋒. 電氣化鐵路電能質(zhì)量分析與控制[M]. 成都：西南交通大學(xué)出版社，2011.