獨立繞組供電變流器過分相不間斷供電技術(shù)研究

胡景瑜，徐廣偉，劉建城，羅文廣，彭 赟

（1. 中車株洲電力機車研究所有限公司，湖南 株洲 412001；2. 中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島 266111）

0 引言

我國電力機車及動車組由于輔助變流器（簡稱“輔變”）和列車供電（簡稱“列供”）系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)多樣，如HXD1C，HXD3C型機車及CRH2型動車組均采用主輔分離式拓撲結(jié)構(gòu)，其輔變或列供系統(tǒng)均由牽引變壓器獨立繞組供電。過分相過程中，由于輔變與列供系統(tǒng)斷電時間長，輔變負載與各類接觸器頻繁通斷，導(dǎo)致接觸器使用壽命降低；蓄電池頻繁充放電，導(dǎo)致其故障頻率升高。因此，輔變與列供系統(tǒng)過分相不間斷供電功能需求日益強烈，解決方案有兩種：（1）對供電網(wǎng)及供電線路進行改造；（2）對列車控制策略與硬件進行改造。文獻[1]提出了同相供電方案，其可實現(xiàn)牽引供電網(wǎng)的全線貫通供電，取消電分相，列車不存在過分相工況。文獻[2]提出了增加過分相裝置來為列車在無電區(qū)持續(xù)供電，可實現(xiàn)列車不間斷供電過分相。以上均屬于對牽引供電網(wǎng)進行大規(guī)模改造與優(yōu)化的方案，前期投入大，穩(wěn)定性與可靠性有待驗證。文獻[3]提出通過控制牽引變壓器一次側(cè)電流來解決機車過分相時的過電壓和過電流問題，但其采用的控制策略和硬件改造方式在實際應(yīng)用中不易被實現(xiàn)。文獻[4-6]提出了通過繞組之間電磁耦合方式實現(xiàn)不間斷供電的方案，但方案中未涉及多控制單元協(xié)同控制、能量傳導(dǎo)精確性控制及調(diào)幅與調(diào)相控制等相關(guān)關(guān)鍵控制技術(shù)；其次，對嚴重制約方案實施的車載牽引變壓器諧振過電壓問題并未提及，而該問題在實際應(yīng)用中普遍存在且危害嚴重，亟須解決。為此，本文首先提出了一種適用于不同拓撲結(jié)構(gòu)的獨立繞組供電系統(tǒng)的過分相不間斷供電方案，其可解決列車多控制單元間協(xié)同控制、能量傳導(dǎo)精確性控制及調(diào)幅與調(diào)相控制等關(guān)鍵控制技術(shù)難題；其次，對車載牽引變壓器分布參數(shù)與等效模型進行了分析，指出在過分相不間斷過程中，諧振過電壓是導(dǎo)致牽引變壓器過電壓的主要原因，并針對諧振過電壓問題提出了多種可行性解決方案。

1 過分相不間斷供電關(guān)鍵技術(shù)

國內(nèi)現(xiàn)有車型電力機車牽引變壓器牽引繞組與輔助繞組數(shù)量存在差異，且存在多個變壓器并聯(lián)供電工況，變壓器繞組拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。此外，因不同車型需求與設(shè)計理念不同，控制單元與繞組之間存在一對一或者一對多的關(guān)系，導(dǎo)致過分相不間斷供電工況下的主電路拓撲結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)多樣化。因此，本文提出了一種適用于多種拓撲結(jié)構(gòu)的普遍應(yīng)用性解決方案。

圖1 主輔分離式供電系統(tǒng)不同拓撲結(jié)構(gòu)Fig.1 Different topological structures of independent auxiliary converters power supply system

1.1 多控制單元間協(xié)同控制及精確同步

文獻[6]提出了一種依靠內(nèi)部同步信號進行全車所有控制單元同步的控制方案，其同步性實現(xiàn)原理如圖2所示。其中，CI為牽引變流器，LGU為列供變流器控制單元，APU為輔助變流器控制單元。

圖2 列車同步性實現(xiàn)原理Fig.2 Schematic diagram of train synchronization realization

從圖中可以看出，同步信號需要貫通列車A、B兩端以接入各個控制單元，工程實現(xiàn)上有一定弊端：（1）同步信號跨越多個變流器柜布置，易受到整車強電磁干擾。由于同步信號屬于精確性要求極高的信號，受到干擾會導(dǎo)致控制失穩(wěn)，造成過分相不間斷供電功能失??；（2）列車運行過程中振動及高低溫均可對同步信號線造成損壞。此外，各種文獻對于多控制單元協(xié)同控制研究仍停留在系統(tǒng)層面，缺乏相應(yīng)的具體實現(xiàn)方案。

本文針對列車過分相不間斷供電功能涉及的多樣性拓撲及多控制單元協(xié)同控制的關(guān)鍵技術(shù)——精確同步技術(shù)，提出了普適性解決方案：

（1）全車無須同步互聯(lián)線，由各控制單元增加同步性控制策略實現(xiàn)切換模式的精確同步，其原理如圖3所示。

圖3 列車所有單元采用無互聯(lián)線方案Fig.3 Wireless scheme of all units in the train

（2）全車同步信號互聯(lián)與無同步信號互聯(lián)線方式相結(jié)合，同一變流器柜內(nèi)二臺或多臺控制單元之間采用同步信號互通方式，距離較遠的控制柜之間采用無同步信號互聯(lián)方式，原理如圖4所示，其中紅色虛線表示無需互聯(lián)線同步，紅色實線表示采用同步互聯(lián)線進行同步。

圖4 列車部分單元采用無互聯(lián)線方案Fig.4 Wireless scheme of some units in the train

采用同步互聯(lián)線方案，以某一牽引繞組對應(yīng)的控制單元為同步基準，將同步信號轉(zhuǎn)換為硬線信號在柜內(nèi)各控制單元之間進行傳送。由于硬線傳輸延時基本可忽略，故控制單元間同步信號誤差可被限制在10 μs以內(nèi)，從而滿足系統(tǒng)控制同步性要求。該方案的缺點是需要對系統(tǒng)進行硬件改造。

無互聯(lián)線方案中，各控制單元以外部電壓與電流條件作為判定依據(jù)，判斷出同步時刻；從同步時刻起，各控制單元依靠自身高精度定時器進行同步，此功能可以由FPGA執(zhí)行。測試結(jié)果顯示，兩控制單元采用自身定時器進行同步時，同步20 s累計誤差約為12 μs，且累計誤差與時間基本呈線性關(guān)系。由于過分相不間斷供電功能有速度下限要求，且實際線路中分相無電區(qū)較短，因此，此方案可保證過分相無電區(qū)內(nèi)各控制單元的同步性要求，方案控制原理如圖5所示。

圖5 無互聯(lián)線方案原理圖Fig.5 Schematic diagram of wireless scheme

1.2 能量傳導(dǎo)精確性控制

列車運行至分相區(qū)前會接收到過分相預(yù)告信號；電機控制單元接收到過分相預(yù)告信號后，先進行快速力矩卸載，之后進入再生能量制動工況及過分相發(fā)電模式，以維持中間直流電壓穩(wěn)定。為避免切換過程中的中間直流電壓突變，引入功率反饋調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，控制原理如圖6所示。

圖6 直流電壓控制框圖Fig.6 Block diagram of DC-voltage control

列車接收到過分相預(yù)告信號后，網(wǎng)側(cè)變流器由中間直流電壓控制模式切換至孤島系統(tǒng)電壓控制模式。在過分相不間斷供電功能實現(xiàn)中，牽引繞組充當整個供電系統(tǒng)電源，設(shè)定其系統(tǒng)同步電壓為us，由于繞組之間存在等效電抗，如牽引繞組等效電抗電壓為uL1、輔變或列供繞組等效電抗電壓為uL2（圖7），對輔變與列供變流器而言，其輸入電壓u′s的相位與同步電壓相位之間存在角度差，即使各個控制單元同步性完全一致，也不能有效抑制系統(tǒng)無功功率，因此必須在控制中引入角度矯正環(huán)節(jié)以消除。

圖7 電壓矢量圖Fig.7 Diagram of voltage vector

由于模式切換時刻需完全停止變壓器與牽引網(wǎng)間的能量交換，因此將功率反饋引入到電流環(huán)控制中可確保輔變與列供繞組輸出能量完全由牽引繞組提供。為確保輔變與列供控制簡捷化，角度矯正環(huán)節(jié)在牽引變流器控制單元中實現(xiàn)，其控制原理如圖8所示。其中，PAPU為輔助變流器功率，PLGU為列供變流器功率。

圖8 牽引變流器控制框圖Fig.8 Block diagram of traction converter control

1.3 電壓調(diào)幅與移相控制

列車駛出分相無電區(qū)后轉(zhuǎn)為由接觸網(wǎng)B臂供電，各控制單元對B臂電壓鎖相完成后，開始進行列車孤島系統(tǒng)電壓移相與調(diào)幅控制。調(diào)整列車牽引變壓器一次側(cè)感應(yīng)電壓向B臂網(wǎng)壓無級平滑過渡，實現(xiàn)列車系統(tǒng)電壓相位與幅值由原A臂平滑移相至B臂，為主斷路器閉合提供必要條件。

本文針對電壓調(diào)幅與移相功能需求采用調(diào)幅移相控制策略，以B臂電壓相位為基準、以B臂電壓當前值在該坐標下的d軸和q軸分量為目標值、以列車孤島系統(tǒng)電壓在該坐標下的d軸和q軸分量為初始值進行調(diào)幅移相控制，控制原理如圖9所示。控制過程中，為提高響應(yīng)速度，可將單相電壓虛擬為三相電壓進行計算。

圖9 調(diào)幅移相控制框圖Fig.9 Block diagram of amplitude-phase control

2 變壓器諧振過電壓機理分析與問題解決

2.1 變壓器諧振機理與諧振區(qū)間

車載牽引變壓器按照工頻設(shè)計，其分布電容參數(shù)在50 Hz工頻工況下對機車影響不大，但在中高頻工況下其影響則不能被忽略。列車正常牽引或制動工況時，牽引變壓器一次側(cè)與牽引網(wǎng)連接，引入較大感性阻抗，系統(tǒng)整體呈感性，中頻區(qū)間并無諧振區(qū)段；但列車進行輔變與列供系統(tǒng)過分相不間斷供電時，主斷路器斷開，變壓器分布電容與變壓器電感構(gòu)成中頻諧振回路，牽引變壓器低壓側(cè)繞組整流采用PWM控制，其低壓繞組側(cè)等效為諧波激勵源，因此牽引變壓器高壓側(cè)存在諧振過電壓風(fēng)險，嚴重時可造成車載避雷器燒損及牽引供電網(wǎng)跳閘故障。

單相變壓器等效分布電容參數(shù)模型如圖10所示[7]，其分布電容參數(shù)與變壓器制造工藝以及其繞組結(jié)構(gòu)強相關(guān)，同一型號變壓器個體之間也會存在差異，不同型號變壓器之間差異更大，對其諧振區(qū)間進行精確計算難度較大，工程上一般采用諧振法對其諧振區(qū)間進行測量。

圖10 變壓器分布電容等效模型Fig.10 Equivalent model of distributed capacitors in transformer

變壓器二次側(cè)繞組輸入工頻基波并疊加不同頻率諧波，以此作為激勵源，通過此方案測試可以確定該型號牽引變壓器諧振區(qū)間。對某款輔變與列供采用獨立繞組供電車型的車載牽引變壓器采用諧振激勵的方式進行變壓器諧振區(qū)間測試，其諧振區(qū)間為2～4 kHz，測試時變壓器一次側(cè)感應(yīng)電壓波形如圖11所示。

圖11 基波疊加不同頻率諧波激勵時變壓器一次側(cè)電壓Fig.11 Primary voltage of transformer under the excitation offundamental superimposed with different frequency harmonics

2.2 變壓器諧振過電壓問題解決

車載牽引變流器整流側(cè)常采用單極性四象限控制策略，電壓主要諧波分布在2倍開關(guān)頻率及其倍頻附近。由于變壓器諧振測試結(jié)果顯示牽引變壓器諧振區(qū)段跨度較大，如果僅啟動單重整流器且采用較低開關(guān)頻率，其開關(guān)頻率2倍頻或多倍頻附近諧波會分布在諧振區(qū)間從而引起諧振過電壓。因此，針對車載變壓器固有諧振區(qū)間引發(fā)的諧振過電壓問題，本文提出兩種解決方案：(1)過分相過程中列車啟動單重整流器并采用高開關(guān)頻率，需保證其開關(guān)頻率的2倍頻在4 kHz以上，即開關(guān)頻率大于2 kHz；(2)過分相過程中列車啟動多重牽引變流器，利用多重化載波錯相的倍頻效果，消除諧振頻段內(nèi)諧波，變流器控制開關(guān)頻率可大幅降低。諧波源頻率高于4 kHz后，變壓器高壓側(cè)將不再發(fā)生諧振現(xiàn)象。試驗中所測試的變壓器一次側(cè)感應(yīng)電壓波形如圖12所示。

圖12 避開諧振區(qū)間后變壓器一次側(cè)電壓波形Fig.12 Primary voltage of transformer avoiding resonance interval

3 功能驗證

地面試驗?zāi)M列車過分相不間斷供電功能試驗，單臺輔變功率220 kW，單臺列供電源功率230 kW，采用本文控制策略，實現(xiàn)43 km/h速度下兩個牽引繞組通過繞組耦合方式實現(xiàn)單臺輔變與單臺列供滿載過分相不間斷供電。過分相不間斷供電全過程可分為5個階段，功能試驗過程中牽引變壓器一次側(cè)感應(yīng)電壓與弓網(wǎng)實際電壓如圖13所示。

圖13 過分相不間斷供電功能全過程波形Fig.13 Voltage waveforms of transformer when the system adopts uninterrupted power supply technology

階段1：列車接收到過分相預(yù)告信號，此時列車由正常牽引或制動控制模式向過分相不間斷供電控制模式轉(zhuǎn)換，主斷路器處于閉合狀態(tài)。

階段2：列車過分相不間斷供電控制模式切換成功，主斷路器斷開。

階段3：列車駛?cè)霟o電區(qū)，接觸網(wǎng)網(wǎng)壓信號消失，整車建立虛擬網(wǎng)壓進行同步控制。

階段4：列車駛出無電區(qū)，接觸網(wǎng)網(wǎng)壓信號恢復(fù)，列車各控制單元進行網(wǎng)壓鎖相與調(diào)幅調(diào)相控制。

階段5：列車完成由過分相不間斷供電控制模式向正常牽引或制動控制模式的切換，主斷路器閉合，過分相不間斷供電過程結(jié)束。

整個過程中有3個控制節(jié)點需要重點關(guān)注：(1)進分相區(qū)前主斷路器斷開前后；(2)分相區(qū)內(nèi)；(3)出分相區(qū)后主斷路器閉合前后。通過對3個節(jié)點波形分析確定，本方案實現(xiàn)過程中系統(tǒng)孤島電壓平穩(wěn)，一次側(cè)感應(yīng)電壓高精度采樣值均小于46.8 kV，未超過避雷器動作電壓59 kV，在正常值范圍內(nèi)，全過程沒有出現(xiàn)過電壓現(xiàn)象，能量控制良好，變壓器諧振過電壓規(guī)避效果良好，具體波形如圖14所示。

圖14 3個關(guān)鍵節(jié)點前后變壓器一次側(cè)感應(yīng)網(wǎng)壓Fig.14 Primary induction voltages of transformer around the three critical moments

4 結(jié)語

針對列車采用獨立繞組供電的輔變與列供過分相不間斷供電功能需求，本文提出了一種具有普適性的系統(tǒng)技術(shù)解決方案，并進行了關(guān)鍵技術(shù)的開發(fā)與關(guān)鍵問題的解決研究。首先，基于動力集中動車組車載變壓器與變流器試驗條件，采用本文技術(shù)方案成功實現(xiàn)了輔變與列供過分相不間斷供電功能，空載工況下變壓器一次側(cè)感應(yīng)電壓總諧波失真（total harmonic distortion, THD）可控制在5%以內(nèi)，輔變與列供滿載工況下變壓器一次側(cè)感應(yīng)電壓最大值可控制在46.8 kV以內(nèi)，遠小于避雷器動作電壓。其次，對技術(shù)方案執(zhí)行中面對的變壓器諧振過電壓問題進行了機理分析并提出了可行性解決措施，試驗結(jié)果證明該解決措施能有效規(guī)避變壓器諧振過電壓。最后，針對該過分相不間斷供電新增功能，后續(xù)新車型在方案設(shè)計初期可以考慮在車載主斷路器與牽引變壓器之間增加高壓互感器，以實現(xiàn)功能的閉環(huán)控制，從而使可靠性與穩(wěn)定性均可得到更好的保證。