具備電壓補(bǔ)償功能的不停電過分相系統(tǒng)及控制方法

袁佳歆 倪 周 肖非然 閔永智

（1. 武漢大學(xué)電氣與自動化學(xué)院 武漢 430072 2. 蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院 蘭州 730070）

0 引言

由于高鐵機(jī)車為單相負(fù)荷，牽引變壓器一般采用輪流換相的連接方式緩解牽引供電系統(tǒng)對電網(wǎng)造成的不平衡問題。然而，牽引變電所之間采用相序輪換會使兩個相鄰供電臂之間存在很大的電壓相位差。若兩者直接相連，將引起短路現(xiàn)象導(dǎo)致牽引網(wǎng)和受電弓熔斷等危害，因此兩個供電臂之間設(shè)置一個電分相區(qū)。

目前，國內(nèi)外關(guān)于機(jī)車通電分相區(qū)的方案主要為斷電過分相與不停電過分相兩種方式。斷電過分相的方式雖然具有方案簡單和造價低等優(yōu)點(diǎn)，但是會給牽引網(wǎng)和機(jī)車帶來過電壓與過電流的沖擊，且列車速度受到損失[1]。不停電過分相方式主要可分為機(jī)械開關(guān)地面自動過分相、電力電子開關(guān)自動過分相與柔性地面自動過分相三種方式[2]。機(jī)械開關(guān)過分相的方式是利用真空開關(guān)的快速投切，從而實現(xiàn)列車的不停電過分相，但是存在真空開關(guān)動作次數(shù)有限、失電時間相對較長和在投切過程中仍會有過電壓與過電流[3]等問題。電力電子開關(guān)自動過分相具有響應(yīng)速度快和分合閘時間可控的特點(diǎn)[4-5]，能有效降低開關(guān)的失電時間至 5ms[4]，但不能解決過電壓和過電流問題。柔性地面自動過分相系統(tǒng)是基于大功率電力電子器件構(gòu)成的電能變換裝置實現(xiàn)能量從供電臂向分相區(qū)的轉(zhuǎn)移[6-8]，并且在分相區(qū)供電時平滑改變輸出電壓的相位，不會出現(xiàn)突變，避免了過電壓和過電流。例如文獻(xiàn)[7]提出了基于背靠背逆變器的過分相裝置，該方案雖能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)車不停電過分相，但需要額外增設(shè)高壓大容量變壓器，導(dǎo)致安裝空間較大[8]，另外未考慮機(jī)車在過分相過程中負(fù)荷的變化特性以及引起的電壓波動問題。

文獻(xiàn)[9-10]提出了一種基于兩相式模塊化多電平變換器（Modular Multilevel Converter, MMC）拓?fù)洳煌ｋ娺^分相裝置及其控制策略，無需通過高壓大容量變壓器接入電網(wǎng)，并且輸出電壓波形質(zhì)量較好。由于兩相式MMC拓?fù)渲粡囊粋?cè)牽引線路取電供給分相區(qū)，導(dǎo)致供電容錯性低，另外當(dāng)機(jī)車進(jìn)出分相區(qū)時，還是會有負(fù)荷突變，導(dǎo)致牽引線路末端電壓波動較大。

為進(jìn)一步提高不停電過分相系統(tǒng)的可靠性和改善牽引供電網(wǎng)末端電壓波動，本文提出了一種基于三相MMC的分相區(qū)不停電過分相系統(tǒng)及其控制策略。該方法可保證機(jī)車不停電通過分相區(qū)且負(fù)荷線性變化。本文研究了電壓暫降的變化特點(diǎn)，介紹了不停電過分相系統(tǒng)（Uninterrupted Power Transfer,UPT）的原理及相應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析了UPT的電流傳輸特性，提出了基于不同狀況下UPT的控制策略，并通過仿真算例和小容量的實驗驗證了本文所提出拓?fù)浼翱刂撇呗缘目尚行院陀行浴?/p>

1 UPT的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及補(bǔ)償原理

1.1 UPT的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在牽引供電系統(tǒng)中，一次側(cè)三相電壓經(jīng)過牽引變壓器會轉(zhuǎn)變?yōu)楣╇姳鄣膬上嚯妷?。為了避免相鄰兩供電臂的直接相連而導(dǎo)致短路事故的發(fā)生，在兩供電臂之間存在一個不帶電的電分相環(huán)節(jié)，主要利用空氣絕緣錨段來隔絕相鄰供電臂的電氣連接。當(dāng)機(jī)車過分相時，受電弓直接連在不帶電的中性段上，會依靠慣性惰行通過分相區(qū)。

不斷電過分相裝置 UPT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意如圖 1所示。補(bǔ)償裝置采用三相MMC結(jié)構(gòu)[11-12]，包括六個橋臂和一條直流支撐電容支路，每個橋臂由N個子模塊及一個電感串聯(lián)而成。其中，每個子模塊可以看成是一個半橋型的DC-AC變換器，采用三相MMC可以省去變壓器的成本及安裝空間[13]。、分別為三相電網(wǎng)的相電流，Iα和Iβ分別為兩個供電臂的負(fù)載電流，iu、iv和iw分別為三相變換器的輸出電流。

圖1 UPT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 The topology diagram of the UPT

在列車移相過程中，分相區(qū)電壓為

因此，在整個機(jī)車運(yùn)行的過程中，分相區(qū)上的電壓幅值不變，實現(xiàn)了相角由α側(cè)供電臂上-30°至β側(cè)供電臂上-90°的變化。

普通列車組采用的是單弓過分相方式，而重聯(lián)動車組是雙弓過分相方式。一般中性段長度為400～800m，由于要考慮雙弓過分相，因此允許重聯(lián)機(jī)車組運(yùn)行的中性段區(qū)間至少要600m。為了保證雙弓重聯(lián)機(jī)車實現(xiàn)不斷電過分相，本文提出如下雙弓過分相方法：首先，當(dāng)機(jī)車接近和進(jìn)入分相區(qū)時，不停電過分相系統(tǒng)在分相區(qū)中性段發(fā)出與來車側(cè)同幅值和相位的電壓；其次，當(dāng)兩個受電弓完全進(jìn)入分相區(qū)后，不停電過分相系統(tǒng)開始平滑調(diào)節(jié)輸出電壓的相位直至與另一個供電臂的相位相同；最后，當(dāng)機(jī)車完全離開分相區(qū)后，不停電過分相系統(tǒng)停止工作。

1.2 UPT裝置原理分析

圖2 UPT等效電路Fig.2 Equivalent circuit of UPT

UPT等效電路如圖2所示。在不影響分析結(jié)論的情況下，對電路模型進(jìn)行簡化分析。假設(shè)公共側(cè)直流母線電壓恒定且上橋臂和下橋臂電容電壓相等，主網(wǎng)側(cè)電流在上橋臂和下橋臂中平均分配，主電路中的元件均為無損耗的理想元件。

對于三相中性點(diǎn)，根據(jù)基爾霍夫第一定律可以得到

假設(shè)兩側(cè)供電臂向分相區(qū)傳送的總功率為P，且供電臂α傳送的功率為P1=kP，則供電臂β傳送的功率為P2=(1-k)P，考慮機(jī)車在t0時刻由供電臂α進(jìn)入分相區(qū)，則有

此時有

三相環(huán)流可分別表示為

結(jié)合式（4）～式（6）可知，三相MMC上、下橋臂電流為

通過式（7）、式（8）可知，當(dāng)保持兩側(cè)供電臂向分相區(qū)傳送的總有功功率與 MMC模塊直流側(cè)電壓比值一定時，u相的上下橋臂上的電流與供電臂α側(cè)電流成正比，與時間成反比；w相的上、下橋臂上的電流與供電臂β側(cè)電流成正比，與時間成正比；v相的上、下橋臂上的電流與兩側(cè)供電臂電流之和成正比。由此可知，為了保證列車在經(jīng)過分相區(qū)時負(fù)荷線性變化，應(yīng)保證兩供電臂的電流之和連續(xù)變化。

2 UPT無功補(bǔ)償分析

2.1 牽引網(wǎng)末端電壓波動分析

在機(jī)車從分相區(qū)進(jìn)入供電臂的瞬間，可將其看成沖擊性的大功率阻感負(fù)荷瞬間突然接入電網(wǎng)，將引起系統(tǒng)末端電壓的暫降[14]。

由于考慮上下行全并聯(lián)的牽引網(wǎng)系統(tǒng)中包括多條平行的線路，為了保證其完整的電氣分布特性，考慮對牽引網(wǎng)進(jìn)行R次切割，從而建立如圖3所示的牽引網(wǎng)的鏈?zhǔn)诫娐纺Ｐ汀?/p>

圖3 牽引網(wǎng)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)切面圖Fig.3 Sectional drawing of chain structure of traction network

由圖3可知，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣Y0為

假設(shè)牽引網(wǎng)導(dǎo)線數(shù)量為p，建立如圖 4所示的π型p導(dǎo)體線路。根據(jù)電磁場理論可以得到π型p導(dǎo)體線路的分布阻抗矩陣Z為

此時π型p導(dǎo)體線路的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣Y/2為

圖4 π型p導(dǎo)體線路Fig.4 π-type p-conductor lines

由于機(jī)車是并聯(lián)接入牽引網(wǎng)中，故機(jī)車的接入對分布阻抗矩陣沒有影響，但是會引起一邊的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的變化?？紤]一輛機(jī)車分別接在i、j兩條線路上，其導(dǎo)納為yij，且運(yùn)行于切面K，此時π型p線路的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的修改增量為

此時機(jī)車的導(dǎo)納將引起系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣中YK矩陣的變化。同理，考慮有q輛機(jī)車在電路中運(yùn)行，由于電路的線性化，可直接用疊加定理進(jìn)行計算分析，即機(jī)車的接入對系統(tǒng)等效節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的影響同樣將分別體現(xiàn)在所接線路與所在切面上，而并不會影響系統(tǒng)的分布阻抗矩陣。

假設(shè)切面電流為I，節(jié)點(diǎn)電壓為U，考慮加入機(jī)車之后的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣為0′Y，建立整個系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)電壓方程為

經(jīng)過計算分析可知，機(jī)車在進(jìn)入供電臂的瞬間，將引起牽引網(wǎng)末端電壓下降。當(dāng)機(jī)車在牽引網(wǎng)中不斷運(yùn)行時，其電壓會有一定的抬升。在考慮上、下行線上各有三輛機(jī)車滿額工作的極限情況下，末端電壓下降比較大。

2.2 電流無功分量分析

由于供電臂之間的分相區(qū)距離較短，忽略其阻抗。機(jī)車在從分相區(qū)進(jìn)入供電臂的過程中，考慮利用過分相裝置發(fā)出無功功率從而維持末端電壓的穩(wěn)定。此時電壓損耗滿足

其中，首端的有功功率Ps和無功功率Qs分別滿足

式中，Pm、Qm分別為高鐵機(jī)車的有功功率與無功功率。

若要完全補(bǔ)償這部分電壓損耗，過分相裝置所發(fā)出的無功功率需滿足

無功電流滿足

3 有功電流傳輸特性分析

相鄰兩牽引變電站采用輪流換相的方式接入電網(wǎng)。牽引變壓器為高速鐵路常用的Vx牽引變壓器，為2×27.5 kV牽引供電方式，其結(jié)構(gòu)簡單且相對于其他類型的牽引變壓器利用率較高。兩牽引變電站之間通過分相區(qū)進(jìn)行隔離。

不停電過分相裝置原理圖如圖5所示。假設(shè)分相區(qū)從α側(cè)供電臂吸收的有功電流為，從β側(cè)供電臂吸收的有功電流為，在t0時刻機(jī)車由α側(cè)供電臂恰好駛?cè)敕窒鄥^(qū)，機(jī)車過分相的總耗時為T。為了保證機(jī)車在通過分相區(qū)時負(fù)荷特性的線性平滑調(diào)節(jié)，分相區(qū)從兩側(cè)供電臂單位時間內(nèi)吸收的電流變化特性如圖6所示。對機(jī)車從α側(cè)供電臂駛向β側(cè)供電臂，經(jīng)過分相區(qū)的整個過程的有功電流傳輸過程進(jìn)行分析。

圖5 不停電過分相裝置原理圖Fig.5 Schematic diagram of the uninterrupted phaseseparation passing device

圖6 機(jī)車過分相的負(fù)荷有功電流特性曲線Fig.6 Load active current characteristic curve of locomotive phase-separation passing

供電臂α向分相區(qū)傳輸?shù)挠泄﹄娏鳚M足

供電臂α向分相區(qū)傳輸?shù)挠泄﹄娏髑€如圖 7所示。

圖7 供電臂α向分相區(qū)傳輸?shù)挠泄﹄娏髑€Fig.7 Active current curve of power supply from arm α to neutral section

供電臂β向分相區(qū)傳輸?shù)挠泄﹄娏鳚M足

供電臂 β向分相區(qū)傳輸?shù)挠泄﹄娏髑€如圖 8所示。

圖8 供電臂β向分相區(qū)傳輸?shù)挠泄﹄娏髑€Fig. 8 Active current curve of power supply from arm β to neutral section

假設(shè)過分相裝置的三個端口中，A端口與α側(cè)供電臂相連，B端口與β側(cè)供電臂相連，C端口與分相區(qū)相連，三個端口輸出的有功電流分別為則傳遞的電流滿足表1。

表1 過分相裝置各端口輸出有功電流Tab.1 Output active current of each port of the phaseseparation passing device

在機(jī)車通過分相區(qū)的過程中，α側(cè)供電臂上的有功電流線性減小，β側(cè)供電臂上的有功電流線性增大。當(dāng)供電臂上傳輸?shù)挠泄﹄娏饕欢〞r，分相區(qū)上吸收的電流總和保持不變，使得機(jī)車能在不停電惰行的條件下，通過分相區(qū)無速度損失。

4 控制策略

UPT的控制策略框圖如圖9所示?？紤]列車從α側(cè)供電臂駛向β側(cè)供電臂，經(jīng)過分相區(qū)的整個過程，通過三相 MMC的 u、v、w三相與中性點(diǎn)配合，可實現(xiàn)分相控制[15-16]，在列車由α側(cè)供電臂經(jīng)過分相區(qū)通往β側(cè)供電臂的整個過程中，u相逆變器與 w相逆變器均控制交流電流，分別吸收 α側(cè)供電臂和β側(cè)供電臂的有功功率，且將其轉(zhuǎn)移至v相變流器。v相變流器根據(jù)電壓的移相特性輸出基波電壓與電流，并為在分相區(qū)中運(yùn)行的機(jī)車提供功率。u相逆變器吸收并轉(zhuǎn)移至 v相變流器的有功功率線性減小，w相逆變器吸收并轉(zhuǎn)移至 v相變流器的有功功率線性增加，而兩者之和維持一定。在機(jī)車從分相區(qū)駛向供電臂的時候，通過變流器發(fā)出無功電流維持機(jī)車電壓的穩(wěn)定不變，其控制策略框圖如圖10和圖11所示。

圖9 UPT控制策略框圖Fig.9 Block diagram of UPT control strategy

圖10 實際參考電流信號生成框圖Fig.10 Actual reference current signal block diagram

圖11 UPT控制系統(tǒng)框圖Fig.11 UPT control system

在機(jī)車過分相的過程中，UPT應(yīng)該滿足兩個目標(biāo)[16-17]：①機(jī)車通過分相區(qū)的過程中，從兩側(cè)供電臂吸收的有功電流均線性變化，且總和保持一定；②在機(jī)車過分相時，機(jī)車電壓幅值保持一定，相位發(fā)生移相變化。

4.1 有功控制策略

機(jī)車在過分相的過程中從兩側(cè)供電臂吸收的有功電流總和保持一定，α側(cè)供電臂輸出的有功電流線性減小，而β側(cè)供電臂輸出的有功電流線性增加。利用直流電壓參考信號與實測信號的比較，經(jīng)過PI控制器與兩側(cè)供電臂電壓同步參考信號的作用[18]，得到直流電壓信號并將其用于供電臂電流的調(diào)節(jié)，α側(cè)供電臂有功參考電流即為α側(cè)供電臂的輸出有功電流[19-20]，即

假設(shè)α側(cè)供電臂實際輸出有功電流與參考有功電流比值為μ（0＜μ＜1），故可得α側(cè)供電臂實際輸出有功電流表達(dá)式為

利用 β側(cè)供電臂輸出的有功電流補(bǔ)償 α側(cè)供電臂的實際輸出有功電流與有功參考電流之間的差值，即

β側(cè)供電臂輸出的有功參考電流為

由式（22）～式（25）可知，系統(tǒng)總的傳遞有功電流包括α側(cè)供電臂輸出有功電流與β側(cè)供電臂輸出有功電流兩部分，其中，α側(cè)供電臂的有功參考電流為 α側(cè)供電臂輸出有功電流的理論計算值，β 側(cè)供電臂的有功參考電流為兩側(cè)總的輸出有功電流與α側(cè)供電臂實際輸出有功電流的電流差值。

4.2 無功控制策略

裝置所發(fā)出的無功電流來維持機(jī)車進(jìn)入供電臂時所引起的電壓暫降[21-22]。機(jī)車在過分相的過程中，公共直流側(cè)母線電壓保持穩(wěn)定，即通過直流電壓的控制，維持機(jī)車電壓的穩(wěn)定。利用所得到的實際參考電壓信號，對實測無功電流信號進(jìn)行滯環(huán)電流跟蹤控制，從而實現(xiàn)對參考電流信號的快速跟蹤與實際輸出電流信號的迅速調(diào)節(jié)。

β側(cè)供電臂輸出的無功參考電流表達(dá)式為

4.3 裝置控制策略

系統(tǒng)總的傳遞有功電流包括α側(cè)供電臂輸出電流與 β 側(cè)供電臂輸出電流兩部分，其中，α 側(cè)供電臂的參考電流為 α 側(cè)供電臂輸出電流的理論計算值，β 側(cè)供電臂的參考電流為兩側(cè)總的輸出電流與α側(cè)供電臂實際輸出電流的電流差值。兩端供電臂輸出電流協(xié)同控制，最終完成機(jī)車不停電、不降功過分相[23-24]。

在機(jī)車過分相時，需要實現(xiàn)對參考電流的快速跟蹤控制，而UPT具有很快的響應(yīng)速度，能在一個周波內(nèi)快速響應(yīng)，因此考慮UPT控制系統(tǒng)采用滯環(huán)電流控制[25-26]。其中，α側(cè)供電臂的參考電流為

β側(cè)供電臂的參考電流為

5 UPT的仿真與實驗

5.1 仿真條件

高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的電氣仿真參數(shù)及傳輸線參數(shù)分別見表2和表3。

表2 仿真模型參數(shù)Tab.2 Parameters of simulation model

表3 傳輸線參數(shù)Tab.3 Parameters of traction network transmission lines

為了驗證所提出的 UPT的工作特性與控制策略的有效性，本文利用 Matlab建立機(jī)車過分相的仿真模型?？紤]機(jī)車在0.265s從α側(cè)供電臂剛開始進(jìn)入分相區(qū)，在0.5s從分相區(qū)剛開始進(jìn)入β側(cè)供電臂。分析單輛機(jī)車在經(jīng)過分相區(qū)的過程中，機(jī)車電壓變化曲線以及過分相裝置輸出電流變化曲線的仿真特性。

5.2 仿真分析

5.2.1 機(jī)車電壓特性仿真分析

1）基于傳統(tǒng)兩相式MMC的機(jī)車過分相電壓特性

當(dāng)機(jī)車基于兩相式MMC過分相時，假設(shè)機(jī)車從α側(cè)供電臂駛向β側(cè)供電臂，在整個過程中，能量完全由α側(cè)供電臂提供。

上、下行全并聯(lián)運(yùn)行下末端電壓變化特性如圖12所示。當(dāng)機(jī)車在分相區(qū)中運(yùn)行時，牽引網(wǎng)末端電壓為 25.28kV，此時牽引網(wǎng)末端電壓在機(jī)車正常滿額運(yùn)行的電壓范圍之中；機(jī)車0.5s進(jìn)入供電臂的瞬間，電壓發(fā)生瞬時跌落，隨著機(jī)車的進(jìn)一步運(yùn)行，末端電壓有一定的抬升。此時牽引網(wǎng)末端電壓為23.7kV，下降比較大，機(jī)車將處于非滿額功率運(yùn)行。

圖12 上、下行全并聯(lián)運(yùn)行下末端電壓變化特性Fig.12 Variation characteristics of terminal voltage under up and down parallel operation

2）基于UPT的機(jī)車過分相電壓特性

當(dāng)機(jī)車從分相區(qū)進(jìn)入供電臂時，利用UPT發(fā)出無功電流從而補(bǔ)償機(jī)車負(fù)荷突然接入所引起的電壓缺額，補(bǔ)償電壓波形圖如圖13所示。在機(jī)車進(jìn)入分相區(qū)后，從兩側(cè)供電臂吸收的電流幅值和一定，分相區(qū)電流波形如圖14所示。

圖13 UPT補(bǔ)償電壓波形Fig.13 UPT compensation voltage waveform

圖14 分相區(qū)電流變化仿真分析Fig.14 Simulation analysis of current variation characteristics

從圖14可以看出，在高速列車通過分相區(qū)的整個過程中，機(jī)車上的電壓相位實現(xiàn)了從 α側(cè)供電臂駛向β側(cè)供電臂的連續(xù)轉(zhuǎn)變。由圖15a可知，機(jī)車在進(jìn)入分相區(qū)之后，分相區(qū)上的電流保持幅值恒定的良好正弦波形；由圖15b可知，機(jī)車在分相區(qū)上的電壓幅值與 α側(cè)供電臂及 β側(cè)供電臂上的電壓幅值相等。故在機(jī)車在從 α側(cè)牽引供電經(jīng)過分相區(qū)駛向 β側(cè)供電臂的過程中，機(jī)車上的電壓幅值不變，相位實現(xiàn)由α側(cè)供電臂電壓相位向β側(cè)供電臂電壓相位的連續(xù)平滑調(diào)節(jié)，與理論分析結(jié)果相同。

圖15 電壓變化特性仿真分析Fig.15 Simulation analysis of voltage variation characteristics

5.2.2 供電臂電流特性仿真分析

傳統(tǒng)的機(jī)車過分相方式是采用兩相式MMC裝置。裝置兩側(cè)的電流傳輸特性如圖16所示。考慮機(jī)車一直滿額運(yùn)行，當(dāng)機(jī)車從分相區(qū)進(jìn)入β側(cè)供電臂時，兩側(cè)傳輸電流發(fā)生突變，α側(cè)供電臂電流突降為 0，β側(cè)供電臂電流突增為 491.2A，兩側(cè)電流幅值特性見表4。

圖16 基于傳統(tǒng)兩相式MMC的供電臂兩側(cè)電流波形Fig.16 Current waveforms on both sides of traction power supply arm based on traditional two-phase MMC

基于UPT的供電臂兩側(cè)電流波形如圖17所示。從圖17可以看出，高速列車在通過分相區(qū)的整個過程中，在α側(cè)供電臂上運(yùn)行時，α側(cè)供電臂電流幅值最大，此后該電流幅值線性減小，當(dāng)機(jī)車進(jìn)入β側(cè)供電臂時，該電流幅值減至0；當(dāng)機(jī)車在α側(cè)供電臂上運(yùn)行時，β側(cè)供電臂電流幅值為0，此后該電流線性增大，當(dāng)機(jī)車進(jìn)入β側(cè)供電臂時，β側(cè)供電臂上的電流達(dá)到最大。同時，兩側(cè)供電臂上電流之和幅值保持一定，為491.2A，與理論結(jié)果分析特性相同。

表4 傳統(tǒng)過分相裝置電流幅值的仿真數(shù)據(jù)Tab.4 Simulation data of current amplitude of traditional phase-separation passing device

圖17 基于UPT的供電臂兩側(cè)電流波形Fig.17 Current waveforms on both sides of traction power supply arm based on UPT

表5 UPT電流幅值的仿真數(shù)據(jù)Tab.5 Simulation data of current amplitude of UPT

與傳統(tǒng)式過分相裝置相比，UPT能保障機(jī)車在過分相時，分相區(qū)從兩側(cè)吸收的電流實時線性變化，但是總和仍然保持為491.2 A不變。

5.3 實驗分析

為了進(jìn)一步驗證 UPT的有效性和優(yōu)點(diǎn)，搭建了小容量的實驗平臺進(jìn)行相關(guān)的實驗。實驗平臺如圖18所示。主變壓器匝數(shù)比為380V:220V，額定功率為10kV·A，MMC容量為2kvar。負(fù)載位于一個電源臂中，其容量為800W，耦合電感為10 mH。子模塊由兩個1 200V 50A IGBT和一個450V、2 200μF電容組成，MMC的開關(guān)頻率為 10kHz，調(diào)制比為0.85。通過開關(guān)的投切來模擬機(jī)車過分相的過程。采用TI公司的TMS320F2812 DSP作為UPT系統(tǒng)的控制器來輸出控制信號，且所有控制程序都在DSP中運(yùn)行。

圖18 實驗平臺Fig.18 The experiment platform

實驗結(jié)果如圖19～圖21所示。

圖19 供電臂有功電流波形Fig.19 Active current waveform of traction arm

圖20 末端電壓變化波形Fig.20 Terminal voltage variation waveform

圖21 機(jī)車過分相時分相區(qū)與兩側(cè)供電臂電壓波形Fig.21 Voltage waveforms of neutral section and traction arms on both sides of locomotive phase-separation passing

從圖20可以看出，本文提出的UPT可以在機(jī)車過分相情況下保證兩側(cè)供電臂電流線性變化，且其電流和保持為3.42A不變，證明了其有效性。圖21表明，機(jī)車在過分相進(jìn)入供電臂時，將引起的電壓跌落。圖 22表明，UPT能保證機(jī)車在過分相的過程中，電壓波形保持幅值為 311V的正弦變化且相位實現(xiàn)了由α側(cè)供電臂相位至β側(cè)供電臂相位的變化，裝置對機(jī)車突然接入所引起的電壓跌落進(jìn)行了補(bǔ)償，進(jìn)一步證明了UPT的優(yōu)點(diǎn)。

6 結(jié)論

本文提出了一種分相區(qū)不停電過分相系統(tǒng)UPT，對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無功補(bǔ)償特性與電流傳輸特性進(jìn)行了分析，并研究了UPT的控制策略。結(jié)論如下：

1）UPT能使機(jī)車負(fù)荷不停電地通過分相區(qū)且負(fù)荷線性變化。在經(jīng)過分相區(qū)的過程中，UPT能保證機(jī)車電壓發(fā)生移相變化。

2）通過 UPT發(fā)出無功電流，解決了機(jī)車過分相的末端電壓波動問題。

3）提出了UPT的控制策略，具有較好的動態(tài)響應(yīng)特性。通過Matlab仿真驗證了UPT能使機(jī)車不停電、不降功地通過分相區(qū)，同時能保證負(fù)荷線性變化。搭建了小容量實驗平臺，對機(jī)車通過過分相時的系統(tǒng)電流變化特性進(jìn)行了硬件實驗驗證，實驗結(jié)果驗證了理論分析的有效性及可實施性。