一種新型電氣化鐵道電能路由器研究

（湖北工業(yè)大學(xué)太陽能高效利用及儲(chǔ)能運(yùn)行控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430068）

在當(dāng)下我國鐵道運(yùn)營發(fā)展中，憑借其自身供電便捷、高效率及對(duì)環(huán)境污染小等特點(diǎn)，電氣化鐵道已經(jīng)成為發(fā)展的主流[1]。但由于電力機(jī)車屬于大功率阻感類非線性負(fù)載，對(duì)牽引網(wǎng)的供能需求高，且會(huì)使?fàn)恳W(wǎng)電壓及功率因數(shù)降低，對(duì)周邊電力造成較大影響。因此，在節(jié)約能源、減少運(yùn)營成本的前提下，推出一種能使電氣化鐵道牽引網(wǎng)與電力機(jī)車匹配運(yùn)行的能量裝置，創(chuàng)建一個(gè)高電能質(zhì)量供電系統(tǒng)是當(dāng)前電氣化鐵道發(fā)展的熱點(diǎn)研究方向[2]。

文獻(xiàn)[3]的背靠背光伏發(fā)電系統(tǒng)既可以對(duì)電氣化鐵道的有功功率進(jìn)行補(bǔ)充，也能對(duì)無功進(jìn)行補(bǔ)償。但由于分布式發(fā)電不穩(wěn)定性，會(huì)使裝置供能不穩(wěn)定，系統(tǒng)安全性得不到保障，故在實(shí)際運(yùn)用中還需要對(duì)系統(tǒng)添加儲(chǔ)能部分才能保證牽引網(wǎng)的正常運(yùn)行。在文獻(xiàn)[4]中飛輪儲(chǔ)能對(duì)電氣化鐵道削峰填谷的研究表明，增加儲(chǔ)能部分在提高電氣化鐵道發(fā)電的安全性及穩(wěn)定性上有很大的實(shí)用價(jià)值。在文獻(xiàn)[5]中，提出一種含超級(jí)電容儲(chǔ)能的新型鐵路功率調(diào)節(jié)器，不僅實(shí)現(xiàn)了削峰填谷，還推動(dòng)了再生制動(dòng)能量利用率，不過其工作模式較為復(fù)雜，實(shí)驗(yàn)條件較為苛刻。為提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率，并網(wǎng)變換器的選擇上也具有多樣化。在運(yùn)用至諸如電氣化鐵道等大功率設(shè)備時(shí)，二極管鉗位型[6]、飛跨電容型[7]和具有直流電源的H橋級(jí)聯(lián)型[8]等多電平變換器都有出輸出電壓畸變率低、適用高電壓大功率的優(yōu)勢(shì)，但其電位平衡難、直流電源過多、控制算法復(fù)雜等也是這些傳統(tǒng)變換器發(fā)展運(yùn)用被限制的主要因素。

在電氣化鐵道中，合理的能量控制方式不僅能為電氣化鐵道牽引網(wǎng)削峰填谷，還可提高牽引網(wǎng)運(yùn)行的安全性。文獻(xiàn)[9]中的電壓—頻率下垂控制雖然調(diào)節(jié)靈活度高，但在電氣化鐵道中由于頻率需穩(wěn)定在工頻，故并不適用。文獻(xiàn)[10]中設(shè)計(jì)的虛擬磁鏈控制方式，以磁鏈—相角的控制策略有效地避免了傳統(tǒng)下垂控制在并網(wǎng)頻率上的問題，但其復(fù)雜的控制方式及繁多的參數(shù)計(jì)算使得其難以大力推廣。文獻(xiàn)[11]基于虛擬電機(jī)的控制方式有效解決了削峰填谷的問題，同時(shí)還保障了儲(chǔ)能的穩(wěn)定性。從當(dāng)前普遍的控制策略研究中可以看到，在運(yùn)用至諸如電氣化鐵道等實(shí)際應(yīng)用時(shí)，裝置控制的經(jīng)濟(jì)性、復(fù)雜性及實(shí)用性還需做進(jìn)一步研究[12]。所以針對(duì)大功率應(yīng)用，無論是新能源供能的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)還是控制方式都還有需要完善的地方。

為推廣可再生能源發(fā)電在電氣化鐵道供電系統(tǒng)中的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)能量的削峰填谷、牽引網(wǎng)的電壓支撐以及改善傳統(tǒng)并網(wǎng)變換器難以適應(yīng)牽引網(wǎng)電壓和容量等級(jí)、供能質(zhì)量低及控制復(fù)雜等問題，在文獻(xiàn)[13]的直流型電能路由器原理上，本文提出一種適用于電氣化鐵道的交流電能路由器裝置。首先通過對(duì)新型電能路由器裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及81電平變換器的工作方式進(jìn)行理論分析，再對(duì)功率調(diào)度參數(shù)計(jì)算及整體能量控制策略進(jìn)行了研究，最后利用Matlab/Simulink仿真驗(yàn)證了該新型電能路由器的有效性。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，裝置主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由分布式電源變換器（Ⅰ）、分布式儲(chǔ)能變換器（Ⅱ），直流母線電容器（Ⅲ）及81電平變換器（Ⅳ）組成。裝置利用分布式電源變換器作電能路由器的主要電能供應(yīng)接口，分布式儲(chǔ)能變換器實(shí)現(xiàn)牽引網(wǎng)能量的削峰填谷，直流母線電容器實(shí)現(xiàn)濾波、直流母線電壓支撐以及交直流功率解耦，最后通過81電平變換器實(shí)現(xiàn)電能路由器高壓、大容量、高電能質(zhì)量輸出。

圖1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Main circuit topology

2 電能路由器工作原理

2.1 81電平變換器工作原理

電能路由器的81電平變換器是將4組H橋的交流側(cè)輸出端連接對(duì)應(yīng)變壓器后，再將4組變壓器并網(wǎng)側(cè)串聯(lián)組成。4組變壓器的變比從上到下依次為1：1，1：3，1：9，1：27。通過控制各組H橋的通斷時(shí)間產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的電壓值，便可得到表1所示的81種電平組合方式[14]。

表1 81電平生成方式Tab.1 81 levels generating method

圖2為電能路由器并網(wǎng)側(cè)輸出電壓波形。

圖2 電能路由器并網(wǎng)側(cè)輸出電壓波形Fig.2 Output voltage waveform of power router on the grid side

在圖2所示的1個(gè)牽引網(wǎng)工頻周期內(nèi)，要讓電能路由器的輸出電壓U81滿足牽引網(wǎng)的供能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，可把理想狀態(tài)下的牽引網(wǎng)電壓Us均分至81份，使得正弦波可被81×2條水平線劃分，從過原點(diǎn)的水平線開始，將每?jī)蓷l臨近的水平線作與牽引網(wǎng)電壓相交的垂直線，取能被牽引網(wǎng)電壓平分的垂線為81電平電壓的階梯線，以此類推從而能夠得到理想的81電平電壓波形，結(jié)合表1的電平組合方式，可以推出相應(yīng)的4組H橋電壓波形。假定直流母線電容器的電壓為Udc，則每格階梯高度都為Udc，電能路由器輸出電壓U81與直流母線電容器電壓Udc的關(guān)系為

由圖2可知，牽引網(wǎng)單相交流電壓的周期T可劃分為162個(gè)時(shí)間段。由于時(shí)間的對(duì)稱性，只需計(jì)算出1/4個(gè)周期內(nèi)的40個(gè)開關(guān)時(shí)間即可推導(dǎo)出1個(gè)周期的開關(guān)時(shí)刻tm+1（m=0，1，2，…，161）為

結(jié)合表1及式（2），通過FPGA等軟件編程設(shè)置16個(gè)IGBT的作用時(shí)間，可使電能路由器輸出近似于正弦波的81電平電壓[15]。

2.2 電能路由器功率調(diào)度原理

假設(shè)81電平變換器輸出電壓及網(wǎng)側(cè)電壓分別為U81∠α1，US∠α2，變壓器短路阻抗及線路阻抗的和等效為X，傳輸至電網(wǎng)的有功功率及無功功率分別為P，Q，則有功電流和無功電流有效值分別為

令α=α1-α2，故可以近似得到電能路由器對(duì)牽引網(wǎng)輸出的有功功率及無功功率分別為

如圖3所示，結(jié)合式（3）、式（4），當(dāng)對(duì)含有阻感類非線性負(fù)載的機(jī)車進(jìn)行能源供應(yīng)時(shí)，可通過有功電流、無功電流調(diào)度的方式來進(jìn)行調(diào)節(jié)，而通過式（1）、式（5）、式（6）可知，有功功率主要由81電平變換器輸出電壓與牽引網(wǎng)電壓的相角差α來進(jìn)行調(diào)控，無功功率則主要通過電能路由器輸出電壓與牽引網(wǎng)的電壓矢量差U來進(jìn)行調(diào)控[16]，通過調(diào)節(jié)U81與負(fù)荷電流i之間的相位關(guān)系，即可使電能路由器處于發(fā)電或儲(chǔ)能狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，對(duì)牽引網(wǎng)的削峰填谷。

圖3 功率調(diào)度控制原理Fig.3 Power scheduling control principle

2.3 儲(chǔ)能變換器虛擬直流電機(jī)控制原理

為實(shí)現(xiàn)直流母線電容器的電壓穩(wěn)定及確保電能路由器的平穩(wěn)運(yùn)行，采用基于虛擬直流電機(jī)控制的分布式儲(chǔ)能單元。

依據(jù)實(shí)際直流電機(jī)中相應(yīng)的兩組公式：

式中：E為直流電機(jī)電動(dòng)勢(shì)；CT為轉(zhuǎn)矩系數(shù)；Φ為磁通量；ω為電機(jī)角速度；Ra為電機(jī)電樞總電阻。同時(shí)根據(jù)電磁功率等于電機(jī)電動(dòng)勢(shì)與電流的乘積及下式：

式中：H為電機(jī)的慣性常數(shù)；Tm和Te分別為電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩及機(jī)械轉(zhuǎn)矩；D為電機(jī)系統(tǒng)阻尼；ω0為額定角速度。

由上述式（7）～式（9）及在2.2節(jié)中得到的對(duì)應(yīng)相角差α及電能路由器輸出電壓與牽引網(wǎng)的電壓差，可推導(dǎo)出如圖4所示的基于虛擬直流電機(jī)的控制策略[17]。

圖4 儲(chǔ)能單元控制策略Fig.4 Control strategy of energy storage unit

3 電能路由器功率調(diào)度控制策略

圖5 控制系統(tǒng)總體框圖Fig.5 Block diagram of the control system

4 仿真分析

為了驗(yàn)證該電能路由器在電氣化鐵道領(lǐng)域的有效性，本文在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)上建立了仿真模型。分布式發(fā)電和分布式儲(chǔ)能單元分別采用光伏發(fā)電、飛輪儲(chǔ)能的仿真模塊，其中對(duì)飛輪儲(chǔ)能模塊仿真模型及控制原理在文獻(xiàn)[4]中已闡述，此處不再另外說明。儲(chǔ)能雙向DC/DC變換器單元采用虛擬直流電機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)直流母線電壓的穩(wěn)定，逆變單元采用基于81電平變換技術(shù)的H橋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)與牽引網(wǎng)的功率交換，削峰填谷。主要仿真參數(shù)如下：電氣化鐵路牽引網(wǎng)電壓等級(jí)27.5 kV，頻率50 Hz；電能路由器變壓器變比1：3：9：27，短路阻抗設(shè)定為8%；分布式發(fā)電單元額定發(fā)電量1 MW；分布式儲(chǔ)能單元電壓600 V；儲(chǔ)能單元IGBT開關(guān)頻率10 kHz；虛擬直流電機(jī)控制參數(shù)常數(shù)CTΦ，H，D分別為5.1，2，20；機(jī)車實(shí)際所需調(diào)度有功功率2.55 MW；機(jī)車實(shí)際所需調(diào)度無功功率1 Mvar；電能路由器儲(chǔ)能時(shí)額定功率1.41 MV·A。

4.1 機(jī)車進(jìn)站時(shí)對(duì)應(yīng)輸出波形驗(yàn)證

在機(jī)車進(jìn)站后，通過對(duì)電力機(jī)車所需功率進(jìn)行調(diào)度，圖6a為電能路由器在額定功率供能時(shí)，電能路由器與牽引網(wǎng)的電壓波形比較，圖6b為對(duì)電能路由器輸出電壓進(jìn)行FFT分析。從圖6b中可以看出，輸出階梯波畸變率只有1%，達(dá)到了為牽引網(wǎng)輸送高質(zhì)量電能的效果。

圖6 電能路由器發(fā)電狀態(tài)對(duì)應(yīng)輸出波形Fig.6 Output waveforms of the power router in generation state

圖7為光伏發(fā)電、儲(chǔ)能單元功率變化曲線。

在圖7中，0.3 s時(shí)機(jī)車進(jìn)站充電，由于負(fù)載突變，電能路由器依據(jù)所需調(diào)度的功率參數(shù)，對(duì)虛擬直流電機(jī)控制的儲(chǔ)能單元進(jìn)行升壓及對(duì)81電平變換器輸出電壓進(jìn)行移相，觀察到此時(shí)光伏發(fā)電單元P1能保持最大功率輸出，同時(shí)儲(chǔ)能單元輸出部分P2會(huì)隨負(fù)載突變而變化，二者一同為電力機(jī)車輸送能量，在保證可再生能源發(fā)電穩(wěn)定性的同時(shí)，達(dá)到了功率調(diào)度的效果。

圖7 光伏發(fā)電、儲(chǔ)能單元功率變化曲線Fig.7 PV and energy storage unit power curve

圖8為各種控制策略下直流母線電壓變化曲線。

圖8 各控制策略下直流母線電壓變化曲線Fig.8 DC bus voltage curve under each control strategy

在圖8中模擬比較了當(dāng)電能路由器在額定供電狀態(tài)下，光伏發(fā)電出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，直流母線電壓的幅值變化。在3 s時(shí)，分別調(diào)整不同儲(chǔ)能控制策略下的光伏發(fā)電單元光照強(qiáng)度S，使其同時(shí)從1 000 W/m2降至600 W/m2，通過兩圖對(duì)比可看出，在出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，后者波動(dòng)范圍及超調(diào)量極小，驗(yàn)證了采用虛擬直流電機(jī)控制策略對(duì)直流母線電壓支撐的穩(wěn)定性有較大提升，能更好應(yīng)對(duì)可再生能源供電受外部環(huán)境影響較大的特點(diǎn)。

當(dāng)機(jī)車進(jìn)站后，由于自身阻感性的影響，需要向其提供一部分無功功率以維持機(jī)車正常運(yùn)行。圖9為電能路由器并網(wǎng)前后，牽引網(wǎng)輸出有功、無功功率變換曲線。在0.5 s時(shí)，電能路由器并網(wǎng)，在為機(jī)車供能的同時(shí)，也提高了牽引網(wǎng)的功率因數(shù)，在參數(shù)調(diào)度合理的情況下，功率因數(shù)可接近1。

圖9 牽引網(wǎng)功率變換曲線Fig.9 Power curves of traction network

4.2 機(jī)車出站時(shí)對(duì)應(yīng)輸出波形驗(yàn)證

在機(jī)車出站后，可在牽引網(wǎng)處于空載或由于環(huán)境因素等引起電能路由器儲(chǔ)能不足時(shí)，通過對(duì)電能路由器所需功率進(jìn)行儲(chǔ)能調(diào)度。由調(diào)度原理可知電能路由器在額定功率儲(chǔ)能時(shí)，電能路由器的電壓會(huì)滯后于電網(wǎng)電壓，但其波形及階梯波畸變率與圖6a基本一致。

圖10為電能路由器儲(chǔ)能狀態(tài)對(duì)應(yīng)輸出波形。

圖10 電能路由器儲(chǔ)能狀態(tài)對(duì)應(yīng)輸出波形Fig.10 Output waveform of power router in energy storage state

圖10a所示為在1 s時(shí)機(jī)車出站，對(duì)電能路由器進(jìn)行額定功率儲(chǔ)能時(shí)的直流母線電壓變化情況。當(dāng)機(jī)車出站后，若出現(xiàn)牽引網(wǎng)容性無功過高或儲(chǔ)能裝置電力不足的情況時(shí)，可由功率調(diào)度立即為裝置進(jìn)行充電，進(jìn)一步驗(yàn)證了系統(tǒng)采用的控制策略使其具有達(dá)到新平衡的時(shí)間短，調(diào)節(jié)能力強(qiáng)的特點(diǎn)。圖10b為電能路由器在額定功率下進(jìn)行儲(chǔ)能的功率波形圖，通過仿真能觀察到裝置基本達(dá)到所需調(diào)度功率，實(shí)現(xiàn)了能量的削峰填谷、對(duì)牽引網(wǎng)在空載時(shí)的無功補(bǔ)償，同時(shí)也保障了可再生能源發(fā)電的穩(wěn)定性。

5 結(jié)論

1）電氣化鐵道電能路由器采用的81電平變換器，與傳統(tǒng)電氣化鐵道供能裝置采用的多電平變換器拓?fù)浼罢{(diào)制策略相比，不僅輸出電能質(zhì)量高、成本低，同時(shí)開關(guān)管所受電壓及開關(guān)損耗也相對(duì)較小，安全性也更有保證。

2）該新型電能路由器能解決傳統(tǒng)可再生能源供電系統(tǒng)在電氣化鐵道的能量供應(yīng)、電壓支撐等問題，同時(shí)通過虛擬直流電機(jī)控制及幅相控制實(shí)現(xiàn)了對(duì)牽引網(wǎng)的削峰填谷，在保障了可再生能源發(fā)電穩(wěn)定性的同時(shí)，還確保了能量利用效率的最大化。