基于超級電容的交直交牽引供電系統(tǒng)及控制策略

陳鐵， 張會穎*， 李咸善， 陳衛(wèi)東

(1.三峽大學電氣與新能源學院， 宜昌 443002； 2. 梯級水電站運行與控制湖北省重點實驗室， 宜昌 443002)

傳統(tǒng)電氣化鐵路采用異相供電方式，存在無功、諧波、負序等電能質量問題和電分相問題，不僅影響電網的正常運行[1-3]，還會造成列車間斷取流，引起速度和牽引力的損失，降低能量利用率。平衡牽引變壓器[4-5]、無源和有源補償、鐵路功率調節(jié)器(railway static power conditioner， RPC)[6-8]以及基于有源補償器(active power compensator， APC)的同相供電裝置[9-10]雖然能在一定程度上緩解電能質量問題，但無法徹底取消分相區(qū)，實現牽引網全線貫通。

貫通式同相供電系統(tǒng)通過電力電子變換裝置直接將三相電能轉換為同相位、同幅值的單相電，確保由不同牽引變電所供電的牽引網各分段母線電壓同相位，從而徹底取消分相區(qū)。文獻[11-12]提出了一種基于單相-單相AC/DC/AC電力電子變壓器(power electronic transformer， PET)的同相供電系統(tǒng)，牽引變壓器的二次側分別通過一套PET并聯在牽引網上，兩臺PET輸入、輸出功率需要保持一致，否則會在牽引網側引起環(huán)流，嚴重時可能損害功率器件。文獻[13]中提出了一種基于三相-單相AC /DC /AC型變換器的同相供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)輸入側變流器級聯直掛三相電網，輸出側采用級聯結構直掛牽引網，由于電網的高電壓等級，需要大量的高耐壓、大電流的功率器件，成本過高，可行性不強。文獻[14-17]中提出基于模塊化多電平變流器(modular multilevel converter， MMC)的同相供電系統(tǒng)，但MMC結構在運行過程中存在環(huán)流，控制復雜，在電氣化鐵路實際應用中存在困難，且無法在原變電所基礎上進行同相供電改造。此外三相-單相結構可靠性低，在該結構故障時，會造成整個牽引變電所停運，容錯性能差。

牽引負荷具有隨機性、沖擊性的特點。在發(fā)車較密集的時候，從電網中吸收功率多；發(fā)車較稀疏的時候，吸收的功率較少，劇烈的功率波動會對電網側形成功率沖擊[18-20]。不僅會增大變壓器和電力電子裝置的設計容量，也會對功率器件的安全運行造成影響。但目前貫通式同相供電系統(tǒng)在此方面的研究鮮有報道。

超級電容充放電快，循環(huán)壽命長，可以快速匹配負荷功率的波動[21-22]，更適合電氣化鐵路的負荷特點。在直流母線處引出儲能單元接口，并聯超級電容，利用其快速儲能、釋能的特性，在負荷高峰時放電、負荷低谷時充電，使電網輸出功率相對平緩，并降低變壓器和背靠背變換器的容量需求以及變電所的運行費用，對于維持供電系統(tǒng)的穩(wěn)定有重要作用[23]。

基于上述因素，現提出基于超級電容的交直交牽引供電系統(tǒng)及控制策略。系統(tǒng)主要包括交直交供電單元和儲能單元，交直交單元由接于斯科特變壓器副邊繞組的兩套整流器和為牽引網供電的一套逆變器組成。兩套整流器直流環(huán)節(jié)并聯，形成公共直流母線。超級電容作為儲能裝置，通過Buck/Boost變換器連接至公共直流母線。相比于上述貫通式同相供電系統(tǒng)，希望本系統(tǒng)結構更加靈活，控制策略更容易實現。通過仿真實驗說明，本方案的有效性。

1 儲能式交直交牽引供電系統(tǒng)結構及原理

1.1 系統(tǒng)構成

在電氣化鐵路中，電力機車和動車組作為單相負載，產生的負序電流會對電力系統(tǒng)的運行造成影響。為盡可能地減少進入電力系統(tǒng)的負序電流，電氣化鐵路普遍實行換相連接，并設置電分相環(huán)節(jié)。本文中提出的儲能式交直交牽引供電系統(tǒng)在治理電氣化鐵路電能質量的同時取消分相區(qū)，并在直流母線上并聯儲能系統(tǒng)，實現削峰填谷，系統(tǒng)示意如圖1所示。

牽引變壓器選取Scott變壓器。交直交系統(tǒng)中，在Scott變壓器的兩個副邊繞組分別通過降壓變壓器連接一套脈寬調制(pulse width mod-ulation， PWM)整流器。PWM整流器可通過控制網側電流鎖定網側電壓，實現高功率因數運行。降壓變壓器采用多重化結構，可采用載波移相調制策略降低網側諧波含量。該交直交系統(tǒng)除可解決電氣化鐵路的無功和諧波問題外，還可解決負序電流問題。由于交直交系統(tǒng)逆變側采用PWM變換器，則輸出電壓可控，因此可徹底取消分相區(qū)，實現牽引網全線貫通。

該系統(tǒng)相比基于三相-單相交直交變流器的同相供電系統(tǒng)，牽引變壓器副邊繞組分別接入兩臺單相整流裝置，其整流部分的結構更簡單，功率器件的容量降低、數量減少，有利于減少裝置的成本，且兩臺整流裝置并列供電，一個裝置故障不會影響另一個裝置的工作，運行可靠性更好。將兩臺PWM整流器的直流端并聯，通過一個逆變端口與牽引網相連，相比同時并聯兩套單相-單相PET的同相供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)在牽引網側不會形成環(huán)流，只需控制一臺逆變器的輸出即可實現對牽引網電壓的穩(wěn)定控制，控制更易實現。此外，形成了公共直流端口，便于儲能系統(tǒng)接入，靈活性也有所增強。

AC/DC為整流器；DC/AC為逆變器；SC為超級電容裝置圖1 基于超級電容的儲能式交直交牽引供電系統(tǒng)示意圖Fig.1 The schematic diagram of super capacitor energy storage-based AC-DC-AC traction power supply system

1.2 交直交系統(tǒng)解決負序電流的原理

IA、IB、IC分別為變壓器原邊三相電流；IM、IT分別為變壓器 副邊電流；UM、UN分別為變壓器副邊電壓圖2 Scott變壓器接線示意圖Fig.2 The wiring diagram of Scott transformer

Scott原邊電壓和次邊電壓電流向量圖分別如圖3(a)、圖3(b)所示。若Scott變壓器原邊三相電流分別為IA、IB、IC，則根據磁勢平衡原理，可得

(1)

假設兩供電臂負載功率因數角相等，負荷電流幅值相等時，即IT=I，IM=I∠90°，代入式(1)可得

(2)

UAB、UBC 、UCA分別為變壓器原邊線電壓圖3 Scott變壓器原邊電壓和次邊電壓電流向量圖[19]Fig.3 The vectors of primary voltage and secondary voltage and current of Scott transformer[19]

式中：KM為M座變壓器變比，KM=W1/W2。從式(2)中可以看出，當兩供電臂負載電流大小相等，相位相差90°時，原邊三相電流對稱，消除了負序電流。對于拓撲結構來說，從圖1中可以看出，兩套整流器直流環(huán)節(jié)并聯，只要采用相同結構、控制策略及參數，即可獲得幅值相同的網側電流。同時，控制兩套整流器網側電流鎖定網側電壓，使網側電流相位相差90°，即可消除負序電流。

1.3 利用超級電容削峰填谷

電氣化鐵路負荷隨機性強，從文獻[19]中圖3可以看到，1 h牽引負荷功率在-15～60 MW，呈現出劇烈波動的特性。輕載時，牽引負荷從電網吸收功率較?。恢剌d時，牽引負荷從電網吸收功率較大。因此運行中，會造成電網輸出功率頻繁波動，在電網供電相對薄弱的地區(qū)會影響電網的穩(wěn)定運行。超級電容功率密度高，充放電性能好、時間短，能夠響應短時大功率機車的隨機波動。在直流環(huán)節(jié)并聯超級電容裝置，在輕載時，工作于充電狀態(tài)，在重載工況下，工作于放電狀態(tài)，可實現能量的循環(huán)利用以及削峰填谷，實現電網功率的平穩(wěn)輸出。同時，降低供電系統(tǒng)對設備容量要求，進而減少最大需量電費或牽引變壓器容量電費，取得良好的經濟效益。

2 儲能式交直交牽引供電系統(tǒng)控制策略

2.1 整體控制方案

系統(tǒng)控制方案包括交直交系統(tǒng)的控制和儲能系統(tǒng)的控制。交直交系統(tǒng)包括連接于Scott變壓器副邊繞組的兩個PWM整流器和輸出側逆變器。PWM整流器選用直流電壓外環(huán)、網側電流內環(huán)的雙環(huán)控制策略，在穩(wěn)定直流環(huán)節(jié)電壓的同時解決電氣化鐵路無功、諧波和負序等電能質量問題。輸出側逆變器控制輸出電壓的幅值和相位，為牽引負荷供電，同時取消分相區(qū)，實現牽引網全線貫通。在儲能系統(tǒng)中，設定充電和放電閾值，通過控制DC/DC變換器，實現充放電，緩解電網輸出功率的波動，實現削峰填谷?？刂葡到y(tǒng)的整體框架如圖4所示。

圖4 儲能式交直交牽引供電系統(tǒng)整體控制框架圖Fig.4 The integral control framework of energy storage-based AC/DC/AC traction power supply system

2.2 交直交系統(tǒng)控制策略

2.2.1 輸入側PWM整流器控制策略

輸入側PWM整流器在保證穩(wěn)定能量傳輸的同時治理電能質量，控制目標為：①穩(wěn)定的直流電壓；②平衡的網側三相電流；③高功率因數運行；④低諧波含量。根據控制目標，其控制策略主要包括兩部分：直流電壓控制和網側電流控制。因而，可采用直流電壓外環(huán)，網側電流內環(huán)的雙環(huán)控制策略；采用載波移相正弦脈寬調制(carrier-phase-shift sinusoidal pulse width modulation， CPS-SPWM)，降低網側諧波含量，控制框圖如圖5所示。

1)直流電壓控制

整流器控制直流環(huán)節(jié)電壓跟蹤參考值，以實現能量的可靠傳輸。通過采集系統(tǒng)獲取直流電壓瞬時值，其與直流電壓參考值的差值送入比例積分(proportional integral，PI) 控制器來控制直流電壓。

直流電壓控制環(huán)節(jié)采用PI控制器，傳遞函數為

(3)

式(3)中：KP、KI分別為比例積分控制器的比例系數、積分系數；s為阻尼比。

由式(3)可得其幅值增益為

(4)

式(4)中：ω為系統(tǒng)頻率。當ω=0時，API=∞，PI控制器可以實現直流量的無靜差跟蹤。

單相PWM整流器在能量傳輸過程中，直流環(huán)節(jié)存在二倍頻脈動。使用低通濾波器來減小直流電壓中的二倍頻分量，其截止頻率應低于100 Hz。然而，過低的截止頻率則會降低系統(tǒng)的動態(tài)性能。通常情況下，截止頻率應不低于50 Hz。采用巴特沃斯二階低通濾波器，傳遞函數為

(5)

式(5)中：ζ=0.707；ω0為截止頻率。

2)網側電流控制

在網側電流控制環(huán)節(jié)中，PI控制器的輸出作為網側電流控制內環(huán)的幅值參考。從1.2節(jié)分析可知，當Scott變壓器兩供電臂負載電流大小相等，相位相差90°時，原邊三相電流對稱。因此，采用鎖相環(huán)(phase-lock-loop， PLL)來鎖定Scott變壓器副邊繞

udcref、udc分別為直流電壓的參考值、瞬時值；uN、iN分別為網側電壓、電流；iNref、INref分別為網側電流的瞬時值、幅值；LPF為低通濾波模塊；PLL為鎖相環(huán)；PI為比例積分控制器；Q-PR為準比例諧振控制器；CPS-SPWM為 載波相移正弦脈寬調制圖5 交直交系統(tǒng)PWM整流器控制策略Fig.5 The control strategy of PWM rectifier in AC-DC-AC system

組電壓的相位，實現副邊電流相位相差90°，消除負序電流，達到網側三相電流平衡。

網側電流控制環(huán)節(jié)采用準比例諧振控制器(quasi-proportional resonance， Q-PR)，因為其可以實現交流量的無靜差控制。表達式為

(6)

式(6)中：KP為比例系數；ω0和Kr分別為目標諧振頻率和諧振增益；ωc為截止頻率。Q-PR控制器是由PR控制器演化過來的，PR控制器的表達式為

由式(6)可得其幅值增益為

(7)

當ω=ω0時，APR=∞。理論上，PR控制器可以實現交流量的無靜差跟蹤。然而，PR控制器在目標頻率處帶寬太窄，對頻率波動太敏感，魯棒性差。因此，加入了參數ωc，增加了目標頻率處的帶寬，當頻率出現微小波動時，仍可保持較大增益，且降低了實現難度。假設電網頻率最大波動為0.8 Hz，則ωc=2×0.8×π=5，ω0=100π。

網側電流控制環(huán)節(jié)的輸出與網側電壓的差值作為調制波，基于輸入側采用多重化結構，采用CPS-SPWM調制策略輸出開關器件的脈沖。

2.2.2 輸出側逆變器控制策略

逆變側的任務是取消分相區(qū)，同時為牽引負荷提供穩(wěn)定的電壓，外特性需表現為電壓源。因此，需要控制輸出電壓。針對非線性負載，采用電壓有效值外環(huán)，瞬時值內環(huán)的雙環(huán)控制策略，控制輸出電壓的幅值和相位，實現控制目標?？刂瓶驁D如圖6所示。

在輸出電壓有效值環(huán)中，將輸出電壓濾波后求取有效值，和有效值參考值進行比較，差值送入PI控制器。PI控制器輸出作為輸出電壓瞬時值環(huán)的幅值給定，乘以鎖相環(huán)后作為輸出電壓瞬時值環(huán)參考值，與濾波后的輸出電壓進行比較，差值進入準比例諧振控制器，得到調制波。同樣，由于輸出側采用級聯結構，采用CPS-SPWM調制策略獲得開關器件的觸發(fā)脈沖。逆變側控制中，由控制系統(tǒng)給定有效值參考值和相位信息。

分別為逆變器輸出電壓有效值參考值、實際值；uout為 逆變器輸出電壓圖6 交直交系統(tǒng)逆變器控制策略Fig.6 The control strategy of inverter in AC-DC-AC system

2.3 儲能系統(tǒng)控制策略

儲能系統(tǒng)中，超級電容作為儲能裝置，通過Buck/Boost變換器連接至直流母線進行充放電。拓撲結構如圖7所示。

假定儲能放電為正方向，充電為負方向。儲能系統(tǒng)控制策略如圖8所示。在圖8中，用儲能功率參考值Pref除以超級電容電壓端Usc得出儲能充放電電流的參考值Iscref，與儲能充放電實際電流Isc作差送入PI控制器，進行調制得出開關器件的脈沖。

超級電容的充放電控制是以負荷功率為依據進行的。根據系統(tǒng)容量和牽引負荷設置充電閾值Pmin和放電閾值Pmax，以及儲能裝置充電最大值Pcmax和放電最大值Pdmax。并且考慮超級電容的荷電狀態(tài)(state of charge， SOC)，當SOC處于正常范圍內可以充放電，否則儲能待機。當牽引負荷小于Pmin時，儲能系統(tǒng)進行充電，儲存電能，充電參考值為負載功率與充電閾值的差值和充電最大值兩者的最大值；當牽引負荷大于Pmax時，儲能系統(tǒng)進行放電，補償負荷功率，放電參考值為負載功率與放電閾值的差值和放電最大值兩者的最小值，使電網輸出功率穩(wěn)定在一個平穩(wěn)的區(qū)間，實現削峰填谷。儲能系統(tǒng)控制流程圖如圖9所示。

Csc為超級電容器等效電容；R為等效內阻；Usc為超級電容端電壓； Udc為直流母線電壓；T1、T2為雙向變換器；L為調相電感圖7 儲能系統(tǒng)拓撲圖Fig.7 The topology diagram of energy storage system

圖8 儲能系統(tǒng)控制策略Fig.8 The control strategy of energy storage system

圖9 儲能系統(tǒng)控制流程圖Fig.9 The control flow chart of energy storage system

3 仿真驗證

為驗證本方案的可行性與有效性，在MATLAB/Simulink中搭建了仿真模型。采用Scott牽引變壓器，原邊電壓110 kV，副邊電壓27.5 kV，整流器網側電壓950 V，直流環(huán)節(jié)電壓1 900 V，逆變器輸出電壓27.5 kV，超級電容初始SOC設置為80%。設置充電閾值為8 MW，放電閾值9 MW，放電和充電功率最大值為10 MW。0.2 s投入牽引負荷，1 s牽引負荷由8 MW增加為12 MW，2 s由12 MW減小為8 MW，3 s由8 MW減小為4 MW，4 s由4 MW增加為8 MW，仿真時間為5 s。

圖10所示為牽引負荷處于輕載、重載工況下，儲能系統(tǒng)通過充、放電控制，實現牽引負荷削峰填谷，從而達到穩(wěn)定網側輸出功率的效果。如圖10(a)所示，1 s時，牽引負荷功率增大，大于放電閾值，儲能系統(tǒng)進行放電。3 s時，牽引負荷功率減小，小于充電閾值，儲能系統(tǒng)進行充電。如圖10(b)所示，超級電容的充放電能夠適應并跟隨負荷功率的變化，充放電功率滿足控制要求。如圖10(c)所示，在不加入儲能系統(tǒng)時，電網輸出功率在4～12 MW波動，加入儲能系統(tǒng)后，通過儲能系統(tǒng)的充放電，電網輸出功率穩(wěn)定在8～9 MW。負載功率突變時，利用儲能裝置可以緩沖負荷功率快速波動對電網的能量沖擊。加入儲能后，沒有明顯的負荷波峰、波谷，電網出力相對均衡。

圖10 儲能系統(tǒng)仿真波形Fig.10 The simulation waveforms of energy storage system

圖11(a)為系統(tǒng)網側三相電流波形圖，圖11(b)為網側A相的電網電壓、電流波形圖，圖11(c)、圖11(d)為輸出側電壓波形圖，為了便于顯示，將圖11(b)中網側電壓幅值縮小為原值的0.5倍，網側電流幅值擴大為原值的100倍?？梢钥闯?，網側三相電流對稱，即消除負序分量；電流能夠鎖定電壓相位，實現高功率因數運行；且三相電流波形正弦度較好，諧波含量小，可以綜合解決無功、諧波和負序問題。輸出端電壓呈現階梯波，有效值穩(wěn)定在27.5 kV，正弦度好，可為負載提供良好的電能。直流電壓在穩(wěn)態(tài)時能夠穩(wěn)定在1 900 V，保證了能量的可靠傳輸。

對比文獻[11-17]中的仿真和實驗結果可以看出，該系統(tǒng)達到了同等的電能質量治理效果，消除了負序、諧波、無功對電網的影響，能夠提供給機車可靠的電能，且具有取消分相區(qū)的能力。此外，該系統(tǒng)在直流母線上并聯了超級電容裝置，通過儲能系統(tǒng)的充放電，在牽引負荷功率頻繁波動時，電網側輸出功率在穩(wěn)態(tài)時始終可穩(wěn)定在閾值范圍內，很好地緩解了牽引負荷的功率波動對電網的沖擊。

圖11 系統(tǒng)輸入輸出仿真波形Fig.11 The simulation waveforms of the input and output

4 結論

提出一種基于超級電容儲能的多端口交直交牽引供電系統(tǒng)及控制策略，該系統(tǒng)相比于已有的貫通式同相供電系統(tǒng)，結構更加靈活，控制相對簡單。在MATLAB/Simulink中進行了仿真驗證，得到以下結論。

(1)所提出的多端口交直交變流器的拓撲，用兩臺單相整流器分別與牽引變壓器二次側相連，相比三相-單相交直交變流器，其結構更簡單、運行可靠性更高、功率元件的容量更小。在直流母線處并聯，通過一個逆變端口與牽引網相連，在牽引網側不會產生環(huán)流。形成公共直流端口，便于儲能系統(tǒng)接入，靈活性也有所增強。

(2) 該系統(tǒng)可以確保電網側三相電流對稱且波形正弦度良好，消除負序影響，降低諧波含量；電網側電流鎖定電壓相位，實現高功率因數運行；控制輸出電壓同幅值、同相位。綜上，該系統(tǒng)在有效治理電能質量問題的同時，具有取消分相區(qū)的能力，實現全線貫通。

(3) 此外，引出了公共直流母線，在母線上并聯超級電容，可以平抑電網的輸出功率波動，降低了牽引負荷的功率波動對功率器件的沖擊，使電網的出力更加均衡，有利于電網削峰填谷。