電子開關(guān)帶電過分相對PETT的影響及其抑制措施

胡德旺，毛承雄，王丹，杜玉亮，劉東輝

（1 華中科技大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院 電力安全與高效湖北省重點實驗室，武漢 430074；2 中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京 100081）

為了保證高速鐵路動車組的安全運行與速度的提升，一方面需解決特殊工況對列車穩(wěn)定運行的影響；另一方面高速鐵路動車組仍需朝著更加高速化和輕量化的方向繼續(xù)努力。工頻變壓器的主要性能可滿足現(xiàn)今牽引傳動系統(tǒng)的運行需求，但其質(zhì)量、體積等因素限制了列車傳動系統(tǒng)向更高速化和輕量化方向的發(fā)展［1］。電子電力變壓器（Electronic Power Transformer，EPT）主要由電力電子器件構(gòu)成，其變壓器使用中頻變壓器，其電能變換具有高效性，且體積、質(zhì)量上也頗具優(yōu)勢［2］。EPT 在牽引供電領(lǐng)域的應(yīng)用為電力電子牽引變壓器（Power Electronic Traction Transformer，PETT），目前成為了研究熱點［3］?，F(xiàn)今國內(nèi)外學(xué)者對PETT 進行了不同類型的研究，包括拓撲結(jié)構(gòu)、控制策略等。同時各列車設(shè)備生產(chǎn)公司對各自設(shè)計制作的實驗樣機進行了研究，在運行試驗上取得一定進展。

基于PETT的牽引傳動系統(tǒng)示意圖如圖 1 所示，與基于工頻變壓器的牽引傳動系統(tǒng)相比，PETT 結(jié)合了傳統(tǒng)系統(tǒng)中工頻變壓器與整流器的功能。牽引網(wǎng)將電能傳輸至PETT 中的整流級，變換成高壓直流側(cè)電壓后經(jīng)過隔離級雙有源橋（DAB）變換器的作用降壓成低壓直流側(cè)電壓。此時再通過牽引逆變器逆變成三相交流電供給牽引電機工作［4］。

鐵道牽引供電為單相供電，為了維持各相功率的平衡和避免相間短路，接觸網(wǎng)每隔20～25 km就會存在一處電分相，其中包括一段中性區(qū)，該區(qū)段無電力供應(yīng)［5］。傳統(tǒng)的車載過分相失電時間較長，列車速度損失大。開關(guān)動作迅速、失電時間短的電子開關(guān)帶電過分相目前受到廣泛學(xué)者的研究和關(guān)注。使用電子開關(guān)帶電過分相時，由于失電時間較短，列車可以在不卸載牽引力的情況下過分相，但系統(tǒng)也會受到一定沖擊。

現(xiàn)今國內(nèi)外已有學(xué)者和機構(gòu)對于過分相暫態(tài)過程以及新型過分相技術(shù)進行研究。文獻［6］分析并計算了過分相時操作過電壓的原理，并研究了過電壓大小在合閘角不同時的變化規(guī)律。文獻［7］將實際動車組模型進行簡化來研究過分相引起的過電壓，并提出一種抑制方案，并討論了中性段兩端相位差不同時對中性段感應(yīng)電壓的影響。文獻［8］主要對列車在進行電子開關(guān)帶電過分相時產(chǎn)生的合閘過電流進行研究。文獻［9］對過分相暫態(tài)過程進行線性系統(tǒng)的建模研究，并分析了各過程之間的影響關(guān)系。文獻［10］分析了牽引傳動系統(tǒng)其中一種型號接線的變壓器在列車進行過分相時的電壓暫態(tài)過程，并進行仿真研究。文獻［11］利用動車組的數(shù)據(jù)，搭建牽引傳動仿真系統(tǒng)模型，仿真了過分相與其他工況下的勵磁涌流等影響。

綜上所述，現(xiàn)有研究中關(guān)于過分相的研究已經(jīng)涉及各個方面。而當(dāng)列車使用PETT 作為核心的牽引傳動系統(tǒng)運行時，PETT 在過分相時所受到影響的研究尚有待進行。

1 電子開關(guān)帶電過分相電氣過程分析

電子開關(guān)帶電過分相系統(tǒng)主要包括兩端的供電臂、中性段、電子開關(guān)以及傳感器，其時序過程如圖 2 所示。其中N1～N4為地面位置傳感器，當(dāng)列車經(jīng)過時，其對應(yīng)傳感器輸出為高電平。KA和KB為電子開關(guān)，由多級電子開關(guān)串聯(lián)而成，時序圖中波形顯示高電平時，電子開關(guān)閉合；波形顯示低電平時，電子開關(guān)斷開。

在該過分相方式下，T1時列車途徑N1傳感器，N1輸出相 應(yīng)信號，KA閉 合；T2時列車途經(jīng)N2傳 感器，N2傳感器發(fā)出信號后開關(guān)KA斷開，經(jīng)過極短的死區(qū)時間之后開關(guān)KB閉合，此時B 相供電臂為中性段供電；T3時列車駛過傳感器N4后，開關(guān)KB斷開，此時列車已完成整個過分相過程。過程中N3傳感器沒有起到信號傳遞作用，只有傳感器N1、N2、N4起作用，當(dāng)列車行進方向相反時，負責(zé)傳遞信號的則是傳感器N1、N3、N4。

電子開關(guān)帶電過分相的系統(tǒng)可以化簡為等效電路，如圖 3 所示，根據(jù)其時序過程可以將等效電路分為5 個狀態(tài)：

狀態(tài)1：KZA和KZB均斷開，列車在 供電臂A 正常運行，此時PETT 可以等效為阻感性運行，列車等待過分相信號。

狀態(tài)2：開關(guān)KZA閉合，供電臂A 與中性線通過開關(guān)相連，列車由中性線和供電臂A 供電，由于PETT 等效阻抗偏小，中性線感應(yīng)電壓與LC 電路雖然會產(chǎn)生一定影響，但是影響不大。

狀態(tài)3：開關(guān)KZA斷開，PETT 系統(tǒng)失去電力供應(yīng)，由于斷開的電路部分呈現(xiàn)感性，將會出現(xiàn)截流過電壓，KZA斷開以后電路分成2 部分：一部分是A相供電臂電源與線路組成的回路；另一部分是機車與中性線路組成的回路。由于斷開之后電感的能量需要耗散，所以兩邊回路都會出現(xiàn)高頻振蕩現(xiàn)象。但兩邊實際都存在有功損耗，所以最終電壓振蕩將逐漸減小并穩(wěn)定，且由于本身電感能量是變化的，所以振蕩幅度也與KZA動作時刻有關(guān)。另外，和傳統(tǒng)牽引系統(tǒng)不同，PETT 輸入側(cè)電壓并不與變壓器相連，而是直接與開關(guān)器件相連，所以可通過封鎖和發(fā)出脈沖來快速控制裝置的投切。若地面裝置與列車信號配合得當(dāng)，PETT 可以做到供電死區(qū)時間內(nèi)封鎖整流級脈沖過分相，由此降低過電壓對列車造成的影響。

狀態(tài)4：開關(guān)KZB閉合，供電臂B 與中性線通過開關(guān)接觸，列車由中性線和供電臂B 供電。由于此時PETT的高壓直流側(cè)電壓已經(jīng)有了一定程度跌落，此時控制系統(tǒng)中外環(huán)PI 迅速飽和，從而引起內(nèi)環(huán)給定值增加，相當(dāng)于RT和LT的等效總體阻抗變小，將引起一定的過電流。

狀態(tài)5：開關(guān)2 斷開，供電臂B 與中性線斷開，列車由供電臂B 供電。和狀態(tài)2 類似，雖然中性線的斷開會存在一定影響，但是由于機車功率較大，阻抗較小，所以整體影響并不顯著。

根據(jù)這5 種狀態(tài)可以搭建電子開關(guān)帶電過分相的仿真過程，從而得到其對PETT的影響。

2 電子開關(guān)帶電過分相仿真分析

2.1 仿真模型與參數(shù)

PETT的系統(tǒng)原理如圖4 所示，PETT 將牽引網(wǎng)的交流電壓先整流成高壓直流側(cè)電壓，然后通過隔離DC/DC 環(huán)節(jié)先變成中高頻交流，最后轉(zhuǎn)換成低壓直流側(cè)電壓。

PETT 有多種拓撲，文中采用級聯(lián)非諧振型PETT的拓撲結(jié)構(gòu)，如圖 5 所示。該拓撲應(yīng)用廣泛，其控制相對于其他新型拓撲較為簡單和成熟。為了在合理的前提下簡化分析和仿真不失一般性，將級聯(lián)的單元數(shù)n設(shè)定為3，相關(guān)參數(shù)見表1。

表1 PETT 仿真參數(shù)

整流級的控制策略使用電壓、電流雙環(huán)控制，隔離級采用單移相控制。

接觸網(wǎng)參數(shù)可根據(jù)經(jīng)典參數(shù)進行計算，取分相區(qū)離變電所15 km，見表2。PETT 系統(tǒng)仿真原理如圖6 所示，分相區(qū)由A 相供電臂、中性區(qū)、B 相供電臂組成，其中PETT 按位置1、2、3、4、5 依次接入，KZA和KZB按不同的分相方式依次閉合與斷開。

表2 接觸網(wǎng)仿真參數(shù)

2.2 仿真分析

電子開關(guān)帶電過分相過程中列車只有短暫的一瞬間失電，且恢復(fù)供電后電壓相位發(fā)生突變。在該過分相過程中，由于本身電子開關(guān)的控制誤差導(dǎo)致的弓網(wǎng)過電壓存在，且牽引系統(tǒng)并不會封鎖觸發(fā)脈沖，從而前文所分析的弓網(wǎng)暫態(tài)電氣過程也會對PETT 造成相應(yīng)的影響。按照前文所分析過分相過程，可以將電子開關(guān)過分相仿真過程設(shè)置如下：

（1）當(dāng)仿真時間為0.4 s時，列車由位置1 行駛到位置2，開關(guān)1 閉合，供電臂A 與中性線通過開關(guān)接觸，PETT 由中性線和供電臂A 供電。

（2）仿 真0.6 s時，開關(guān)KA斷開，PETT 短 時失電。

（3）仿真0.63 s時，開關(guān)KB閉合，供電臂B 與中性線通過開關(guān)接觸，列車由中性線和供電臂B供電。

（4）仿真0.83 s時，開關(guān)KB斷開，供電臂B 與中性線斷開，列車由供電臂B 供電。

得到PETT 輸入電壓波形如圖 7 所示，可以觀察到0.4 s 合閘時過電壓不明顯，這是由于過分相時PETT 仍在消耗大量功率，從而抑制了該部分的過電 壓；0.6 s時，開關(guān)KA斷開，開關(guān)KB仍未閉合，此時PETT 輸入產(chǎn)生約49.1 kV 過電壓，然后開始衰減振蕩；0.63 s時，KB閉合，轉(zhuǎn)變?yōu)橛晒╇姳跙 供電，產(chǎn)生電壓尖峰，經(jīng)過約2～3 個周期畸變后波形基本穩(wěn)定；0.83 s時，KB斷開，產(chǎn)生一次電壓尖峰后波形逐漸穩(wěn)定。

PETT 輸入電流波形如圖8 所示，可以觀察到0.4 s時，KA閉合電流幾乎沒有受到影響；0.6 s時，開關(guān)KA斷開，開關(guān)KB仍未閉合，電流迅速變?yōu)?，這也得益于晶閘管過零點關(guān)斷的特性；0.63 s時，KB閉合，突然轉(zhuǎn)變?yōu)橛晒╇姳跙 供電，產(chǎn)生畸變且幅值較大的過電流，經(jīng)過約2～3 個周期畸變后波形基本穩(wěn)定；0.83 s時，KB斷開，此時列車已經(jīng)完全駛?cè)牍╇姳跙，電流幾乎不受影響。由此可見，PETT的輸入電壓、電流在電子開關(guān)帶電過分相時受到一定的沖擊，中性段前后供電電壓存在相位差，在列車通過中性段之后恢復(fù)供電時，供電電壓相位與過分相前的相位產(chǎn)生變化，將對PETT的運行產(chǎn)生較大影響。輸入電壓相位的改變意味著PETT 整流級需要重新鎖相，這將導(dǎo)致高壓側(cè)直流電壓的波動，從而影響低壓側(cè)的直流電壓。

PETT 高壓側(cè)直流電壓直到0.6 s 開關(guān)KA斷開時才開始產(chǎn)生跌落，如圖9 所示，0.63 s 換相時跌落速度變得更快，經(jīng)過前級整流器控制環(huán)節(jié)穩(wěn)定，跌落至10 kV 左右再上升至18 kV 后高壓側(cè)直流電壓開始逐漸恢復(fù)。PETT 低壓直流側(cè)電壓變化過程與高壓側(cè)類似，跌落至2.2 kV 再上升至3.4 kV左右開始逐漸恢復(fù)。

由仿真可知，PETT 在列車進行電子開關(guān)帶電過分相時，在過分相前已經(jīng)在抑制欠壓與過壓保護誤動作，該動作執(zhí)行之后經(jīng)歷一次前文所分析的電子開關(guān)帶電過分相時序過程。此時弓網(wǎng)暫態(tài)電氣過程發(fā)生，由于沒有斷開主斷路器，弓網(wǎng)電氣暫態(tài)過程影響到PETT的輸入與輸出電壓，其中主要有2 個狀態(tài)造成了主要影響，分別是KA斷開且開關(guān)KB仍未閉合的暫態(tài)過程與KB閉合后的暫態(tài)過程，即狀態(tài)3 與狀態(tài)4。

其中，KA由于晶閘管的過零關(guān)斷特性，在電流為0的時候斷開，由于PETT 單位功率系數(shù)運行，同時也是電壓過零點，從而避免了更大的電壓和電流沖擊。

3 過分相影響的抑制措施

3.1 抑制措施

對于整流級，在短暫的失電后恢復(fù)供電時，由于此時高壓直流側(cè)電壓已經(jīng)大幅下跌，所以控制系統(tǒng)中電壓外環(huán)的PI 容易迅速上升并飽和造成電流內(nèi)環(huán)指令值過大，從而導(dǎo)致PETT 輸入電流過大，在這種情況下為了減小沖擊電流，應(yīng)使用恒定電流充電策略。當(dāng)直流側(cè)電壓出現(xiàn)大幅跌落并開始恢復(fù)時，轉(zhuǎn)換為恒定電流充電，即電壓外環(huán)PI 輸出直接給定，讓高壓直流側(cè)電容以一定速率上升至額定電壓，再轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷和猸h(huán)閉環(huán)控制。這種控制方式可以達到抑制沖擊電流的效果，但其電流給定值必須較低，這將導(dǎo)致高壓直流側(cè)電壓恢復(fù)較慢。為了維持最終輸出電壓的穩(wěn)定性，需要采取一定措施，使得隔離級能在高壓側(cè)電壓較低且不斷上升波動的情況下，盡可能穩(wěn)定地輸出低壓側(cè)直流電壓的額定值。

對于隔離級，虛擬直接功率控制（Virtual Direct Power Control，VDPC）可以更好地應(yīng)對隔離級輸入電壓突變的情況，降低該情況下輸出電壓的波動。所以對于直流側(cè)的電壓波動，過分相時隔離級可以使用VDPC 控制方法，如圖 10 所示［12］。

VDPC 控制計算為式（1）：

式中：dδ為移相比；U*dcL為輸出 電壓給定值；UdcL為輸出電壓；UdcH為DAB 輸入電壓；iDout為負載電流；為外環(huán)PI 控制器的輸出。

除了抑制短時失電的影響以外，還需要考慮輸入電壓相位突變的影響，該影響也將引起控制上的不穩(wěn)定，為了減小電壓相位突變帶來的影響，需要對鎖相速度進行提高。常用的相位檢測方式有過零點鎖相和鎖相環(huán)鎖相。其中過零點鎖相是對電壓過零點進行檢測，生成同步信號脈沖，觸發(fā)控制角度和同步信號一致來達到鎖相目的。這種鎖相方法簡單且易實現(xiàn)，但缺點是在實際的裝置中，電壓往往不是理想的正弦波形，接觸網(wǎng)受到線路參數(shù)以及其他因素影響，諧波含量豐富，這將導(dǎo)致采用過零檢測時，同步信號發(fā)生較大抖動。

現(xiàn)有列車的單相鎖相環(huán)往往采用乘法鑒相，其原理為將二倍頻分量濾除的同時，在工作點附近將相位差線性化控制。該鎖相方式由于結(jié)構(gòu)中有低通濾波環(huán)節(jié)，使得系統(tǒng)響應(yīng)變慢，延時變大，速度不足以應(yīng)對過分相時的相位突變。

現(xiàn)有研究中三相鎖相環(huán)需要對輸入電壓進行坐標(biāo)變換后進行鎖相，單相鎖相環(huán)技術(shù)中發(fā)展出一種基于坐標(biāo)變換的單相鎖相環(huán)，其原理為通過相關(guān)計算構(gòu)造與被檢測對象波形正交的虛擬電壓，利用將輸出和輸入進行虛擬變換后的q軸分量控制至0。比較具有優(yōu)勢的構(gòu)造方法是利用延時和三角變換，其延時影響可控在1/4 個周期以內(nèi)。但此種鎖相環(huán)也有著穩(wěn)定性較差的缺點，所以可以在正常行駛中使用乘法鑒相，檢測出現(xiàn)過分相時網(wǎng)壓中斷且相位突變的情況下，可轉(zhuǎn)換為基于坐標(biāo)變換的鎖相環(huán)控制，原理如圖 11 所示。

3.2 仿真驗證

對2 種鎖相環(huán)策略進行仿真得到結(jié)果如圖12、圖13 所示。

圖1 基于PETT的牽引傳動系統(tǒng)

圖2 電子開關(guān)帶電過分相過程

圖3 電子開關(guān)帶電過分相等效電路

圖4 PETT 系統(tǒng)原理框圖

圖5 級聯(lián)非諧振型PETT 拓撲結(jié)構(gòu)

圖6 PETT 系統(tǒng)仿真原理圖

圖7 電子開關(guān)帶電過分相時PETT 輸入電壓

圖8 電子開關(guān)帶電過分相時PETT 輸入電流

圖9 電子開關(guān)帶電過分相時PETT 直流側(cè)電壓

圖10 VDPC 控制框圖

圖11 過分相優(yōu)化鎖相策略

圖12 乘法鑒相相位跟蹤圖

圖13 過分相優(yōu)化相位跟蹤圖

可以看出優(yōu)化后的鎖相環(huán)相位跟蹤更加迅速，在電子開關(guān)帶電過分相時，比乘法鑒相進入穩(wěn)定鎖相的時間提前100 ms?；谏鲜鲆种撇呗赃M行仿真驗證，得到的仿真結(jié)果如圖14～ 圖16所示。

圖14 PETT 輸入電壓（使用抑制策略后）

圖15 PETT 輸入電流（使用抑制策略后）

圖16 PETT 直流側(cè)電壓（使用抑制策略后）

由圖14 可知，PETT 輸入電壓在狀態(tài)1 和狀態(tài)2 時并沒有明顯變化，在狀態(tài)3 時由于采取了配合分相信號閉鎖脈沖，所以直流側(cè)電容電壓無法通過開關(guān)器件將電壓傳遞到交流側(cè)，此時PETT 輸入波形為中性線上的暫態(tài)電壓，當(dāng)接通供電臂B的電壓經(jīng)過小幅振蕩后恢復(fù)穩(wěn)定。由圖15 可知，在狀態(tài)3 時電流完全為0，狀態(tài)4 時過電流最大445 A，低于使用抑制策略之前。由圖 16 可知，直流側(cè)電壓波動也明顯減小，抑制效果良好。

由于實際分相區(qū)存在0°、60°、90°、120°等形式，為了研究A、B 供電臂在不同相位差的情況下過電壓、電流變化規(guī)律以及抑制影響策略的效果，對這幾種相位差情況下的電壓、電流數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，如圖17 所示。由圖 17 可知，在分相區(qū)相位差在0°、30°、60°、90°、120°的情況下，輸入電壓、電流過沖在抑制策略下有所降低，高壓直流側(cè)電壓過沖減少，低壓直流側(cè)電壓跌落時間變短，跌落幅度變小，抑制效果良好。

圖17 抑制策略對影響的抑制對比（相位差不同時）

4 結(jié)論

文中分析了電子開關(guān)帶電過分相的時序過程，并對該過分相方式的電氣暫態(tài)過程進行分析，最后通過仿真分析得到結(jié)果，針對電子開關(guān)帶電過分相過程中相位突變的問題，提出了基于坐標(biāo)變換的鎖相環(huán)與傳統(tǒng)乘法鑒相方法結(jié)合的過分相優(yōu)化鎖相策略，并結(jié)合整流級和隔離級對于沖擊電壓與電流的抑制策略，達到了減少電子開關(guān)帶電過分相對PETT 影響的目的，并通過仿真驗證。