陳民武 劉若飛 陳玲 蔣汶兵 馮祥

摘要：針對(duì)電氣化鐵路大容量負(fù)荷補(bǔ)償需要和補(bǔ)償裝置容量?jī)?yōu)化問(wèn)題，提出一種基于模塊化多電平變換器（modular multilevel converter，MMC）的單三相組合式同相牽引供電系統(tǒng)。分析了系統(tǒng)的主電路結(jié)構(gòu)和工作原理。以電能質(zhì)量國(guó)標(biāo)限值為約束，建立了系統(tǒng)電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償模型，并與預(yù)測(cè)電流控制相結(jié)合，構(gòu)建了同相補(bǔ)償裝置分層控制策略。與傳統(tǒng)同相供電系統(tǒng)比較，該系統(tǒng)可以適應(yīng)高壓、大容量需求，取消牽引匹配變壓器，同時(shí)實(shí)現(xiàn)降低補(bǔ)償裝置容量和提升系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的目的。通過(guò)模擬分析了實(shí)際牽引負(fù)荷的多種運(yùn)行工況，來(lái)驗(yàn)證上述同相牽引供電方案的可行性和優(yōu)化控制策略的正確性。

關(guān)鍵詞：電氣化鐵路;組合式同相供電;控制策略;最優(yōu)補(bǔ)償;模塊化多電平

DoI：10.15938/j.eme.2019.08.004

中圖分類號(hào)：u223文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1007-449X（2019）08-0028-07

0引言

同相牽引供電系統(tǒng)可以從根本上解決單相工頻交流制電氣化鐵路普遍存在的三相電壓不平衡、無(wú)功功率以及諧波畸變等電能質(zhì)量問(wèn)題，減少牽引網(wǎng)中電分相環(huán)節(jié)，滿足了高速和重載運(yùn)輸?shù)募夹g(shù)需求。2010年10月在國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目的資助下，首套同相供電裝置在成（都）昆（明）鐵路眉山牽引變電所投入運(yùn)行。2015年1月首套單三相組合式同相供電系統(tǒng)在中南通道沙峪牽引變電所投入運(yùn)行，整體運(yùn)行性能良好。此外，采用同相供電技術(shù)的溫州市域鐵路S1線已經(jīng)正式列入國(guó)家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)示范線工程。

為了滿足高壓和大容量工程應(yīng)用需求，作為同相供電系統(tǒng)的核心裝置，同相補(bǔ)償裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、補(bǔ)償策略及控制策略成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。其中眉山牽引變電所同相補(bǔ)償裝置采用多重化技術(shù)，具有功率等級(jí)高、輸出諧波含量低等優(yōu)點(diǎn)，但受功率開關(guān)器件耐壓水平限制，需要通過(guò)隔離匹配變壓器接人牽引母線，這不僅增加了系統(tǒng)損耗和成本，而且使得工頻變壓器磁路耦合關(guān)系復(fù)雜，功率單元輸出的端口電壓脈沖波形正負(fù)不對(duì)稱也會(huì)導(dǎo)致變壓器發(fā)生直流磁化。中南部重載鐵路沙峪牽引變電所同相補(bǔ)償裝置在電網(wǎng)側(cè)采用級(jí)聯(lián)H橋鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，在牽引側(cè)由多繞組變壓器構(gòu)成并聯(lián)多重化結(jié)構(gòu)，但隨著補(bǔ)償裝置電平數(shù)增加，多繞組隔離匹配變壓器的設(shè)計(jì)和制造變得非常復(fù)雜。近些年在高壓直流輸電領(lǐng)域，模塊化多電平變換器（modular multilevelconverter，MMC）作為一種新型多電平電壓源型變流器，不僅繼承了級(jí)聯(lián)式拓?fù)湓谄骷?shù)量、模塊化結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢(shì)，而且在較低的開關(guān)頻率下可以實(shí)現(xiàn)較高的等效開關(guān)頻率，保持較好的交流輸出電壓波形?？梢?，在同相供電裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)中，需要考慮單相工頻交流制牽引供電系統(tǒng)的特殊性，發(fā)揮背靠背拓?fù)湎翸MC的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，研究適合高壓大功率潮流控制的同相補(bǔ)償裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

目前同相牽引供電系統(tǒng)主要采用全補(bǔ)償算法，結(jié)合變流器控制策略設(shè)計(jì)，徹底消除牽引負(fù)荷產(chǎn)生的負(fù)序、無(wú)功和諧波分量。該模式下電能質(zhì)量補(bǔ)償效果最佳，但同時(shí)對(duì)同相補(bǔ)償裝置的安裝容量要求也最高，相應(yīng)增加了裝置占地和投資。依據(jù)各項(xiàng)電能質(zhì)量指標(biāo)的國(guó)標(biāo)限值，以最大限度降低同相補(bǔ)償容量為優(yōu)化目標(biāo)，開展同相供電系統(tǒng)補(bǔ)償算法和控制策略研究具有重要意義。

綜上，本文提出一種基于四橋臂MMC結(jié)構(gòu)的單三相組合式同相牽引供電方案，研究了滿足國(guó)標(biāo)限值約束的牽引變電所電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償算法，設(shè)計(jì)了便于工程實(shí)施的同相補(bǔ)償裝置分層控制策略，適應(yīng)牽引負(fù)荷多工況下的沖擊性和隨機(jī)性特點(diǎn)，以滿足同相供電技術(shù)工程應(yīng)用的需求。

1基于nMC的單一三相組合式同相供電方案

1.1主電路原理

圖1為基于MMC的單三相組合式同相牽引供電系統(tǒng)主電路。該系統(tǒng)由單相牽引變壓器（tractiontransformer，TT）、高壓匹配變壓器（high voltagematching transformer，HMT）和同相補(bǔ)償裝置共同組成。同相補(bǔ)償裝置采用背靠背MMC拓?fù)洌琣端口與TT相連，取消了變電所出口處的電分相，實(shí)現(xiàn)同相供電;B端口與HMT相連，與a端口之間可以實(shí)現(xiàn)功率傳遞。文獻(xiàn)[1]推導(dǎo)了單相牽引負(fù)荷在三相電力系統(tǒng)中產(chǎn)生總負(fù)序電流的計(jì)算模型。由于單相牽引變壓器TT和高壓匹配變壓器HMT構(gòu)成平衡接線，即其次邊端口輸出電壓Uα和Uβ相角之差為90°，則對(duì)應(yīng)負(fù)荷電流IT和Iβ在三相電力系統(tǒng)中產(chǎn)生的負(fù)序分量可以相互抵消。此外，a端口還可以兼顧無(wú)功和諧波補(bǔ)償能力，從根本上綜合解決既有牽引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量問(wèn)題。

同相補(bǔ)償裝置采用四橋臂MMC結(jié)構(gòu)，相比于兩橋臂結(jié)構(gòu)，其降低了公共直流母線電壓，省去了直流側(cè)電容中點(diǎn)的穩(wěn)壓控制環(huán)節(jié);相比于三橋臂結(jié)構(gòu)，則避免了橋臂功率分配不均衡和正負(fù)序分解造成的控制復(fù)雜性問(wèn)題。在該結(jié)構(gòu)中，α1與α2橋臂、β1與β2橋臂構(gòu)成2個(gè)全橋結(jié)構(gòu)，其分別通過(guò)扼流電感La、Lβ。連接到同相補(bǔ)償裝置的2個(gè)端口。每個(gè)橋臂由上橋臂及下橋臂構(gòu)成，上、下橋臂各由N個(gè)子模塊和橋臂電感L組成，每個(gè)子模塊由2個(gè)功率元件組成的半橋結(jié)構(gòu)和懸浮電容構(gòu)成。采用該結(jié)構(gòu)，公共直流母線可以適應(yīng)大功率能量傳輸?shù)男枨?，使得同相補(bǔ)償裝置直掛于牽引母線，省去牽引匹配變壓器，達(dá)到減少占地，降低成本的目的。

1.2同相補(bǔ)償裝置工作原理

考慮到單三相組合式同相供電系統(tǒng)的運(yùn)行特性與四橋臂MMC中公共直流母線電壓的穩(wěn)定性密切相關(guān)，要求每個(gè)橋臂每個(gè)時(shí)刻導(dǎo)通的子模塊數(shù)量恒定且單個(gè)子模塊電壓保持穩(wěn)定。因此，分析圖2所示橋臂α1的工作電壓滿足：

2同相補(bǔ)償裝置上層控制策略

2.1電能質(zhì)量補(bǔ)償計(jì)算模型

為了優(yōu)化同相供電補(bǔ)償裝置容量，實(shí)現(xiàn)三相電網(wǎng)側(cè)負(fù)序和無(wú)功滿足國(guó)標(biāo)限值，同時(shí)完全補(bǔ)償諧波，本節(jié)建立電能質(zhì)量補(bǔ)償計(jì)算模型，推導(dǎo)了同相補(bǔ)償裝置端口補(bǔ)償電流計(jì)算公式，將其作為同相補(bǔ)償裝置上層控制策略。

假設(shè)系統(tǒng)短路容量Js為750MVA，三相電網(wǎng)電壓以為110kV，負(fù)載電流，I為800A，補(bǔ)償前功率因數(shù)為0.85，MMC同相補(bǔ)償裝置端口僅和B的電壓為27.5kV，要求投入后三相電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)不低于0.9，三相電壓不平衡度不超過(guò)2%。根據(jù)式（5）計(jì)算得到不同補(bǔ)償目標(biāo)下同相補(bǔ)償裝置端口僅和B的參考電流分布如圖4所示。目前電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)普遍采用單相牽引變壓器構(gòu)成的Vx接線方式，若定義相對(duì)補(bǔ)償容量s。=Sprc/PL，其中P。.為牽引負(fù)荷的有功功率，對(duì)比文獻(xiàn)[5]中基于Vx接線牽引變壓器的同相供電系統(tǒng)方案，分析了本文方案所需要的相對(duì)補(bǔ)償容量分布如圖5所示。

可見，MMC同相補(bǔ)償裝置的補(bǔ)償電流和補(bǔ)償容量與補(bǔ)償目標(biāo)密切相關(guān)。相對(duì)于電能質(zhì)量完全補(bǔ)償（εu=0，K=1）目標(biāo)，以電能質(zhì)量國(guó)標(biāo)限值（εu=2，K=0.9）為補(bǔ)償目標(biāo)對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償電流和補(bǔ)償容量最小。與文獻(xiàn)[5]方案相比，本文方案最優(yōu)補(bǔ)償容量可以減少20%，同時(shí)僅為完全補(bǔ)償容量的1/3。

3同相補(bǔ)償裝置T層控制策略

3.1同相補(bǔ)償裝置預(yù)測(cè)電流控制

為了更好更快的跟蹤上層控制計(jì)算的參考補(bǔ)償電流，提出一種基于預(yù)測(cè)電流控制的MMC同相補(bǔ)償裝置下層控制策略。由于預(yù)測(cè)電流控制具有超前的控制特性，可有效地消除電流采樣周期和控制脈沖延時(shí)引起的不利影響。

下面以MMC同相補(bǔ)償裝置端口α為例分析預(yù)測(cè)電流控制。該方法是對(duì)交流側(cè)電流以固定周期Ts進(jìn)行采樣，將此采樣時(shí)刻的實(shí)際電流值iα與下一采樣時(shí)刻的預(yù)測(cè)參考電流iα^ref進(jìn)行比較，計(jì)算出最優(yōu)控制電壓，根據(jù)通過(guò)交流側(cè)扼流電感的電流不能突變的性質(zhì)，迫使在一個(gè)采樣周期內(nèi)下一采樣時(shí)刻的實(shí)際電流值以最優(yōu)特性跟蹤下一時(shí)刻電流的參考值。令現(xiàn)采樣時(shí)刻為tk，則經(jīng)一個(gè)采樣周期后實(shí)際電流與參考電流的關(guān)系為

3仿真模擬

為了驗(yàn)證本文組合式同相牽引供電系統(tǒng)補(bǔ)償算法與控制策略的正確性和有效性，基于MATLAB/Simulink搭建了系統(tǒng)仿真模型，仿真參數(shù)如表1所示。

假設(shè)初始牽引負(fù)載為10MVA，功率因數(shù)為0.85，諧波電流ih=60sin3ωt+20sin5ωt+8sin7ωt。0～0.2s時(shí)間段，補(bǔ)償裝置未投入，在三相電網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生了1.3%左右的三相電壓不平衡度，同時(shí)存在無(wú)功和諧波問(wèn)題。0.2～0.4s時(shí)間段，補(bǔ)償裝置投入運(yùn)行，設(shè)置電能質(zhì)量完全補(bǔ)償為目標(biāo)，即電網(wǎng)側(cè)三相電流完全對(duì)稱、波形無(wú)畸變且接近單位功率因數(shù)。0.4～0.6s時(shí)間段，牽引負(fù)荷突變到20MVA，補(bǔ)償目標(biāo)調(diào)整為優(yōu)化補(bǔ)償，即三相電壓不平衡度不超過(guò)2%，功率因數(shù)不低于0.9。

圖8給出了整個(gè)仿真過(guò)程三相電網(wǎng)側(cè)電流及電壓不平衡度分布。圖9給出了牽引負(fù)荷的波動(dòng)過(guò)程。圖10和圖11分別給出了MMC同相補(bǔ)償裝置端口α和端口β實(shí)際補(bǔ)償電流變化過(guò)程。圖12給出了MMC子模塊懸浮電容電壓波形。

圖8中三相電壓不平衡度動(dòng)態(tài)分布表明了實(shí)際補(bǔ)償效果與設(shè)定補(bǔ)償目標(biāo)之間的誤差小于l%，同時(shí)，在0.2s MMC投入運(yùn)行后，三相電流波形質(zhì)量良好，不存在畸變，滿足電能質(zhì)量國(guó)標(biāo)限值，實(shí)現(xiàn)了上層控制目標(biāo)。此外，三相電流在0.2s及0.4s時(shí)發(fā)生變化，對(duì)應(yīng)了不同工況下牽引負(fù)荷及補(bǔ)償目標(biāo)之間的切換，過(guò)渡過(guò)程在10ms內(nèi)完成，表明MMC控制策略具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。

圖10和圖11表明同相補(bǔ)償裝置兩端口的補(bǔ)償電流具有良好的跟蹤性能，能夠適應(yīng)補(bǔ)償目標(biāo)的快速變化。其中電網(wǎng)側(cè)β端口電流波形質(zhì)量良好，電壓與電流相位一致，提供了一個(gè)有功功率通路，為牽引變壓器分擔(dān)一部分有功負(fù)載，在降低變壓器安裝容量的同時(shí)還達(dá)到了平衡負(fù)序的目的。牽引網(wǎng)側(cè)α端口電流波形存在畸變，體現(xiàn)了無(wú)功和諧波效果。此外，多工況運(yùn)行條件下MMC子模塊懸浮電容電壓均衡且波動(dòng)較小，如圖12所示，達(dá)到了預(yù)期效果。

4結(jié)論

本文提出了一種基于MMC的單三相組合式同相牽引供電方案，與傳統(tǒng)方案相比，主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)如下：

1）同相補(bǔ)償裝置采用背靠背四橋臂MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與單相牽引變壓器組合，實(shí)現(xiàn)牽引負(fù)荷的對(duì)稱變換。同時(shí)，取消了牽引母線側(cè)的匹配隔離變壓器，適應(yīng)了高壓大容量應(yīng)用場(chǎng)合，節(jié)省了占地和設(shè)備投資。

2）以電能質(zhì)量國(guó)標(biāo)限值為約束，針對(duì)牽引負(fù)荷的沖擊性和波動(dòng)性，給出了兼顧負(fù)序、無(wú)功和諧波的電能質(zhì)量?jī)?yōu)化補(bǔ)償算法，相對(duì)于既有完全補(bǔ)償模式，同相補(bǔ)償裝置容量?jī)H為其1/3。

3）建立了單三相組合式同相牽引供電系統(tǒng)仿真模型，模擬了實(shí)際牽引負(fù)荷多種工況，采用分層控制策略，驗(yàn)證了同相供電裝置具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和運(yùn)行穩(wěn)定性。