采用直接三相-單立交直交變換型貫通同相供電系統(tǒng)方案的研究

該鐵路具有較高的運(yùn)輸能力和較高的綜合能源利用率，在鐵路運(yùn)輸能力和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮著重要作用。近年來(lái),隨著高速客運(yùn)專線和重載電氣化鐵路的建設(shè)運(yùn)營(yíng),我國(guó)的電氣化鐵路事業(yè)得到了快速發(fā)展。但由于我國(guó)電氣化鐵道采用單相工頻交流供電模式,需要三相電力系統(tǒng)通過(guò)牽引變壓器降壓后輪流換相給接觸網(wǎng)供電。這是一種不對(duì)稱的供電模式,會(huì)帶來(lái)電能質(zhì)量(高速鐵路以負(fù)序?yàn)橹?和分相環(huán)節(jié)等問(wèn)題。為解決電氣化鐵路供電存在的問(wèn)題,提出了多種解決方案。文獻(xiàn)提出采用無(wú)源對(duì)稱補(bǔ)償?shù)姆椒▽?shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)的負(fù)序補(bǔ)償,該方法難以適應(yīng)機(jī)車(chē)負(fù)載的動(dòng)態(tài)變化。文獻(xiàn)提出基于各種接線牽引變壓器和有源補(bǔ)償相結(jié)合的辦法同時(shí)解決負(fù)序和電分相問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)電氣化鐵路的同相供電,但難以取消分區(qū)所處的電分相環(huán)節(jié)。文獻(xiàn)初步探討了一種完全使用三相-單相有源電力變換,能夠同時(shí)解決負(fù)序和分相兩大難題的電氣化鐵道貫通同相供電系統(tǒng)方案。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展和相關(guān)產(chǎn)品成本的降低,采用三相-單相直接交直交變換技術(shù)的貫通同相供電系統(tǒng)的可行性在不斷增加。貫通供電技術(shù)的難點(diǎn)在于大功率變流裝置的研制和逆變器的并聯(lián)控制策略。大功率變流裝置近年來(lái)在高壓直流輸電、風(fēng)力發(fā)電、變頻調(diào)速、大功率電力機(jī)車(chē)等領(lǐng)域得到大量的工程應(yīng)用,國(guó)內(nèi)外相關(guān)企業(yè)積累了關(guān)于大功率變流裝置高可靠性運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)。因此對(duì)貫通供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、原理、控制策略、潮流分配關(guān)系等進(jìn)行分析,為研究具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的新一代電氣化鐵道供電系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。其中變流裝置控制策略是研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。正是基于此,本文對(duì)現(xiàn)有分相模式、同相供電模式和貫通供電模式的特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析,針對(duì)貫通供電變電所控制方法,提出直接功率控制方法,對(duì)單個(gè)變電所進(jìn)行了仿真分析。仿真結(jié)果表明直接功率控制具有良好的動(dòng)靜態(tài)性能。1牽引管理信息系統(tǒng)存在問(wèn)題以直供為例,圖1為常見(jiàn)的牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。牽引變壓器實(shí)現(xiàn)把三相電力系統(tǒng)變換成兩相電壓源對(duì)單相機(jī)車(chē)負(fù)載進(jìn)行供電。牽引變壓器主要分為三相-兩相非平衡變壓器(如V,V、YN,d11)和三相-兩相平衡變壓器(如scoot)。變壓器輸出的兩相電壓由于相位不同,需要使用絕緣環(huán)節(jié)進(jìn)行隔開(kāi),兩相電壓輪流接入牽引網(wǎng),即為電分相,并稱為分相。顯然這種帶電分相的現(xiàn)行供電模式直接從三相電網(wǎng)取電,具有牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、電壓等級(jí)高、建設(shè)運(yùn)營(yíng)成本低的優(yōu)點(diǎn),但主要存在以下3個(gè)問(wèn)題:(1)負(fù)序影響?，F(xiàn)行牽引供電系統(tǒng)是一個(gè)不對(duì)稱的供電系統(tǒng),會(huì)在三相電力系統(tǒng)中產(chǎn)生很大的負(fù)序電流,該負(fù)序電流會(huì)對(duì)系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、繼電保護(hù)裝置等造成不利影響。尤其是近年來(lái)隨著高速重載高速鐵路的快速發(fā)展,未來(lái)這種不平衡的影響將會(huì)更加嚴(yán)重。(2)接觸網(wǎng)過(guò)分相問(wèn)題。分相環(huán)節(jié)存在接觸網(wǎng)兩供電臂之間和變電所與變電所之間(分區(qū)所),是接觸網(wǎng)的薄弱環(huán)節(jié)。機(jī)車(chē)在過(guò)分相時(shí)需要進(jìn)行一系列的操作才能消除分相環(huán)節(jié)造成的過(guò)電壓、過(guò)電流影響。當(dāng)前出于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)考慮,我國(guó)高速鐵路采用車(chē)上開(kāi)關(guān)自動(dòng)切換過(guò)分相方式。該方式存在機(jī)車(chē)斷電時(shí)間長(zhǎng)、速度損失大的特點(diǎn),制約機(jī)車(chē)持續(xù)高速運(yùn)行。(3)牽引變壓器容量利用率問(wèn)題?，F(xiàn)行牽引供電系統(tǒng)是單邊供電,由于機(jī)車(chē)負(fù)荷具有隨機(jī)性,兩供電臂總是難以同時(shí)分擔(dān)負(fù)荷,造成大量容量閑置,變壓器容量得不到有效利用。針對(duì)現(xiàn)行牽引供電系統(tǒng)存在的問(wèn)題,以工程試驗(yàn)“電氣化鐵道同相供電裝置”為代表的課題,提出一種基于平衡變壓器和電力電子潮流控制器(PFC)相結(jié)合的同相供電裝置,結(jié)構(gòu)如圖2所示。平衡變壓器只有一個(gè)供電臂對(duì)接觸網(wǎng)供電,另一供電臂通過(guò)PFC傳遞負(fù)載一半的功率給負(fù)載端口,這樣在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)了平衡變壓器的平衡供電,消除了負(fù)序影響,并且取消了變電所處的分相環(huán)節(jié)。牽引變壓器兩個(gè)供電臂同時(shí)分擔(dān)負(fù)荷,其容量得到有效利用,此時(shí)變壓器容量可以比現(xiàn)行供電模式選得小。該方案缺陷是變電所之間的分區(qū)所處尚不能取消掉分相環(huán)節(jié)。2與同相管理信息系統(tǒng)的比較貫通同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示,變電所系統(tǒng)采用三相整流和單相逆變的交直交型供電裝置。三相整流器采用PWM控制或SVPWM控制,實(shí)現(xiàn)從三相系統(tǒng)取電變?yōu)榉€(wěn)定的直流源,直流側(cè)采用大容量電容器作為能量緩存環(huán)節(jié)來(lái)保持直流電壓的穩(wěn)定。單相逆變側(cè)采用SPWM調(diào)制技術(shù),將直流變成單相交流電壓。為與現(xiàn)階段電力電子開(kāi)關(guān)器件耐壓和容量相匹配,一般在三相整流側(cè)使用三相降壓變壓器,在逆變側(cè)使用單相升壓變壓器。貫通同相供電系統(tǒng)與現(xiàn)行供電系統(tǒng)和同相供電系統(tǒng)相比存在的優(yōu)勢(shì)有:(1)貫通同相供電系統(tǒng)是一種徹底的三相-單相對(duì)稱變化結(jié)構(gòu),不存在負(fù)序分量。并且由于直流側(cè)環(huán)節(jié)將三相系統(tǒng)和機(jī)車(chē)負(fù)載隔離開(kāi)來(lái),負(fù)載無(wú)功、諧波等不會(huì)直接影響三相系統(tǒng)。(2)貫通同相供電系統(tǒng)變電所輸出的是單相交流,通過(guò)輸出電壓幅值、頻率和相位同步控制,變電所之間不存在電分相環(huán)節(jié),有利于機(jī)車(chē)的高速運(yùn)行。(3)貫通同相供電系統(tǒng)變電所之間,可以進(jìn)行協(xié)調(diào)功率控制,類似雙邊供電,系統(tǒng)容量將比目前的單邊供電要小。每個(gè)變電所采用三相整流和單相逆變相結(jié)合的功率變換裝置(在此稱作變流器),如圖4所示。三相整流起到穩(wěn)定直流側(cè)電壓和改善系統(tǒng)側(cè)電能質(zhì)量的作用,單相逆變側(cè)將直流逆變成工頻交流。每個(gè)牽引變電所根據(jù)容量需要,可以由一套或者多套該變流器單元串并聯(lián)組成,并且需要考慮系統(tǒng)冗余。假設(shè)單相逆變器輸出電壓uN無(wú)畸變,為式中:UN為單相逆變器輸出額定電壓;ω為角頻率。單相逆變器輸出的負(fù)荷電流為式中:I1為逆變器輸出負(fù)荷電流基波分量有效值;φ1為基波相位;In為第n次諧波分量有效值;φn為第n次諧波相位。基波電流有功和無(wú)功成分分別為ip=i1cosφ1,iq=i1sinφ1。忽略高次諧波成分,單相逆變器輸出的瞬時(shí)功率為顯然單相逆變器輸出功率中包含有功分量和基于2倍電網(wǎng)頻率的脈動(dòng)無(wú)功分量。忽略變流器、電容以及電感的損耗,整流和逆變兩側(cè)的有功功率應(yīng)平衡。即有式中:Ua、Ia分別為三相整流器輸入側(cè)相電壓、相電流有效值。此時(shí)整流側(cè)輸入電流滿足單相側(cè)無(wú)功功率由于直流環(huán)節(jié)隔離作用不會(huì)在三相側(cè)引起無(wú)功,無(wú)功分量在直流側(cè)造成的影響滿足無(wú)功平衡。由可得式中:Udc和分別表示直流電壓的穩(wěn)態(tài)量和波動(dòng)量。直流側(cè)電壓的波動(dòng)量與直流電壓大小、電容大小以及視在功率有關(guān)。無(wú)功分量的存在將加大電容電壓波動(dòng),即充放電更嚴(yán)重。理論上整流側(cè)和逆變側(cè)可以單獨(dú)進(jìn)行控制,實(shí)際上多種因素(如系統(tǒng)響應(yīng)速度、抑制中間直流電壓波動(dòng)、功率平衡)決定,兩者需要進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。3主站與從站的互聯(lián)控制目前整流器和逆變器的控制策略多種多樣。在貫通供電變流器中,整流器起穩(wěn)定直流電壓作用,與常規(guī)整流器控制差異不大,而單相逆變側(cè)根據(jù)有無(wú)實(shí)際大電網(wǎng)支撐,與常規(guī)直接逆變不同。圖5為貫通供電變電所控制方式結(jié)構(gòu)圖,各個(gè)變電所互聯(lián)在一起。首先要選定一個(gè)變電所作為主站(如圖中變電所SS2),提供全線電壓參考運(yùn)行在電壓-頻率方式(U-f),其他各個(gè)變電所作為從站運(yùn)行在P-Q模式。主站和從站分別利用自身的中央控制器和本地控制器進(jìn)行通信,協(xié)調(diào)控制各站功率分配。當(dāng)主站出現(xiàn)故障后,將選定其中一從站自動(dòng)切換為主站,繼續(xù)提供全線電壓支撐。主站也可直接采用三相系統(tǒng)中的一相。貫通模式的主站控制方式類似文獻(xiàn)[9-10],不再贅述。從站控制的核心在于并網(wǎng),根據(jù)手動(dòng)或?qū)崟r(shí)調(diào)度輸出有功和無(wú)功功率,傳統(tǒng)的控制采用直接電流控制策略,需要給定有功和無(wú)功電流成分。在此采用瞬時(shí)無(wú)功功率理論,介紹一種基于三相單相功率平衡的直接功率控制策略。3.1有變流器數(shù)學(xué)模型以三相整流器為例,已知整流器電壓ua和uβ為其中,電壓ua、uβ和電流ia、iβ由三相abc坐標(biāo)系到αβ坐標(biāo)系經(jīng)過(guò)等功率變換而來(lái)。根據(jù)瞬時(shí)功率理論,三相系統(tǒng)瞬時(shí)有功和無(wú)功功率為對(duì)式(10)進(jìn)行微分,有變流器的數(shù)學(xué)模型滿足將式(7)、式(8)、式(12)、式(13)代入式(11),可得到在αβ坐標(biāo)系中變流器端口電壓為在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期Ts內(nèi),將式(14)和式(15)離散化,變流器端口電壓變?yōu)槭?16)、式(17)為需要的變流器端口輸出電壓指令,該指令通過(guò)空間矢量調(diào)制算法,生成變流器開(kāi)關(guān)管的脈沖驅(qū)動(dòng)信號(hào)。同理,單相逆變側(cè)功率控制原理亦可由上述方法推導(dǎo)得出。此時(shí)單相電壓uN和電流iL需要通過(guò)延遲構(gòu)造一對(duì)正交電壓和電流矢量。3.2pi控制器設(shè)計(jì)整個(gè)變流器控制器結(jié)構(gòu)如圖6所示,控制系統(tǒng)采用電壓外環(huán)和功率內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)。圖6中,三相側(cè)有功功率指令由電壓環(huán)設(shè)定值與實(shí)際值相比較,經(jīng)過(guò)PI控制器再乘以實(shí)際值得到,反映直流側(cè)傳輸功率的變化。變流器輸入的有功和無(wú)功由瞬時(shí)功率理論計(jì)算得到。在得到直流功率和實(shí)際輸入功率誤差后,經(jīng)過(guò)式(16)、式(17)計(jì)算得到變流器輸入端口電壓,該電壓經(jīng)過(guò)空間矢量調(diào)制方法生成開(kāi)關(guān)管工作的驅(qū)動(dòng)脈沖。單相側(cè)有功和無(wú)功指令需要人為設(shè)定或?qū)嶋H調(diào)度給出,反映變流器并網(wǎng)輸出功率需求。4逆變側(cè)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行及信號(hào)分析為驗(yàn)證和分析貫通同相供電系統(tǒng)控制策略的有效性,在Matlab/Simulink平臺(tái)上搭建貫通同相供電系統(tǒng)單個(gè)變電所仿真模型。電力系統(tǒng)側(cè)電壓為110kV,牽引網(wǎng)額定電壓27.5kV,三相整流側(cè)降壓變壓器變比為110∶3,整流器中間直流側(cè)電壓選為8000V,逆變側(cè)輸出交流電壓有效值為3000V,單相升壓變壓器變比3∶27.5。主站控制在文獻(xiàn)[9-10]中已有相關(guān)仿真分析,本文著重對(duì)貫通供電從站模式分別進(jìn)行仿真分析。仿真設(shè)置逆變側(cè)給定有功突變、無(wú)功突變以及有功和無(wú)功同時(shí)突變3種情況,給出相應(yīng)的三相系統(tǒng)側(cè)電壓和電流波形、單相側(cè)電壓電流波形、三相和單相側(cè)有功和無(wú)功以及整流器直流側(cè)電壓的波動(dòng)情況。圖7給出了僅有功變化時(shí)的情況,無(wú)功指令設(shè)為零。在0.5s時(shí),有功指令由5MW增大一倍。從圖7可以看出,三相側(cè)輸入和單相側(cè)輸出功率均能很好地跟蹤指令功率,直流側(cè)超調(diào)量不明顯,波動(dòng)量在半個(gè)周波內(nèi)增大一倍,說(shuō)明直流側(cè)電壓波動(dòng)與負(fù)載有功功率變化有關(guān)。圖8給出了僅無(wú)功變化時(shí)的情況,有功指令設(shè)為5MW。在0.5s時(shí),無(wú)功指令由5MW增大一倍。從圖8可以看出,三相側(cè)輸入和單相側(cè)輸出有功功率均能很好地跟蹤指令功率,三相側(cè)無(wú)功未變化,說(shuō)明負(fù)載側(cè)無(wú)功需求不影響三相側(cè)無(wú)功功率,兩者相互隔離。直流側(cè)波動(dòng)量在半個(gè)周波內(nèi)增大一倍,說(shuō)明直流側(cè)電壓波動(dòng)與負(fù)載無(wú)功功率變化有關(guān)。圖9給出了有功和無(wú)功同時(shí)變化時(shí)的情況。有功指令初始設(shè)為5MW,在0.5s時(shí)有功指令由5MW增大一倍,在0.6s時(shí)有功指令降為0。無(wú)功指令初始設(shè)為0,在0.56s時(shí)無(wú)功指令變?yōu)?MW,在0.6s時(shí)降為0。從圖9可以看出,三相側(cè)輸入和單相側(cè)輸出有功功率能快速跟蹤指令功率,三相側(cè)無(wú)功未變化。直流側(cè)波動(dòng)量與負(fù)載有功和無(wú)功功率變化有關(guān),0.6s后當(dāng)指令為0時(shí),直流側(cè)電壓基本無(wú)波動(dòng)。從以上仿真可以看