貫通式同相供電系統電能變換器的研究

張 睿

0 引言

國內電氣化鐵路采用單相工頻交流牽引供電系統，由于其結構和牽引負荷的特殊性，造成電力系統三相負載嚴重不對稱，存在大量諧波電流和無功功率，威脅電力系統的安全、穩定運行。牽引供電系統中通過增加電分相來改善不對稱負載對電力系統的影響，但是，電分相的存在使電力機車安全運行存在較大隱患，制約了高速、重載鐵路的發展。近年來國內外嘗試采用現代電力電子技術實現三相/單相對稱變換，即采用同相供電方式來解決上述問題。

文獻[1～4]提出了有源濾波器分別與V/v接變壓器、YN，vd平衡變壓器、阻抗匹配平衡變壓器以及斯科特變壓器相結合的同相供電方案，實現了三相/單相平衡變換，而且能動態補償諧波和無功功率，但這些組合對于實現全線貫通供電均具有一定的制約性。由電能變換裝置構成的貫通式同相供電系統能夠從根本上解決牽引供電系統的電能質量問題，取消相鄰供電區段的電分相，是未來牽引供電系統的發展方向。論文研究了一種基于雙PWM變換器技術的電能變換器方案，該方案能實現三相/單相對稱變換，并補償無功和諧波。

1 貫通式同相供電系統結構

同相供電系統是指線路上不同變電所供電區段的接觸網電壓相位相同，線路上無電分相環節的牽引供電方式。貫通式同相供電系統通過升壓變壓器、降壓變壓器和交-直-交電能變換器在牽引變電所實現三相/單相對稱變換，可以現實全線貫通供電，如圖1所示。

圖1 貫通同相供電系統結構圖

由于牽引變電所采用全變換供電方式，牽引網形成獨立于三相電力系統的環形供電網絡，電力系統僅與牽引網側交換有功功率，三相負荷平衡，不存在負序問題。同時，貫通式同相供電系統輸出的牽引饋線電壓大小、相角均可自行控制，可以有效調度牽引供電系統負荷潮流，可降低牽引變電所容量，提高其容量利用率[5]。

2 電能變換器結構及變換原理

基于雙PWM變換器技術的電能變換器主電路結構如圖2所示，2個PWM變換器在直流電容的緩沖作用下傳遞有功功率。其主要由輸入電感、三相整流器、直流支撐電容、單相逆變器以及輸出電感、電容組成。交-直-交電能變換器通過三相整流以及單相逆變實現三相/單相對稱變換，三相PWM整流器與降壓變壓器相連，一方面要控制輸出直流電壓穩定，另一方面還要實現單位功率因數運行；單相PWM逆變器與升壓變壓器相連，輸出幅值、頻率穩定的電壓，同時，動態補償牽引負荷的無功功率和諧波。由于現階段電力電子器件耐壓和功率的限制，實現貫通式同相供電的牽引變電所可以采用多個電能變換器并聯的形式。

圖2 電能變換器主電路結構示意圖

假設單相PWM逆變器輸出電壓uN無畸變，其表達式為

式中，UN為單相逆變器輸出額定電壓；ω為角頻率。

單相PWM逆變器輸出牽引負荷電流為

式中，I1為單相PWM逆變器輸出牽引負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。

單相逆變器輸出的瞬時功率為

單相逆變器輸出的有功功率為

忽略PWM變流器、電容以及電感的損耗，電能變換器兩側的有功功率應該平衡。即

式中，Ua、Ia分別為三相PWM整流器輸入側相電壓、相電流有效值。

可見，電能變換器輸入電流隨著牽引負荷電流的變化而不同。

由式（3），忽略牽引負荷電流中的高次諧波分量，單相逆變器瞬時輸出功率為

由于電能變換器通過直流電容傳送功率，由式（7）可知直流側電容電壓存在電網電壓頻率的 2次諧波。同時，三相PWM整流器采用電壓外環和電流內環的雙閉環PI控制結構，為了減小直流電壓諧波對電能變換器輸入電流質量的影響，論文中采用在電壓外環中加入對反饋的直流電壓值進行二階低通濾波來消除諧波干擾對控制的影響[7]。

3 交-直-交電能變換器控制策略

電能變換器的核心是 2級電壓型 PWM 變換器，因此對電能變換器的控制也即協調控制2個電壓型PWM變換器，實現功率流的平衡。因為采用了交-直-交變換結構，通過母線直流電容在2級變換器中傳遞能量，可以將整流和逆變分開控制。

3.1 三相PWM整流器控制方式

電壓型PWM整流器的直接電流控制技術具有快速的電流響應和魯棒性，其主要包括滯環電流控制、預測電流控制、諧振控制和線性PI控制。經比較，本文采用基于瞬時有功、無功電流的電壓電流雙閉環PI控制，其中調制方式采用電壓空間矢量控制技術。

通過坐標變換將三相對稱靜止坐標系中的基波正弦變量轉化成同步旋轉坐標系中的直流變量，當選取同步旋轉坐標系 d軸與電網電動勢矢量重合時，d軸表示有功分量參考軸，q軸表示無功分量參考軸。為了實現網側有功、無功的獨立控制，采用前饋解耦控制策略，三相PWM整流器的雙環控制系統結構如圖3所示。雙閉環PI控制的電壓外環用來控制直流側電壓，使直流側電容電壓在穩態和擾動情況下保持穩定；電流內環用來控制交流側電流，使電流相位跟蹤電網電壓相位，實現單位功率因數運行和交流側電流正弦化?；赟VPWM方式輸出的開關信號頻率固定，可以減小開關噪聲，提高系統的動態性能[9]。

圖3 三相整流器控制系統框圖

3.2 單相逆變器控制方式

單相逆變器輸出控制方法有雙閉環控制、無差拍控制、重復控制等，其中，雙閉環控制具有控制器設計簡單，輸出電壓波形失真小，動態響應速度快等特點。由于電能變換器需要準確跟蹤給定的牽引負荷電流，本文采用電壓外環、電流內環的雙閉環控制方式對單相逆變器進行控制[10]。

電壓外環、電流內環的雙閉環控制通過采樣濾波電感電流iL或電容電流iC和濾波電容電壓uC，用外環電壓誤差的控制信號去控制電流，通過調節電流使輸出電壓跟蹤參考電壓值。目前的逆變器大多采用電感電流控制，選擇電感電流可使系統自身具有限流功能，且較容易實現多級并聯。選擇電感電流iL和濾波電容電壓uC的雙閉環控制系統框圖如圖4所示。圖中，Kf1為外環反饋通道增益；Kf2為內環反饋通道增益；1/KPWM為PWM環節等效增益；Gu(s)為外環校正網絡；Gi(s)為內環校正網絡。

圖4 單相逆變控制系統框圖

4 仿真驗證

在 Matlab/Simulink下搭建交-直-交電能變換器仿真模型，為了模擬牽引負載的運行，在電能變換器中加入升壓變壓器、降壓變壓器，其中，三相降壓變壓器變比為 110/3.5，升壓變壓器變比為3.5/27.5。負載分別采用交-直-交型和交-直型機車，機車有功功率設定P = 4 000 kW。同時，電能變換器的仿真模型參數設為Ea= 3.5 kV，UC= 3.5 kV，La= Lb= Lc= 2 mH，Cdc= 8 mF，Udc= 5 kV，L =9 mL，C = 1.5 mF。仿真結果如圖5、圖6所示。

圖5 交-直-交牽引負載仿真結果波形圖

圖6 交-直牽引負載仿真結果

由仿真結果可以看出，無論是交-直-交型負載，還是模擬交-直型負載，電能變換器都能準確跟蹤負載電流，穩定饋線電壓，三相降壓變壓器高壓110 kV側相同端口電壓與電流同相位，三相電流對稱，牽引供電系統對于電力系統相當于一個三相對稱的純阻性網絡。同時，原邊電流波形畸變率在規定范圍內。

5 結束語

電能變換器是貫通式同相供電系統的核心，本文研究了一種基于雙PWM變換器技術的電能變換器方案，在雙閉環控制策略下，電能變換器能實現三相/單相對稱變換，并對牽引負載產生的諧波和無功功率進行補償，三相系統原邊側電流對稱，牽引供電系統對于電力系統相當于一個三相對稱的純阻性網絡。論文的研究為貫通式同相供電系統的建設奠定了理論基礎。

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