五電平交直交變換器在貫通同相供電中的應用

常 非，趙麗平，馮金博

（1.西南交通大學電氣工程學院，成都610031；2.濰坊供電公司，濰坊261021；3.中國建筑西南設計院，成都610041）

負序、無功、諧波一直是電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)存在的技術難題，隨著高速、重載鐵路的發(fā)展，負序問題越來越突出。由于電分相裝置的存在，機車運行速度受到限制。為了解決這些技術難題，文獻[1]提出了同相供電系統(tǒng)，取消電分相，實現(xiàn)負序、無功及諧波綜合治理與補償，取得較好效果，但目前我國電力系統(tǒng)的管理現(xiàn)狀要求高壓環(huán)網(wǎng)，而低壓解網(wǎng)，呈樹狀供電，于是分區(qū)所處的兩側雖為同相電壓，但正常運行時卻不能貫通，那就依然存在電分相環(huán)節(jié)；文獻[2]提出了貫通同相供電系統(tǒng)，采用三相交流—直流—單相交流的牽引變電所結構，徹底取消電分相，實現(xiàn)電氣化鐵路內(nèi)部同相聯(lián)網(wǎng)，消除或大大減輕牽引供電系統(tǒng)對電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量影響。

由于牽引負荷是高電壓、大容量負荷，傳統(tǒng)的兩電平交—直—交變換器已不能滿足要求。為了適應高壓大容量牽引供電要求，降低開關器件應力，降低開關頻率，降低輸出電壓諧波，減小開關器件損耗，提高潮流控制器可靠性及效率。本文研究了基于二極管箝位五電平結構的貫通供電系統(tǒng)交直交潮流控制器。

1 貫通同相供電系統(tǒng)

貫通同相供電[2]是指線路上不同變電所供電的區(qū)段接觸網(wǎng)電壓同相位，線路上無電分相環(huán)節(jié)的牽引供電方式。

1.1 貫通同相供電系統(tǒng)結構

實現(xiàn)貫通同相供電系統(tǒng)的牽引變電所主要由三相/單相的交直交潮流控制器構成[2]，如圖1 所示。與原牽引供電系統(tǒng)相比，牽引側各供電臂電壓相同，從而可取消電分相，消除了高速列車過分相絕緣器所存在的安全隱患，適宜高速鐵路運行。為了提高供電的靈活性和可靠性，可根據(jù)要求斷開或閉合分區(qū)所分段斷路器，實現(xiàn)單邊或多邊供電，使牽引網(wǎng)電壓損失和功率損失降低。由于牽引變電所采用交直交全變換供電方式，牽引網(wǎng)形成獨立于三相電力系統(tǒng)的環(huán)形供電網(wǎng)絡，電力系統(tǒng)僅與牽引網(wǎng)側交換有功，三相負荷平衡，不存在負序問題，由此不需要采用平衡變壓器方案或換相接線來抑制負序。同時，貫通式同相供電系統(tǒng)輸出的牽引饋線電壓大小、相角均可自行控制，可以有效調(diào)度牽引供電系統(tǒng)負荷潮流，可降低牽引變電所容量，提高其容量利用率。

圖1 貫通同相供電系統(tǒng)結構原理Fig.1 Structural schematic diagram of continuous power supply system

1.2 運行過程

貫通同相供電系統(tǒng)輸出的牽引饋線電壓可視為電壓源，其大小、相角均可自行控制，見圖2。

牽引網(wǎng)送電時，先將任意一個牽引變電所的牽引饋線投入，如饋線1，設其電壓為U˙1；然后將饋線2 電壓U˙2由任意向量U˙2調(diào)整至與U˙1大小、相位均相同時投入，實現(xiàn)與饋線1 并車；其他依次投入，實現(xiàn)貫通同相供電。

牽引網(wǎng)饋線電壓的可控性為牽引供電系統(tǒng)負荷潮流的有效調(diào)度提供了可能。一個原來不可能的事情可能實現(xiàn)，即把每臺電力機車的負荷潮流盡可能均分到每個牽引變電所中去。

圖2 牽引網(wǎng)各饋線電壓調(diào)整示意Fig.2 Sketch map of feeder regulation in traction network

2 交直交潮流控制器主電路結構

潮流控制器采用了基于二極管箝位五電平結構的三/單相交直交變換結構，其結構如圖3 所示。通過直流電容在兩級變換器中傳遞能量，可以將三相整流和單相逆變分開控制。三相整流單元傳遞牽引負荷需要的有功功率，穩(wěn)定直流側電壓；單相逆變單元需要輸出大小和相位可控的單相交流電壓，供牽引負載使用。

2.1 二極管箝位五電平變換器的工作原理

簡要分析五電平變換器的一個橋臂工作原理，如圖4 所示，開關管工作狀態(tài)如表1 所示。

表1 輸出電壓電平與開關管開關狀態(tài)關系Tab.1 Relationship between output voltage level and switch state of switch tube

2.2 基于單級電容的輔助穩(wěn)壓電路

針對二極管箝位多電平變換器在傳輸有功功率時，直流分壓電容上的電壓不平衡問題，文獻[4]提出了一種基于電感電路的輔助穩(wěn)壓電路，該電路需要主電路或者均壓控制電路的電壓和電流信息，因此需要附加傳感器等信號采集硬件。本文所采用的基于單級電容的輔助穩(wěn)壓電路則不需要附加傳感器等信號采集硬件，也能使整個電路簡單可靠，如圖5 所示。該電路能夠在任意功率因數(shù)條件下，特別是在傳遞有功電流時，實現(xiàn)直流電容的電壓均壓與穩(wěn)壓，使得變換器的PWM 調(diào)制深度不再受直流電壓穩(wěn)定條件的限制，保證在任意調(diào)制深度條件下實現(xiàn)有功或無功的傳遞[5]。

圖3 交直交潮流控制器結構原理Fig.3 Structural schematic diagram of AC/DC/AC flow

圖4 二極管箝位五電平變換器的一個橋臂Fig.4 A bridge of diode-clamped five-level converter

該輔助電路箝位在五電平變換器電容側，輔助電路各開關管工作狀態(tài)如表2 所示，t1時刻（即一個PWM 周期的前半段）開關管S1、S3、S5、S7導通，C1與Ca1，C2與Ca2，C3與Ca3均形成通路，兩兩之間可實現(xiàn)相互均壓；t2時刻（即PWM 周期的后半段）開關管S2、S4、S6、S8導通，C2與Ca1，C3與Ca2，C4與Ca3均形成通路，兩兩之間也可實現(xiàn)相互均壓。在一個PWM 周期內(nèi)C1、C2與Ca1，C2、C3與Ca2，C3、C4與Ca3均實現(xiàn)能量的交換，經(jīng)過幾個周期的能量反復交換后這7 個電容儲存能量均相等，即可實現(xiàn)均壓，以達到穩(wěn)壓控制的目的。

圖5 基于單級電容的直流輔助穩(wěn)壓電路Fig.5 DC auxiliary voltage-stabilizing circuit based on single stage capacitor

表2 輔助穩(wěn)壓電路的PWM 控制策略Tab.2 PWM control strategy of auxiliary voltage-stabilizing circuit

3 交直交潮流控制器控制策略

3.1 三相PWM 整流器控制方式

PWM 整流器采用基于同步旋轉(zhuǎn)坐標變換的有功無功解耦控制，其系統(tǒng)框圖如圖6 所示，其控制原理為

圖6 三相整流器控制系統(tǒng)框圖Fig.6 Block diagram of three-phase rectifier control system

多電平變換器的調(diào)制策略分為載波PWM 技術和空間矢量PWM 技術。多電平載波層疊法實現(xiàn)簡單，但電壓利用率低；而SVPWM 的最大優(yōu)點在于電壓利用率高，易于數(shù)字實現(xiàn)等。

針對傳統(tǒng)SVPWM 調(diào)制時電壓矢量定位和作用時間計算都需要繁瑣的三角函數(shù)計算等難題，本文采用一種快速SVPWM 調(diào)制算法，該算法將傳統(tǒng)αβ 坐標系坐標軸沿坐標原點順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)45°得到α′β′靜止直角坐標系，如圖7 所示，其空間矢量分布如圖8 所示。在該坐標系下，參考矢量軌跡為橢圓形，其基本矢量都處于整數(shù)點上，且各相鄰的基本矢量坐標點之間構成正方形或等腰直角三角形。因此，參考電壓矢量定位和作用時間計算只需進行簡單的加減及乘法運算，不需進行繁瑣的三角函數(shù)及無理數(shù)運算，計算量大大簡化[6]。

圖8 α′β′靜止直角坐標系下五電平變換器空間電壓矢量Fig.8 Five-level converter spatial voltage vector in α′β′stationary cartesian coordinate system

3.2 單相逆變器控制方式

單相逆變單元采用雙閉環(huán)控制方法，即電壓外環(huán)電流內(nèi)環(huán)控制，以實現(xiàn)輸出電壓的快速調(diào)節(jié)，控制原理如圖9 所示。

圖9 單相逆變單元控制原理Fig.9 Schematic diagram of cotroller for single-phase inverter unit

將指令電壓與實際的輸出電壓信號進行比較，經(jīng)PI 調(diào)解后形成逆變器指令電流，指令電流與實際電流的差值經(jīng)PI 調(diào)解后形成單相逆變器調(diào)制波，調(diào)制波與三角載波比較，產(chǎn)生功率器件開通或關斷的信號，驅(qū)動單相逆變單元工作。

4 仿真驗證

在Matlab/Simulink 下建立仿真模型，其仿真模型參數(shù)設置為：電力系統(tǒng)額定電壓為110 kV，系統(tǒng)短路容量為1 000 MVA，降壓變壓器變比為110 kV/3.8 kV，直流支撐電容為0.056 F，直流側電壓為6 600 V，升壓變壓器變比為4.6 kV/27.5 kV，開關頻率為2 kHz，牽引母線額定電壓為27.5 kV，牽引負載為交直交型負載，初始功率為5 MW，1 s 后功率突變?yōu)?0 MW。仿真波形如圖10～圖18 所示。

由圖10～圖13 可以看出，潮流控制器向牽引負載供電時，電力系統(tǒng)側三相電流對稱，并且與電壓同相位，功率因數(shù)接近于1，諧波畸變率很低，使得牽引供電系統(tǒng)呈現(xiàn)出三相對稱純阻性負載特性，電力系統(tǒng)側電能質(zhì)量良好，牽引母線電壓能夠穩(wěn)定在27.5 kV，并且諧波畸變率很低，具有較高的電壓質(zhì)量。而且1 s 后負載功率由5 MW 突變?yōu)?0 MW 時，系統(tǒng)動態(tài)性能良好。

圖10 110 kV 系統(tǒng)側電壓波形Fig.10 Voltage waveforms of 110 kV system side

圖11 110 kV 系統(tǒng)側電流波形Fig.11 Current waveforms of 110 kV system side

圖12 牽引母線電壓波形Fig.12 Traction bus voltage waveform

圖13 牽引母線電流波形Fig.13 Traction bus current waveform

圖14 直流側分壓電容電壓波形Fig.14 DC side divider capacitor voltage waveforms

圖15 直流側總的電壓波形Fig.15 Total voltage waveform of DC side

圖16 整流側線電壓波形Fig.16 Line voltage waveform of rectifier side

圖17 逆變側線電壓波形Fig.17 Line voltage waveform of inverter side

圖18 α′β′靜止直角坐標系下五電平變換器空間電壓矢量Fig.18 Five-level converter spatial voltage vector in α′β′stationary cartesian coordinate system

由圖14 和圖15 可以看出，直流側電容實現(xiàn)了均壓，說明了輔助穩(wěn)壓電路的可行性；由圖16和圖17 可以看出，五電平變換器輸出線電壓具有9 個電平，比傳統(tǒng)的兩電平交直交變換器輸出電壓更接近正弦，可以有效降低諧波電壓；由圖18 可以看出，在α′β′坐標系下，參考矢量軌跡為橢圓形，與前述理論分析一致。

5 結論

（1）經(jīng)仿真驗證，文中提出的基于二極管箝位五電平結構的貫通供電系統(tǒng)交直交潮流控制器能夠適應牽引負荷高電壓、大容量的需求，使得牽引供電系統(tǒng)呈現(xiàn)出三相對稱純阻性負載特性，電力系統(tǒng)側電能質(zhì)量良好。

（2）潮流控制器能夠根據(jù)牽引負載變化，快速提供牽引負載需要的有功功率，具有良好的動態(tài)性。

（3）五電平變換器輸出線電壓具有9 個電平，比傳統(tǒng)的兩電平交直交變換器輸出電壓更接近正弦，可以有效降低諧波電壓。

（4）仿真驗證了文中輔助穩(wěn)壓電路和基于α′β′靜止直角坐標系下快速SVPWM 調(diào)制算法的可行性和簡便性。

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