基于MMC的新型牽引供電系統(tǒng)研究(一)

常 非, 楊中平, 林 飛

(北京交通大學 電氣工程學院，北京 100044)

隨著目前我國交直交機車的大量使用，無功和諧波已經(jīng)不是電氣化鐵路電能質(zhì)量的主要問題，負序問題變得越來越突出。由于電分相裝置的存在，機車運行速度受到限制[1-4]。根據(jù)計算，京滬高速鐵路因電分相的存在而使運行時間增加約20 min。

為了解決這些技術難題，文獻[5]提出了同相供電方案, 基于既有線改造的同相牽引供電系統(tǒng)可有效改善電能質(zhì)量，減少牽引供電系統(tǒng)一半的電分相，但仍不能徹底取消電分相，實現(xiàn)牽引網(wǎng)全網(wǎng)互聯(lián)，如圖1(a)、圖1(b)所示。德國現(xiàn)行牽引供電系統(tǒng)需要建立一個110 kV、16.7 Hz的鐵路專用電網(wǎng)，鐵路專用電網(wǎng)需沿鐵路線分布，變電所直接從該電網(wǎng)取得同頻率的單相電經(jīng)全線貫通的接觸網(wǎng)給機車供電。德國采取了與電力系統(tǒng)頻率相異的貫通供電方式，全線電壓同相位，無需過分相，是一種較理想的供電方式。德國模式值得借鑒，但在實現(xiàn)途徑上，中國鐵路不宜照搬德國模式，因為德國的貫通供電是通過鐵路自建電網(wǎng)形成的，與公用電網(wǎng)的聯(lián)系是通過三相-單相交直交換流器實現(xiàn)的。隨著電力電子技術的快速發(fā)展，基于三相-單相交直交變電所的新型牽引供電系統(tǒng)有望實現(xiàn)牽引網(wǎng)的全網(wǎng)互聯(lián)，如圖1(c)所示。這種牽引供電系統(tǒng)可徹底取消電分相，改善公共電網(wǎng)和牽引網(wǎng)電能質(zhì)量，有效調(diào)度牽引網(wǎng)潮流，并且可實現(xiàn)機車制動能量的再生利用，是一種較理想的新型牽引供電方式。其中，三相-單相交直交變電所是新型牽引供電系統(tǒng)的核心設備。近年來廣泛應用于柔性直流輸電系統(tǒng)的模塊化多電平換流器MMC(Modular Multilevel Converter)憑借其模塊化、低諧波含量、低損耗等優(yōu)勢得到廣泛應用[6-8]。MMC同樣適合應用于高壓大容量牽引供電系統(tǒng)中，能夠降低開關器件應力，降低器件開關頻率，減小器件開關損耗和輸出電壓THD值，取消逆變側(cè)升壓變壓器，直接輸出27.5kV為牽引負載供電，圖2所示為基于MMC結(jié)構(gòu)的三相-單相交直交變電所結(jié)構(gòu)圖。圖1(c)所示新型牽引供電系統(tǒng)中需要多個交直交變電所進行并網(wǎng)控制，但在并網(wǎng)之前首先需要選定一個變電所為全線電壓提供幅值、相位和頻率的參考，本文研究為牽引網(wǎng)提供電壓參考的基于MMC結(jié)構(gòu)的三相-單相交直交變電所的控制策略。后續(xù)將研究基于MMC結(jié)構(gòu)的新型牽引供電系統(tǒng)多變電所之間的并網(wǎng)協(xié)調(diào)控制。

圖1 三種類型的牽引供電系統(tǒng)

圖2 基于MMC結(jié)構(gòu)的三相-單相交直交變電所

1 基于MMC結(jié)構(gòu)的三相-單相交直交變電所

圖2所示變電所主要由基于MMC結(jié)構(gòu)的三相-單相交直交換流器組成，MMC的橋臂不是由多個開關器件直接串聯(lián)構(gòu)成，而是采用了子模塊SM(Sub-Module)級聯(lián)的方式，SM一般采用半H橋結(jié)構(gòu)，通過多個SM級聯(lián)，可以提高換流器的功率和電壓等級，因此可以取消輸出升壓變壓器。由于換流器輸出電壓幅值、相位和頻率可控，因此相鄰變電所的接觸網(wǎng)可直接相連，形成貫通牽引供電網(wǎng)絡。MMC的數(shù)學模型如式(1)所示。

(1)

式中：usa、usb和usc為電力系統(tǒng)側(cè)三相交流電壓；isa、isb和isc為電力系統(tǒng)側(cè)三相交流電流；L為等效電感值，包括橋臂電感和變壓器漏感；R為等效電阻值，包括橋臂電阻和變壓器電阻，由于等效電阻值遠小于等效電感值，故實際計算時可忽略不計；ua、ub和uc為換流器側(cè)三相交流電壓。

2 三相-單相交直交變電所控制策略

2.1 MMC環(huán)流抑制控制

文獻[9]分析指出，MMC的內(nèi)部環(huán)流是由于各相上、下橋臂電壓之和彼此不一致引起的，且此環(huán)流為二倍頻負序性質(zhì)，它在MMC三相橋臂間流動，對外部交流系統(tǒng)不產(chǎn)生任何影響。文獻[10]提出了一種二倍頻負序旋轉(zhuǎn)坐標系下的環(huán)流抑制控制器CCSC (circulating current suppressing controller)，該方法需要進行二倍頻負序坐標變換和相間解耦，且只適用于三相系統(tǒng)。文獻[11]所提方法環(huán)流抑制效果有限。文獻[12-14]先后基于準PR調(diào)節(jié)器來抑制環(huán)流，只不過文獻[12-13]通過陷波器提取環(huán)流中的二次基頻分量，文獻[14]則通過負序Clark變換來提取環(huán)流中的二次諧波分量。

本文在研究過程中發(fā)現(xiàn)，利用準PR調(diào)節(jié)器進行環(huán)流抑制，無需單獨提取環(huán)流中的二倍頻交流分量，可達到同樣的環(huán)流抑制效果。式(2)為準PR調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。

(2)

通過傳遞函數(shù)式(2)，可以得到準諧振調(diào)節(jié)器在頻率為0時的增益為

(3)

從式(3)可以看出，準諧振調(diào)節(jié)器對于直流信號的幅值增益為 0，對直流分量不具有調(diào)節(jié)能力，因此準諧振調(diào)節(jié)器輸出信號中不包含直流信號。因此，環(huán)流抑制過程中無需通過陷波器來單獨提取二次諧波分量，簡化了控制器設計。

基于上述分析，本文采用的環(huán)流抑制控制器如圖3所示。該方法簡單、實用，且對于單相和三相系統(tǒng)均適用。

圖3 環(huán)流抑制控制器

2.2 三相PWM整流器控制

基于αβ坐標系的三相PWM整流器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。其中，直流電壓外環(huán)采用數(shù)字陷波器消除直流側(cè)電壓二次脈動對電網(wǎng)電流的諧波影響[15]。

如圖4所示，根據(jù)直流電壓外環(huán)得到d軸電流參考值，由于整流側(cè)主要用于為牽引逆變側(cè)傳遞有功，故q軸電流參考值設為0。經(jīng)過dq/αβ坐標變換，得到電流內(nèi)環(huán)的參考值iαref、iβref，與兩相靜止坐標系下的實際值isα、isβ做差經(jīng)過準PR調(diào)節(jié)器，得到換流器交流側(cè)輸出電壓的α、β軸參考值uαref、uβref。再經(jīng)過αβ/abc變換，可以得到換流器交流側(cè)輸出的三相電壓調(diào)制波uaref、ubref、ucref，同時采用零序電壓注入法，將三相調(diào)制電壓分別減去零序電壓u0，使得三相電壓調(diào)制波由正弦波變?yōu)椤捌巾敳ā保捎行岣咧绷麟妷旱睦寐省?/p>

圖4 三相整流側(cè)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3 單相逆變器控制

本文提出一種基于雙電壓環(huán)的單相逆變器控制，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。外環(huán)為相電壓有效值控制環(huán)，采用PI調(diào)節(jié)器; 內(nèi)環(huán)為相電壓瞬時值控制環(huán),采用準PR調(diào)節(jié)器。

圖5 單相逆變器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 仿真驗證

基于PSCAD/EMTDC搭建了基于MMC結(jié)構(gòu)的三相-單相交直交變電所仿真模型，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，仿真參數(shù)見表1。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

3.1 算例1：交流電網(wǎng)對稱

牽引負載為交直交型機車負載，負載初始功率為4 MW，5 s時負載功率突變?yōu)? MW。從圖6、圖7可以看出，負載功率突變前后，電力系統(tǒng)側(cè)三相電壓、電流同相位，功率因數(shù)為1，使得牽引供電系統(tǒng)呈現(xiàn)出三相對稱純阻性負載特性。正、負直流母線電壓穩(wěn)定5 s后，由于負載功率增加為原來的2倍，直流母線電壓的二次脈動有所增加，如圖8所示。圖9為本文所提環(huán)流抑制控制下的三相整流側(cè)A相環(huán)流，3 s前，橋臂電流中含有明顯的二次諧波分量；3 s后，啟動環(huán)流抑制控制器，環(huán)流的幅值大幅度減小，基本只含有直流分量；5 s后，負載功率發(fā)生階躍，經(jīng)歷暫態(tài)過程之后，環(huán)流依然得到了較好的抑制。可見，無論在穩(wěn)態(tài)還是動態(tài)條件下，本文所提算法對二次諧波環(huán)流的抑制效果都比較明顯。圖10為傳統(tǒng)的經(jīng)過陷波器提取環(huán)流中二倍頻交流分量方法的環(huán)流抑制效果，與本文無需采用陷波器方法的環(huán)流抑制效果基本一致，驗證了前述理論分析的正確性。采用本文新型環(huán)流抑制控制器省去了陷波器環(huán)節(jié)，簡化了控制器設計，并能達到同樣的環(huán)流抑制效果。圖11通過采用零序電壓注入的調(diào)制策略，將正弦電壓調(diào)制波削頂為“平頂波”，可提高直流電壓的利用率，達到兩電平SVPWM的水平。

圖6 電力系統(tǒng)側(cè)三相電壓

圖7 電力系統(tǒng)側(cè)三相電流

圖8 正、負直流母線電壓

圖9 不采用陷波器新方法環(huán)流抑制效果

圖10 傳統(tǒng)采用陷波器方法環(huán)流抑制效果

圖11 三相電壓調(diào)制波

從圖12、圖13可以看出，在牽引負載功率突變時，交直交變電所能夠快速傳遞牽引負載需要的有功電流，且維持牽引網(wǎng)電壓穩(wěn)定。單相逆變器無需輸出升壓變壓器直接輸出27.5 kV為牽引負載供電，且輸出電壓、電流波形高度正弦化，無需安裝濾波裝置。圖14、圖15為單相逆變器雙電壓環(huán)的跟蹤控制效果，其中，圖14中PI調(diào)節(jié)器實現(xiàn)了對電壓外環(huán)相電壓有效值的無靜差跟蹤，圖15中VR調(diào)節(jié)器實現(xiàn)了對電壓內(nèi)環(huán)相電壓瞬時值的無穩(wěn)態(tài)誤差控制。圖16為單相逆變側(cè)α相環(huán)流抑制效果，可見環(huán)流抑制控制器不僅適用于三相系統(tǒng)，同樣適用于單相系統(tǒng)。

圖12 牽引網(wǎng)電壓

3.2 算例2：交流電網(wǎng)不對稱

設在2 s時交流電網(wǎng)a相發(fā)生單相接地短路故障，故障持續(xù)時間2 s。從圖17、圖18可知，本文設計的基于VR調(diào)節(jié)器的三相PWM整流器控制策略在電網(wǎng)電壓不平衡時，仍能保持系統(tǒng)三相電流對稱，無需進行正、負序分解，實現(xiàn)了對兩者的統(tǒng)一控制。圖19中，在整個過程中環(huán)流抑制控制器一直啟動，在2～4 s故障期間，環(huán)流同樣基本只含有直流量，說明新型環(huán)流抑制控制器在交流電網(wǎng)不平衡時對環(huán)流中二倍頻諧波的抑制效果同樣明顯。

圖13 牽引網(wǎng)電流

圖14 電壓有效值外環(huán)PI跟蹤效果

圖15 電壓瞬時值內(nèi)環(huán)VR跟蹤效果

圖16 單相逆變側(cè)環(huán)流抑制效果

圖17 電力系統(tǒng)側(cè)三相電壓

圖18 電力系統(tǒng)側(cè)三相電流

圖19 電網(wǎng)電壓不平衡時環(huán)流抑制效果

4 結(jié)束語

本文研究基于MMC結(jié)構(gòu)的三相-單相交直交變電所控制策略，提出一種簡單實用、可同時適用于三相和單相系統(tǒng)的新型環(huán)流抑制控制器；并設計了基于VR調(diào)節(jié)器的三相整流側(cè)控制器，可實現(xiàn)對正、負序電流的統(tǒng)一控制。提出一種基于雙電壓環(huán)的單相逆變器控制策略，保證逆變側(cè)具有良好的輸出特性。下一步將重點研究基于MMC結(jié)構(gòu)的多變電所之間的并網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略。

參考文獻：

[1]魏光,李群湛. 新型同相牽引供電系統(tǒng)方案[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2008,32(10):80-83.

WEI Guang, LI Qunzhan. A New Cophase Traction Power Supply System[J]. Automation of Electric Power System，2008，32(10)：80-83.

[2]吳萍,李群湛. 基于 YN-vd 接線變壓器的新型同相牽引供電系統(tǒng)[J]. 電力自動化設備，2008,28(10):87-91.

WU Ping, LI Qunzhan. Cophase Traction Power Supply System Based on YN-vd Connection Transformer[J]. Electric Power Automation Equipment, 2008, 28(10): 87-91

[3]魏光. 基于 V 型接線的同相牽引供電系統(tǒng)[J]. 電力自動化設備,2010,30(12):61-65.

WEI Guang. Cophase Traction Power Supply System Based on V Connection[J]. Electric Power Automation Equipment, 2010, 30(12): 61-65.

[4]李群湛,張進思,賀威俊. 適于重載電力牽引的新型供電系統(tǒng)的研究[J]. 鐵道學報,1988,10(4):23-31.

LI Qunzhan, ZHANG Jinsi, HE Weijun. Study of a New Power Supply System for Heavy Haul Electric Traction[J]. Joural of the China Railway Society, 1988, 10(4): 23-31.

[5]李群湛. 我國高速鐵路牽引供電發(fā)展的若干關鍵技術問題[J].鐵道學報,2010,32(4):119-124.

LI Qunzhan. On Some Technical Key Problems in the Development of Traction Power Supply System for High-speed Railway in China[J]. Joural of the China railway society, 2010, 32(4): 119-124.

[6]趙成勇. 柔性直流輸電建模和仿真技術[M]. 北京:中國電力出版社, 2014.

[7]徐政. 柔性直流輸電系統(tǒng)[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 2014.

[8]湯廣福. 基于電壓源換流器的高壓直流輸電技術[M]. 北京：中國電力出版社, 2010.

[9]屠卿瑞,徐政,鄭翔,等. 模塊化多電平換流器型直流輸電內(nèi)部環(huán)流機理分析[J].高電壓技術,2010,36(2):547-552.

TU Qingrui, XU Zheng, ZHENG Xiang, et al. Mechanism Analysis on the Circulating Current in Modular Multilevel Converter based HVDC[J]. High Voltage Engineering, 2010, 36(2): 547-552.

[10]屠卿瑞,徐政,管敏淵,等. 模塊化多電平換流器環(huán)流抑制控制器設計[J].電力系統(tǒng)自動化,2010,34(18):57-61.

TU Qingrui, XU Zheng, GUAN Minyuan, et al. Design of Circulating Current Suppressing Controllers for Modular Multilevel Converter[J]. Automation of Electric Power Systems, 2010, 34(18): 57-61.

[11]楊曉峰,鄭瓊林.基于MMC環(huán)流模型的通用環(huán)流抑制策略[J].中國電機工程學報,2012,32(18):59-66.

YANG Xiaofeng, ZHENG Qionglin. A Novel Universal Circulating Current Suppressing Strategy Based on the MMC Circulating Current Model[J]. Proceedings of the CSEE, 2012, 32(18): 59-66.

[12]班明飛，申科, 王建澤，等. 基于準比例諧振控制的MMC新型環(huán)流抑制器[J]. 電力系統(tǒng)自動化,2014,38(11):85-89.

BAN Mingfei, SHEN Ke, WANG Jianze, et al. A Novel Circulating Current Suppressor for Modular Multilevel Converters based on Quasi-proportional-resonant Control[J]. Automation of Electric Power Systems, 2014, 38(11): 85-90.

[13]閻發(fā)友，湯廣福.一種適用于模塊化多電平換流器的新型環(huán)流控制器[J].電力系統(tǒng)自動化,2014,38(1):104-108.

YAN Fayou, TANG Guangfu. A Novel Circuiting Current Controller for Modular Multilevel Converter[J]. Automation of Electric Power Systems, 2014, 38(1): 104-108.

[14]劉煥,岳偉,張一工,等. 基于準比例-諧振控制的MMC-HVDC環(huán)流抑制策略[J].電力系統(tǒng)自動化,2015,39(4):32-36.

LIU Huan, YUE Wei, ZHANG Yigong, et al. Circuiting Current Restraining Strategy Based on Quasi Proportional-resonance Control[J]. Automation of Electric Power Systems, 2015, 39(4): 32-36.

[15]張興. PWM整流器及其控制[M]. 北京:機械工業(yè)出版社, 2012.