具備電壓補償功能的不停電過分相系統及控制方法

袁佳歆 倪 周 肖非然 閔永智

（1. 武漢大學電氣與自動化學院 武漢 430072 2. 蘭州交通大學自動化與電氣工程學院 蘭州 730070）

0 引言

由于高鐵機車為單相負荷，牽引變壓器一般采用輪流換相的連接方式緩解牽引供電系統對電網造成的不平衡問題。然而，牽引變電所之間采用相序輪換會使兩個相鄰供電臂之間存在很大的電壓相位差。若兩者直接相連，將引起短路現象導致牽引網和受電弓熔斷等危害，因此兩個供電臂之間設置一個電分相區。

目前，國內外關于機車通電分相區的方案主要為斷電過分相與不停電過分相兩種方式。斷電過分相的方式雖然具有方案簡單和造價低等優點，但是會給牽引網和機車帶來過電壓與過電流的沖擊，且列車速度受到損失[1]。不停電過分相方式主要可分為機械開關地面自動過分相、電力電子開關自動過分相與柔性地面自動過分相三種方式[2]。機械開關過分相的方式是利用真空開關的快速投切，從而實現列車的不停電過分相，但是存在真空開關動作次數有限、失電時間相對較長和在投切過程中仍會有過電壓與過電流[3]等問題。電力電子開關自動過分相具有響應速度快和分合閘時間可控的特點[4-5]，能有效降低開關的失電時間至 5ms[4]，但不能解決過電壓和過電流問題。柔性地面自動過分相系統是基于大功率電力電子器件構成的電能變換裝置實現能量從供電臂向分相區的轉移[6-8]，并且在分相區供電時平滑改變輸出電壓的相位，不會出現突變，避免了過電壓和過電流。例如文獻[7]提出了基于背靠背逆變器的過分相裝置，該方案雖能夠實現機車不停電過分相，但需要額外增設高壓大容量變壓器，導致安裝空間較大[8]，另外未考慮機車在過分相過程中負荷的變化特性以及引起的電壓波動問題。

文獻[9-10]提出了一種基于兩相式模塊化多電平變換器（Modular Multilevel Converter, MMC）拓撲不停電過分相裝置及其控制策略，無需通過高壓大容量變壓器接入電網，并且輸出電壓波形質量較好。由于兩相式MMC拓撲只從一側牽引線路取電供給分相區，導致供電容錯性低，另外當機車進出分相區時，還是會有負荷突變，導致牽引線路末端電壓波動較大。

為進一步提高不停電過分相系統的可靠性和改善牽引供電網末端電壓波動，本文提出了一種基于三相MMC的分相區不停電過分相系統及其控制策略。該方法可保證機車不停電通過分相區且負荷線性變化。本文研究了電壓暫降的變化特點，介紹了不停電過分相系統（Uninterrupted Power Transfer,UPT）的原理及相應的拓撲結構，分析了UPT的電流傳輸特性，提出了基于不同狀況下UPT的控制策略，并通過仿真算例和小容量的實驗驗證了本文所提出拓撲及控制策略的可行性和有效性。

1 UPT的拓撲結構及補償原理

1.1 UPT的拓撲結構

在牽引供電系統中，一次側三相電壓經過牽引變壓器會轉變為供電臂的兩相電壓。為了避免相鄰兩供電臂的直接相連而導致短路事故的發生，在兩供電臂之間存在一個不帶電的電分相環節，主要利用空氣絕緣錨段來隔絕相鄰供電臂的電氣連接。當機車過分相時，受電弓直接連在不帶電的中性段上，會依靠慣性惰行通過分相區。

不斷電過分相裝置 UPT拓撲結構示意如圖 1所示。補償裝置采用三相MMC結構[11-12]，包括六個橋臂和一條直流支撐電容支路，每個橋臂由N個子模塊及一個電感串聯而成。其中，每個子模塊可以看成是一個半橋型的DC-AC變換器，采用三相MMC可以省去變壓器的成本及安裝空間[13]。、分別為三相電網的相電流，Iα和Iβ分別為兩個供電臂的負載電流，iu、iv和iw分別為三相變換器的輸出電流。

圖1 UPT拓撲結構示意圖Fig. 1 The topology diagram of the UPT

在列車移相過程中，分相區電壓為

因此，在整個機車運行的過程中，分相區上的電壓幅值不變，實現了相角由α側供電臂上-30°至β側供電臂上-90°的變化。

普通列車組采用的是單弓過分相方式，而重聯動車組是雙弓過分相方式。一般中性段長度為400～800m，由于要考慮雙弓過分相，因此允許重聯機車組運行的中性段區間至少要600m。為了保證雙弓重聯機車實現不斷電過分相，本文提出如下雙弓過分相方法：首先，當機車接近和進入分相區時，不停電過分相系統在分相區中性段發出與來車側同幅值和相位的電壓；其次，當兩個受電弓完全進入分相區后，不停電過分相系統開始平滑調節輸出電壓的相位直至與另一個供電臂的相位相同；最后，當機車完全離開分相區后，不停電過分相系統停止工作。

1.2 UPT裝置原理分析

圖2 UPT等效電路Fig.2 Equivalent circuit of UPT

UPT等效電路如圖2所示。在不影響分析結論的情況下，對電路模型進行簡化分析。假設公共側直流母線電壓恒定且上橋臂和下橋臂電容電壓相等，主網側電流在上橋臂和下橋臂中平均分配，主電路中的元件均為無損耗的理想元件。

對于三相中性點，根據基爾霍夫第一定律可以得到

假設兩側供電臂向分相區傳送的總功率為P，且供電臂α傳送的功率為P1=kP，則供電臂β傳送的功率為P2=(1-k)P，考慮機車在t0時刻由供電臂α進入分相區，則有

此時有

三相環流可分別表示為

結合式（4）～式（6）可知，三相MMC上、下橋臂電流為

通過式（7）、式（8）可知，當保持兩側供電臂向分相區傳送的總有功功率與 MMC模塊直流側電壓比值一定時，u相的上下橋臂上的電流與供電臂α側電流成正比，與時間成反比；w相的上、下橋臂上的電流與供電臂β側電流成正比，與時間成正比；v相的上、下橋臂上的電流與兩側供電臂電流之和成正比。由此可知，為了保證列車在經過分相區時負荷線性變化，應保證兩供電臂的電流之和連續變化。

2 UPT無功補償分析

2.1 牽引網末端電壓波動分析

在機車從分相區進入供電臂的瞬間，可將其看成沖擊性的大功率阻感負荷瞬間突然接入電網，將引起系統末端電壓的暫降[14]。

由于考慮上下行全并聯的牽引網系統中包括多條平行的線路，為了保證其完整的電氣分布特性，考慮對牽引網進行R次切割，從而建立如圖3所示的牽引網的鏈式電路模型。

圖3 牽引網鏈式結構切面圖Fig.3 Sectional drawing of chain structure of traction network

由圖3可知，系統節點導納矩陣Y0為

假設牽引網導線數量為p，建立如圖 4所示的π型p導體線路。根據電磁場理論可以得到π型p導體線路的分布阻抗矩陣Z為

此時π型p導體線路的節點導納矩陣Y/2為

圖4 π型p導體線路Fig.4 π-type p-conductor lines

由于機車是并聯接入牽引網中，故機車的接入對分布阻抗矩陣沒有影響，但是會引起一邊的節點導納矩陣的變化。考慮一輛機車分別接在i、j兩條線路上，其導納為yij，且運行于切面K，此時π型p線路的節點導納矩陣的修改增量為

此時機車的導納將引起系統節點導納矩陣中YK矩陣的變化。同理，考慮有q輛機車在電路中運行，由于電路的線性化，可直接用疊加定理進行計算分析，即機車的接入對系統等效節點導納矩陣的影響同樣將分別體現在所接線路與所在切面上，而并不會影響系統的分布阻抗矩陣。

假設切面電流為I，節點電壓為U，考慮加入機車之后的系統節點導納矩陣為0′Y，建立整個系統的節點電壓方程為

經過計算分析可知，機車在進入供電臂的瞬間，將引起牽引網末端電壓下降。當機車在牽引網中不斷運行時，其電壓會有一定的抬升。在考慮上、下行線上各有三輛機車滿額工作的極限情況下，末端電壓下降比較大。

2.2 電流無功分量分析

由于供電臂之間的分相區距離較短，忽略其阻抗。機車在從分相區進入供電臂的過程中，考慮利用過分相裝置發出無功功率從而維持末端電壓的穩定。此時電壓損耗滿足

其中，首端的有功功率Ps和無功功率Qs分別滿足

式中，Pm、Qm分別為高鐵機車的有功功率與無功功率。

若要完全補償這部分電壓損耗，過分相裝置所發出的無功功率需滿足

無功電流滿足

3 有功電流傳輸特性分析

相鄰兩牽引變電站采用輪流換相的方式接入電網。牽引變壓器為高速鐵路常用的Vx牽引變壓器，為2×27.5 kV牽引供電方式，其結構簡單且相對于其他類型的牽引變壓器利用率較高。兩牽引變電站之間通過分相區進行隔離。

不停電過分相裝置原理圖如圖5所示。假設分相區從α側供電臂吸收的有功電流為，從β側供電臂吸收的有功電流為，在t0時刻機車由α側供電臂恰好駛入分相區，機車過分相的總耗時為T。為了保證機車在通過分相區時負荷特性的線性平滑調節，分相區從兩側供電臂單位時間內吸收的電流變化特性如圖6所示。對機車從α側供電臂駛向β側供電臂，經過分相區的整個過程的有功電流傳輸過程進行分析。

圖5 不停電過分相裝置原理圖Fig.5 Schematic diagram of the uninterrupted phaseseparation passing device

圖6 機車過分相的負荷有功電流特性曲線Fig.6 Load active current characteristic curve of locomotive phase-separation passing

供電臂α向分相區傳輸的有功電流滿足

供電臂α向分相區傳輸的有功電流曲線如圖 7所示。

圖7 供電臂α向分相區傳輸的有功電流曲線Fig.7 Active current curve of power supply from arm α to neutral section

供電臂β向分相區傳輸的有功電流滿足

供電臂 β向分相區傳輸的有功電流曲線如圖 8所示。

圖8 供電臂β向分相區傳輸的有功電流曲線Fig. 8 Active current curve of power supply from arm β to neutral section

假設過分相裝置的三個端口中，A端口與α側供電臂相連，B端口與β側供電臂相連，C端口與分相區相連，三個端口輸出的有功電流分別為則傳遞的電流滿足表1。

表1 過分相裝置各端口輸出有功電流Tab.1 Output active current of each port of the phaseseparation passing device

在機車通過分相區的過程中，α側供電臂上的有功電流線性減小，β側供電臂上的有功電流線性增大。當供電臂上傳輸的有功電流一定時，分相區上吸收的電流總和保持不變，使得機車能在不停電惰行的條件下，通過分相區無速度損失。

4 控制策略

UPT的控制策略框圖如圖9所示。考慮列車從α側供電臂駛向β側供電臂，經過分相區的整個過程，通過三相 MMC的 u、v、w三相與中性點配合，可實現分相控制[15-16]，在列車由α側供電臂經過分相區通往β側供電臂的整個過程中，u相逆變器與 w相逆變器均控制交流電流，分別吸收 α側供電臂和β側供電臂的有功功率，且將其轉移至v相變流器。v相變流器根據電壓的移相特性輸出基波電壓與電流，并為在分相區中運行的機車提供功率。u相逆變器吸收并轉移至 v相變流器的有功功率線性減小，w相逆變器吸收并轉移至 v相變流器的有功功率線性增加，而兩者之和維持一定。在機車從分相區駛向供電臂的時候，通過變流器發出無功電流維持機車電壓的穩定不變，其控制策略框圖如圖10和圖11所示。

圖9 UPT控制策略框圖Fig.9 Block diagram of UPT control strategy

圖10 實際參考電流信號生成框圖Fig.10 Actual reference current signal block diagram

圖11 UPT控制系統框圖Fig.11 UPT control system

在機車過分相的過程中，UPT應該滿足兩個目標[16-17]：①機車通過分相區的過程中，從兩側供電臂吸收的有功電流均線性變化，且總和保持一定；②在機車過分相時，機車電壓幅值保持一定，相位發生移相變化。

4.1 有功控制策略

機車在過分相的過程中從兩側供電臂吸收的有功電流總和保持一定，α側供電臂輸出的有功電流線性減小，而β側供電臂輸出的有功電流線性增加。利用直流電壓參考信號與實測信號的比較，經過PI控制器與兩側供電臂電壓同步參考信號的作用[18]，得到直流電壓信號并將其用于供電臂電流的調節，α側供電臂有功參考電流即為α側供電臂的輸出有功電流[19-20]，即

假設α側供電臂實際輸出有功電流與參考有功電流比值為μ（0＜μ＜1），故可得α側供電臂實際輸出有功電流表達式為

利用 β側供電臂輸出的有功電流補償 α側供電臂的實際輸出有功電流與有功參考電流之間的差值，即

β側供電臂輸出的有功參考電流為

由式（22）～式（25）可知，系統總的傳遞有功電流包括α側供電臂輸出有功電流與β側供電臂輸出有功電流兩部分，其中，α側供電臂的有功參考電流為 α側供電臂輸出有功電流的理論計算值，β 側供電臂的有功參考電流為兩側總的輸出有功電流與α側供電臂實際輸出有功電流的電流差值。

4.2 無功控制策略

裝置所發出的無功電流來維持機車進入供電臂時所引起的電壓暫降[21-22]。機車在過分相的過程中，公共直流側母線電壓保持穩定，即通過直流電壓的控制，維持機車電壓的穩定。利用所得到的實際參考電壓信號，對實測無功電流信號進行滯環電流跟蹤控制，從而實現對參考電流信號的快速跟蹤與實際輸出電流信號的迅速調節。

β側供電臂輸出的無功參考電流表達式為

4.3 裝置控制策略

系統總的傳遞有功電流包括α側供電臂輸出電流與 β 側供電臂輸出電流兩部分，其中，α 側供電臂的參考電流為 α 側供電臂輸出電流的理論計算值，β 側供電臂的參考電流為兩側總的輸出電流與α側供電臂實際輸出電流的電流差值。兩端供電臂輸出電流協同控制，最終完成機車不停電、不降功過分相[23-24]。

在機車過分相時，需要實現對參考電流的快速跟蹤控制，而UPT具有很快的響應速度，能在一個周波內快速響應，因此考慮UPT控制系統采用滯環電流控制[25-26]。其中，α側供電臂的參考電流為

β側供電臂的參考電流為

5 UPT的仿真與實驗

5.1 仿真條件

高速鐵路牽引供電系統的電氣仿真參數及傳輸線參數分別見表2和表3。

表2 仿真模型參數Tab.2 Parameters of simulation model

表3 傳輸線參數Tab.3 Parameters of traction network transmission lines

為了驗證所提出的 UPT的工作特性與控制策略的有效性，本文利用 Matlab建立機車過分相的仿真模型。考慮機車在0.265s從α側供電臂剛開始進入分相區，在0.5s從分相區剛開始進入β側供電臂。分析單輛機車在經過分相區的過程中，機車電壓變化曲線以及過分相裝置輸出電流變化曲線的仿真特性。

5.2 仿真分析

5.2.1 機車電壓特性仿真分析

1）基于傳統兩相式MMC的機車過分相電壓特性

當機車基于兩相式MMC過分相時，假設機車從α側供電臂駛向β側供電臂，在整個過程中，能量完全由α側供電臂提供。

上、下行全并聯運行下末端電壓變化特性如圖12所示。當機車在分相區中運行時，牽引網末端電壓為 25.28kV，此時牽引網末端電壓在機車正常滿額運行的電壓范圍之中；機車0.5s進入供電臂的瞬間，電壓發生瞬時跌落，隨著機車的進一步運行，末端電壓有一定的抬升。此時牽引網末端電壓為23.7kV，下降比較大，機車將處于非滿額功率運行。

圖12 上、下行全并聯運行下末端電壓變化特性Fig.12 Variation characteristics of terminal voltage under up and down parallel operation

2）基于UPT的機車過分相電壓特性

當機車從分相區進入供電臂時，利用UPT發出無功電流從而補償機車負荷突然接入所引起的電壓缺額，補償電壓波形圖如圖13所示。在機車進入分相區后，從兩側供電臂吸收的電流幅值和一定，分相區電流波形如圖14所示。

圖13 UPT補償電壓波形Fig.13 UPT compensation voltage waveform

圖14 分相區電流變化仿真分析Fig.14 Simulation analysis of current variation characteristics

從圖14可以看出，在高速列車通過分相區的整個過程中，機車上的電壓相位實現了從 α側供電臂駛向β側供電臂的連續轉變。由圖15a可知，機車在進入分相區之后，分相區上的電流保持幅值恒定的良好正弦波形；由圖15b可知，機車在分相區上的電壓幅值與 α側供電臂及 β側供電臂上的電壓幅值相等。故在機車在從 α側牽引供電經過分相區駛向 β側供電臂的過程中，機車上的電壓幅值不變，相位實現由α側供電臂電壓相位向β側供電臂電壓相位的連續平滑調節，與理論分析結果相同。

圖15 電壓變化特性仿真分析Fig.15 Simulation analysis of voltage variation characteristics

5.2.2 供電臂電流特性仿真分析

傳統的機車過分相方式是采用兩相式MMC裝置。裝置兩側的電流傳輸特性如圖16所示。考慮機車一直滿額運行，當機車從分相區進入β側供電臂時，兩側傳輸電流發生突變，α側供電臂電流突降為 0，β側供電臂電流突增為 491.2A，兩側電流幅值特性見表4。

圖16 基于傳統兩相式MMC的供電臂兩側電流波形Fig.16 Current waveforms on both sides of traction power supply arm based on traditional two-phase MMC

基于UPT的供電臂兩側電流波形如圖17所示。從圖17可以看出，高速列車在通過分相區的整個過程中，在α側供電臂上運行時，α側供電臂電流幅值最大，此后該電流幅值線性減小，當機車進入β側供電臂時，該電流幅值減至0；當機車在α側供電臂上運行時，β側供電臂電流幅值為0，此后該電流線性增大，當機車進入β側供電臂時，β側供電臂上的電流達到最大。同時，兩側供電臂上電流之和幅值保持一定，為491.2A，與理論結果分析特性相同。

表4 傳統過分相裝置電流幅值的仿真數據Tab.4 Simulation data of current amplitude of traditional phase-separation passing device

圖17 基于UPT的供電臂兩側電流波形Fig.17 Current waveforms on both sides of traction power supply arm based on UPT

表5 UPT電流幅值的仿真數據Tab.5 Simulation data of current amplitude of UPT

與傳統式過分相裝置相比，UPT能保障機車在過分相時，分相區從兩側吸收的電流實時線性變化，但是總和仍然保持為491.2 A不變。

5.3 實驗分析

為了進一步驗證 UPT的有效性和優點，搭建了小容量的實驗平臺進行相關的實驗。實驗平臺如圖18所示。主變壓器匝數比為380V:220V，額定功率為10kV·A，MMC容量為2kvar。負載位于一個電源臂中，其容量為800W，耦合電感為10 mH。子模塊由兩個1 200V 50A IGBT和一個450V、2 200μF電容組成，MMC的開關頻率為 10kHz，調制比為0.85。通過開關的投切來模擬機車過分相的過程。采用TI公司的TMS320F2812 DSP作為UPT系統的控制器來輸出控制信號，且所有控制程序都在DSP中運行。

圖18 實驗平臺Fig.18 The experiment platform

實驗結果如圖19～圖21所示。

圖19 供電臂有功電流波形Fig.19 Active current waveform of traction arm

圖20 末端電壓變化波形Fig.20 Terminal voltage variation waveform

圖21 機車過分相時分相區與兩側供電臂電壓波形Fig.21 Voltage waveforms of neutral section and traction arms on both sides of locomotive phase-separation passing

從圖20可以看出，本文提出的UPT可以在機車過分相情況下保證兩側供電臂電流線性變化，且其電流和保持為3.42A不變，證明了其有效性。圖21表明，機車在過分相進入供電臂時，將引起的電壓跌落。圖 22表明，UPT能保證機車在過分相的過程中，電壓波形保持幅值為 311V的正弦變化且相位實現了由α側供電臂相位至β側供電臂相位的變化，裝置對機車突然接入所引起的電壓跌落進行了補償，進一步證明了UPT的優點。

6 結論

本文提出了一種分相區不停電過分相系統UPT，對拓撲結構的無功補償特性與電流傳輸特性進行了分析，并研究了UPT的控制策略。結論如下：

1）UPT能使機車負荷不停電地通過分相區且負荷線性變化。在經過分相區的過程中，UPT能保證機車電壓發生移相變化。

2）通過 UPT發出無功電流，解決了機車過分相的末端電壓波動問題。

3）提出了UPT的控制策略，具有較好的動態響應特性。通過Matlab仿真驗證了UPT能使機車不停電、不降功地通過分相區，同時能保證負荷線性變化。搭建了小容量實驗平臺，對機車通過過分相時的系統電流變化特性進行了硬件實驗驗證，實驗結果驗證了理論分析的有效性及可實施性。