基于超級(jí)電容的交直交牽引供電系統(tǒng)及控制策略

陳鐵， 張會(huì)穎*， 李咸善， 陳衛(wèi)東

(1.三峽大學(xué)電氣與新能源學(xué)院， 宜昌 443002； 2. 梯級(jí)水電站運(yùn)行與控制湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 宜昌 443002)

傳統(tǒng)電氣化鐵路采用異相供電方式，存在無(wú)功、諧波、負(fù)序等電能質(zhì)量問(wèn)題和電分相問(wèn)題，不僅影響電網(wǎng)的正常運(yùn)行[1-3]，還會(huì)造成列車(chē)間斷取流，引起速度和牽引力的損失，降低能量利用率。平衡牽引變壓器[4-5]、無(wú)源和有源補(bǔ)償、鐵路功率調(diào)節(jié)器(railway static power conditioner， RPC)[6-8]以及基于有源補(bǔ)償器(active power compensator， APC)的同相供電裝置[9-10]雖然能在一定程度上緩解電能質(zhì)量問(wèn)題，但無(wú)法徹底取消分相區(qū)，實(shí)現(xiàn)牽引網(wǎng)全線貫通。

貫通式同相供電系統(tǒng)通過(guò)電力電子變換裝置直接將三相電能轉(zhuǎn)換為同相位、同幅值的單相電，確保由不同牽引變電所供電的牽引網(wǎng)各分段母線電壓同相位，從而徹底取消分相區(qū)。文獻(xiàn)[11-12]提出了一種基于單相-單相AC/DC/AC電力電子變壓器(power electronic transformer， PET)的同相供電系統(tǒng)，牽引變壓器的二次側(cè)分別通過(guò)一套PET并聯(lián)在牽引網(wǎng)上，兩臺(tái)PET輸入、輸出功率需要保持一致，否則會(huì)在牽引網(wǎng)側(cè)引起環(huán)流，嚴(yán)重時(shí)可能損害功率器件。文獻(xiàn)[13]中提出了一種基于三相-單相AC /DC /AC型變換器的同相供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)輸入側(cè)變流器級(jí)聯(lián)直掛三相電網(wǎng)，輸出側(cè)采用級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)直掛牽引網(wǎng)，由于電網(wǎng)的高電壓等級(jí)，需要大量的高耐壓、大電流的功率器件，成本過(guò)高，可行性不強(qiáng)。文獻(xiàn)[14-17]中提出基于模塊化多電平變流器(modular multilevel converter， MMC)的同相供電系統(tǒng)，但MMC結(jié)構(gòu)在運(yùn)行過(guò)程中存在環(huán)流，控制復(fù)雜，在電氣化鐵路實(shí)際應(yīng)用中存在困難，且無(wú)法在原變電所基礎(chǔ)上進(jìn)行同相供電改造。此外三相-單相結(jié)構(gòu)可靠性低，在該結(jié)構(gòu)故障時(shí)，會(huì)造成整個(gè)牽引變電所停運(yùn)，容錯(cuò)性能差。

牽引負(fù)荷具有隨機(jī)性、沖擊性的特點(diǎn)。在發(fā)車(chē)較密集的時(shí)候，從電網(wǎng)中吸收功率多；發(fā)車(chē)較稀疏的時(shí)候，吸收的功率較少，劇烈的功率波動(dòng)會(huì)對(duì)電網(wǎng)側(cè)形成功率沖擊[18-20]。不僅會(huì)增大變壓器和電力電子裝置的設(shè)計(jì)容量，也會(huì)對(duì)功率器件的安全運(yùn)行造成影響。但目前貫通式同相供電系統(tǒng)在此方面的研究鮮有報(bào)道。

超級(jí)電容充放電快，循環(huán)壽命長(zhǎng)，可以快速匹配負(fù)荷功率的波動(dòng)[21-22]，更適合電氣化鐵路的負(fù)荷特點(diǎn)。在直流母線處引出儲(chǔ)能單元接口，并聯(lián)超級(jí)電容，利用其快速儲(chǔ)能、釋能的特性，在負(fù)荷高峰時(shí)放電、負(fù)荷低谷時(shí)充電，使電網(wǎng)輸出功率相對(duì)平緩，并降低變壓器和背靠背變換器的容量需求以及變電所的運(yùn)行費(fèi)用，對(duì)于維持供電系統(tǒng)的穩(wěn)定有重要作用[23]。

基于上述因素，現(xiàn)提出基于超級(jí)電容的交直交牽引供電系統(tǒng)及控制策略。系統(tǒng)主要包括交直交供電單元和儲(chǔ)能單元，交直交單元由接于斯科特變壓器副邊繞組的兩套整流器和為牽引網(wǎng)供電的一套逆變器組成。兩套整流器直流環(huán)節(jié)并聯(lián)，形成公共直流母線。超級(jí)電容作為儲(chǔ)能裝置，通過(guò)Buck/Boost變換器連接至公共直流母線。相比于上述貫通式同相供電系統(tǒng)，希望本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加靈活，控制策略更容易實(shí)現(xiàn)。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)說(shuō)明，本方案的有效性。

1 儲(chǔ)能式交直交牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

在電氣化鐵路中，電力機(jī)車(chē)和動(dòng)車(chē)組作為單相負(fù)載，產(chǎn)生的負(fù)序電流會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行造成影響。為盡可能地減少進(jìn)入電力系統(tǒng)的負(fù)序電流，電氣化鐵路普遍實(shí)行換相連接，并設(shè)置電分相環(huán)節(jié)。本文中提出的儲(chǔ)能式交直交牽引供電系統(tǒng)在治理電氣化鐵路電能質(zhì)量的同時(shí)取消分相區(qū)，并在直流母線上并聯(lián)儲(chǔ)能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)削峰填谷，系統(tǒng)示意如圖1所示。

牽引變壓器選取Scott變壓器。交直交系統(tǒng)中，在Scott變壓器的兩個(gè)副邊繞組分別通過(guò)降壓變壓器連接一套脈寬調(diào)制(pulse width mod-ulation， PWM)整流器。PWM整流器可通過(guò)控制網(wǎng)側(cè)電流鎖定網(wǎng)側(cè)電壓，實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)運(yùn)行。降壓變壓器采用多重化結(jié)構(gòu)，可采用載波移相調(diào)制策略降低網(wǎng)側(cè)諧波含量。該交直交系統(tǒng)除可解決電氣化鐵路的無(wú)功和諧波問(wèn)題外，還可解決負(fù)序電流問(wèn)題。由于交直交系統(tǒng)逆變側(cè)采用PWM變換器，則輸出電壓可控，因此可徹底取消分相區(qū)，實(shí)現(xiàn)牽引網(wǎng)全線貫通。

該系統(tǒng)相比基于三相-單相交直交變流器的同相供電系統(tǒng)，牽引變壓器副邊繞組分別接入兩臺(tái)單相整流裝置，其整流部分的結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，功率器件的容量降低、數(shù)量減少，有利于減少裝置的成本，且兩臺(tái)整流裝置并列供電，一個(gè)裝置故障不會(huì)影響另一個(gè)裝置的工作，運(yùn)行可靠性更好。將兩臺(tái)PWM整流器的直流端并聯(lián)，通過(guò)一個(gè)逆變端口與牽引網(wǎng)相連，相比同時(shí)并聯(lián)兩套單相-單相PET的同相供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)在牽引網(wǎng)側(cè)不會(huì)形成環(huán)流，只需控制一臺(tái)逆變器的輸出即可實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引網(wǎng)電壓的穩(wěn)定控制，控制更易實(shí)現(xiàn)。此外，形成了公共直流端口，便于儲(chǔ)能系統(tǒng)接入，靈活性也有所增強(qiáng)。

AC/DC為整流器；DC/AC為逆變器；SC為超級(jí)電容裝置圖1 基于超級(jí)電容的儲(chǔ)能式交直交牽引供電系統(tǒng)示意圖Fig.1 The schematic diagram of super capacitor energy storage-based AC-DC-AC traction power supply system

1.2 交直交系統(tǒng)解決負(fù)序電流的原理

IA、IB、IC分別為變壓器原邊三相電流；IM、IT分別為變壓器 副邊電流；UM、UN分別為變壓器副邊電壓圖2 Scott變壓器接線示意圖Fig.2 The wiring diagram of Scott transformer

Scott原邊電壓和次邊電壓電流向量圖分別如圖3(a)、圖3(b)所示。若Scott變壓器原邊三相電流分別為IA、IB、IC，則根據(jù)磁勢(shì)平衡原理，可得

(1)

假設(shè)兩供電臂負(fù)載功率因數(shù)角相等，負(fù)荷電流幅值相等時(shí)，即IT=I，IM=I∠90°，代入式(1)可得

(2)

UAB、UBC 、UCA分別為變壓器原邊線電壓圖3 Scott變壓器原邊電壓和次邊電壓電流向量圖[19]Fig.3 The vectors of primary voltage and secondary voltage and current of Scott transformer[19]

式中：KM為M座變壓器變比，KM=W1/W2。從式(2)中可以看出，當(dāng)兩供電臂負(fù)載電流大小相等，相位相差90°時(shí)，原邊三相電流對(duì)稱(chēng)，消除了負(fù)序電流。對(duì)于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，從圖1中可以看出，兩套整流器直流環(huán)節(jié)并聯(lián)，只要采用相同結(jié)構(gòu)、控制策略及參數(shù)，即可獲得幅值相同的網(wǎng)側(cè)電流。同時(shí)，控制兩套整流器網(wǎng)側(cè)電流鎖定網(wǎng)側(cè)電壓，使網(wǎng)側(cè)電流相位相差90°，即可消除負(fù)序電流。

1.3 利用超級(jí)電容削峰填谷

電氣化鐵路負(fù)荷隨機(jī)性強(qiáng)，從文獻(xiàn)[19]中圖3可以看到，1 h牽引負(fù)荷功率在-15～60 MW，呈現(xiàn)出劇烈波動(dòng)的特性。輕載時(shí)，牽引負(fù)荷從電網(wǎng)吸收功率較小；重載時(shí)，牽引負(fù)荷從電網(wǎng)吸收功率較大。因此運(yùn)行中，會(huì)造成電網(wǎng)輸出功率頻繁波動(dòng)，在電網(wǎng)供電相對(duì)薄弱的地區(qū)會(huì)影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。超級(jí)電容功率密度高，充放電性能好、時(shí)間短，能夠響應(yīng)短時(shí)大功率機(jī)車(chē)的隨機(jī)波動(dòng)。在直流環(huán)節(jié)并聯(lián)超級(jí)電容裝置，在輕載時(shí)，工作于充電狀態(tài)，在重載工況下，工作于放電狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)能量的循環(huán)利用以及削峰填谷，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)功率的平穩(wěn)輸出。同時(shí)，降低供電系統(tǒng)對(duì)設(shè)備容量要求，進(jìn)而減少最大需量電費(fèi)或牽引變壓器容量電費(fèi)，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。

2 儲(chǔ)能式交直交牽引供電系統(tǒng)控制策略

2.1 整體控制方案

系統(tǒng)控制方案包括交直交系統(tǒng)的控制和儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制。交直交系統(tǒng)包括連接于Scott變壓器副邊繞組的兩個(gè)PWM整流器和輸出側(cè)逆變器。PWM整流器選用直流電壓外環(huán)、網(wǎng)側(cè)電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略，在穩(wěn)定直流環(huán)節(jié)電壓的同時(shí)解決電氣化鐵路無(wú)功、諧波和負(fù)序等電能質(zhì)量問(wèn)題。輸出側(cè)逆變器控制輸出電壓的幅值和相位，為牽引負(fù)荷供電，同時(shí)取消分相區(qū)，實(shí)現(xiàn)牽引網(wǎng)全線貫通。在儲(chǔ)能系統(tǒng)中，設(shè)定充電和放電閾值，通過(guò)控制DC/DC變換器，實(shí)現(xiàn)充放電，緩解電網(wǎng)輸出功率的波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)削峰填谷。控制系統(tǒng)的整體框架如圖4所示。

圖4 儲(chǔ)能式交直交牽引供電系統(tǒng)整體控制框架圖Fig.4 The integral control framework of energy storage-based AC/DC/AC traction power supply system

2.2 交直交系統(tǒng)控制策略

2.2.1 輸入側(cè)PWM整流器控制策略

輸入側(cè)PWM整流器在保證穩(wěn)定能量傳輸?shù)耐瑫r(shí)治理電能質(zhì)量，控制目標(biāo)為：①穩(wěn)定的直流電壓；②平衡的網(wǎng)側(cè)三相電流；③高功率因數(shù)運(yùn)行；④低諧波含量。根據(jù)控制目標(biāo)，其控制策略主要包括兩部分：直流電壓控制和網(wǎng)側(cè)電流控制。因而，可采用直流電壓外環(huán)，網(wǎng)側(cè)電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略；采用載波移相正弦脈寬調(diào)制(carrier-phase-shift sinusoidal pulse width modulation， CPS-SPWM)，降低網(wǎng)側(cè)諧波含量，控制框圖如圖5所示。

1)直流電壓控制

整流器控制直流環(huán)節(jié)電壓跟蹤參考值，以實(shí)現(xiàn)能量的可靠傳輸。通過(guò)采集系統(tǒng)獲取直流電壓瞬時(shí)值，其與直流電壓參考值的差值送入比例積分(proportional integral，PI) 控制器來(lái)控制直流電壓。

直流電壓控制環(huán)節(jié)采用PI控制器，傳遞函數(shù)為

(3)

式(3)中：KP、KI分別為比例積分控制器的比例系數(shù)、積分系數(shù)；s為阻尼比。

由式(3)可得其幅值增益為

(4)

式(4)中：ω為系統(tǒng)頻率。當(dāng)ω=0時(shí)，API=∞，PI控制器可以實(shí)現(xiàn)直流量的無(wú)靜差跟蹤。

單相PWM整流器在能量傳輸過(guò)程中，直流環(huán)節(jié)存在二倍頻脈動(dòng)。使用低通濾波器來(lái)減小直流電壓中的二倍頻分量，其截止頻率應(yīng)低于100 Hz。然而，過(guò)低的截止頻率則會(huì)降低系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。通常情況下，截止頻率應(yīng)不低于50 Hz。采用巴特沃斯二階低通濾波器，傳遞函數(shù)為

(5)

式(5)中：ζ=0.707；ω0為截止頻率。

2)網(wǎng)側(cè)電流控制

在網(wǎng)側(cè)電流控制環(huán)節(jié)中，PI控制器的輸出作為網(wǎng)側(cè)電流控制內(nèi)環(huán)的幅值參考。從1.2節(jié)分析可知，當(dāng)Scott變壓器兩供電臂負(fù)載電流大小相等，相位相差90°時(shí)，原邊三相電流對(duì)稱(chēng)。因此，采用鎖相環(huán)(phase-lock-loop， PLL)來(lái)鎖定Scott變壓器副邊繞

udcref、udc分別為直流電壓的參考值、瞬時(shí)值；uN、iN分別為網(wǎng)側(cè)電壓、電流；iNref、INref分別為網(wǎng)側(cè)電流的瞬時(shí)值、幅值；LPF為低通濾波模塊；PLL為鎖相環(huán)；PI為比例積分控制器；Q-PR為準(zhǔn)比例諧振控制器；CPS-SPWM為 載波相移正弦脈寬調(diào)制圖5 交直交系統(tǒng)PWM整流器控制策略Fig.5 The control strategy of PWM rectifier in AC-DC-AC system

組電壓的相位，實(shí)現(xiàn)副邊電流相位相差90°，消除負(fù)序電流，達(dá)到網(wǎng)側(cè)三相電流平衡。

網(wǎng)側(cè)電流控制環(huán)節(jié)采用準(zhǔn)比例諧振控制器(quasi-proportional resonance， Q-PR)，因?yàn)槠淇梢詫?shí)現(xiàn)交流量的無(wú)靜差控制。表達(dá)式為

(6)

式(6)中：KP為比例系數(shù)；ω0和Kr分別為目標(biāo)諧振頻率和諧振增益；ωc為截止頻率。Q-PR控制器是由PR控制器演化過(guò)來(lái)的，PR控制器的表達(dá)式為

由式(6)可得其幅值增益為

(7)

當(dāng)ω=ω0時(shí)，APR=∞。理論上，PR控制器可以實(shí)現(xiàn)交流量的無(wú)靜差跟蹤。然而，PR控制器在目標(biāo)頻率處帶寬太窄，對(duì)頻率波動(dòng)太敏感，魯棒性差。因此，加入了參數(shù)ωc，增加了目標(biāo)頻率處的帶寬，當(dāng)頻率出現(xiàn)微小波動(dòng)時(shí)，仍可保持較大增益，且降低了實(shí)現(xiàn)難度。假設(shè)電網(wǎng)頻率最大波動(dòng)為0.8 Hz，則ωc=2×0.8×π=5，ω0=100π。

網(wǎng)側(cè)電流控制環(huán)節(jié)的輸出與網(wǎng)側(cè)電壓的差值作為調(diào)制波，基于輸入側(cè)采用多重化結(jié)構(gòu)，采用CPS-SPWM調(diào)制策略輸出開(kāi)關(guān)器件的脈沖。

2.2.2 輸出側(cè)逆變器控制策略

逆變側(cè)的任務(wù)是取消分相區(qū)，同時(shí)為牽引負(fù)荷提供穩(wěn)定的電壓，外特性需表現(xiàn)為電壓源。因此，需要控制輸出電壓。針對(duì)非線性負(fù)載，采用電壓有效值外環(huán)，瞬時(shí)值內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制策略，控制輸出電壓的幅值和相位，實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。控制框圖如圖6所示。

在輸出電壓有效值環(huán)中，將輸出電壓濾波后求取有效值，和有效值參考值進(jìn)行比較，差值送入PI控制器。PI控制器輸出作為輸出電壓瞬時(shí)值環(huán)的幅值給定，乘以鎖相環(huán)后作為輸出電壓瞬時(shí)值環(huán)參考值，與濾波后的輸出電壓進(jìn)行比較，差值進(jìn)入準(zhǔn)比例諧振控制器，得到調(diào)制波。同樣，由于輸出側(cè)采用級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，采用CPS-SPWM調(diào)制策略獲得開(kāi)關(guān)器件的觸發(fā)脈沖。逆變側(cè)控制中，由控制系統(tǒng)給定有效值參考值和相位信息。

分別為逆變器輸出電壓有效值參考值、實(shí)際值；uout為 逆變器輸出電壓圖6 交直交系統(tǒng)逆變器控制策略Fig.6 The control strategy of inverter in AC-DC-AC system

2.3 儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略

儲(chǔ)能系統(tǒng)中，超級(jí)電容作為儲(chǔ)能裝置，通過(guò)Buck/Boost變換器連接至直流母線進(jìn)行充放電。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖7所示。

假定儲(chǔ)能放電為正方向，充電為負(fù)方向。儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略如圖8所示。在圖8中，用儲(chǔ)能功率參考值Pref除以超級(jí)電容電壓端Usc得出儲(chǔ)能充放電電流的參考值Iscref，與儲(chǔ)能充放電實(shí)際電流Isc作差送入PI控制器，進(jìn)行調(diào)制得出開(kāi)關(guān)器件的脈沖。

超級(jí)電容的充放電控制是以負(fù)荷功率為依據(jù)進(jìn)行的。根據(jù)系統(tǒng)容量和牽引負(fù)荷設(shè)置充電閾值Pmin和放電閾值Pmax，以及儲(chǔ)能裝置充電最大值Pcmax和放電最大值Pdmax。并且考慮超級(jí)電容的荷電狀態(tài)(state of charge， SOC)，當(dāng)SOC處于正常范圍內(nèi)可以充放電，否則儲(chǔ)能待機(jī)。當(dāng)牽引負(fù)荷小于Pmin時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電，儲(chǔ)存電能，充電參考值為負(fù)載功率與充電閾值的差值和充電最大值兩者的最大值；當(dāng)牽引負(fù)荷大于Pmax時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行放電，補(bǔ)償負(fù)荷功率，放電參考值為負(fù)載功率與放電閾值的差值和放電最大值兩者的最小值，使電網(wǎng)輸出功率穩(wěn)定在一個(gè)平穩(wěn)的區(qū)間，實(shí)現(xiàn)削峰填谷。儲(chǔ)能系統(tǒng)控制流程圖如圖9所示。

Csc為超級(jí)電容器等效電容；R為等效內(nèi)阻；Usc為超級(jí)電容端電壓； Udc為直流母線電壓；T1、T2為雙向變換器；L為調(diào)相電感圖7 儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)鋱DFig.7 The topology diagram of energy storage system

圖8 儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略Fig.8 The control strategy of energy storage system

圖9 儲(chǔ)能系統(tǒng)控制流程圖Fig.9 The control flow chart of energy storage system

3 仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證本方案的可行性與有效性，在MATLAB/Simulink中搭建了仿真模型。采用Scott牽引變壓器，原邊電壓110 kV，副邊電壓27.5 kV，整流器網(wǎng)側(cè)電壓950 V，直流環(huán)節(jié)電壓1 900 V，逆變器輸出電壓27.5 kV，超級(jí)電容初始SOC設(shè)置為80%。設(shè)置充電閾值為8 MW，放電閾值9 MW，放電和充電功率最大值為10 MW。0.2 s投入牽引負(fù)荷，1 s牽引負(fù)荷由8 MW增加為12 MW，2 s由12 MW減小為8 MW，3 s由8 MW減小為4 MW，4 s由4 MW增加為8 MW，仿真時(shí)間為5 s。

圖10所示為牽引負(fù)荷處于輕載、重載工況下，儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)充、放電控制，實(shí)現(xiàn)牽引負(fù)荷削峰填谷，從而達(dá)到穩(wěn)定網(wǎng)側(cè)輸出功率的效果。如圖10(a)所示，1 s時(shí)，牽引負(fù)荷功率增大，大于放電閾值，儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行放電。3 s時(shí)，牽引負(fù)荷功率減小，小于充電閾值，儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行充電。如圖10(b)所示，超級(jí)電容的充放電能夠適應(yīng)并跟隨負(fù)荷功率的變化，充放電功率滿足控制要求。如圖10(c)所示，在不加入儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，電網(wǎng)輸出功率在4～12 MW波動(dòng)，加入儲(chǔ)能系統(tǒng)后，通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電，電網(wǎng)輸出功率穩(wěn)定在8～9 MW。負(fù)載功率突變時(shí)，利用儲(chǔ)能裝置可以緩沖負(fù)荷功率快速波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的能量沖擊。加入儲(chǔ)能后，沒(méi)有明顯的負(fù)荷波峰、波谷，電網(wǎng)出力相對(duì)均衡。

圖10 儲(chǔ)能系統(tǒng)仿真波形Fig.10 The simulation waveforms of energy storage system

圖11(a)為系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)三相電流波形圖，圖11(b)為網(wǎng)側(cè)A相的電網(wǎng)電壓、電流波形圖，圖11(c)、圖11(d)為輸出側(cè)電壓波形圖，為了便于顯示，將圖11(b)中網(wǎng)側(cè)電壓幅值縮小為原值的0.5倍，網(wǎng)側(cè)電流幅值擴(kuò)大為原值的100倍。可以看出，網(wǎng)側(cè)三相電流對(duì)稱(chēng)，即消除負(fù)序分量；電流能夠鎖定電壓相位，實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)運(yùn)行；且三相電流波形正弦度較好，諧波含量小，可以綜合解決無(wú)功、諧波和負(fù)序問(wèn)題。輸出端電壓呈現(xiàn)階梯波，有效值穩(wěn)定在27.5 kV，正弦度好，可為負(fù)載提供良好的電能。直流電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)能夠穩(wěn)定在1 900 V，保證了能量的可靠傳輸。

對(duì)比文獻(xiàn)[11-17]中的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，該系統(tǒng)達(dá)到了同等的電能質(zhì)量治理效果，消除了負(fù)序、諧波、無(wú)功對(duì)電網(wǎng)的影響，能夠提供給機(jī)車(chē)可靠的電能，且具有取消分相區(qū)的能力。此外，該系統(tǒng)在直流母線上并聯(lián)了超級(jí)電容裝置，通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電，在牽引負(fù)荷功率頻繁波動(dòng)時(shí)，電網(wǎng)側(cè)輸出功率在穩(wěn)態(tài)時(shí)始終可穩(wěn)定在閾值范圍內(nèi)，很好地緩解了牽引負(fù)荷的功率波動(dòng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊。

圖11 系統(tǒng)輸入輸出仿真波形Fig.11 The simulation waveforms of the input and output

4 結(jié)論

提出一種基于超級(jí)電容儲(chǔ)能的多端口交直交牽引供電系統(tǒng)及控制策略，該系統(tǒng)相比于已有的貫通式同相供電系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)更加靈活，控制相對(duì)簡(jiǎn)單。在MATLAB/Simulink中進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，得到以下結(jié)論。

(1)所提出的多端口交直交變流器的拓?fù)洌脙膳_(tái)單相整流器分別與牽引變壓器二次側(cè)相連，相比三相-單相交直交變流器，其結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠性更高、功率元件的容量更小。在直流母線處并聯(lián)，通過(guò)一個(gè)逆變端口與牽引網(wǎng)相連，在牽引網(wǎng)側(cè)不會(huì)產(chǎn)生環(huán)流。形成公共直流端口，便于儲(chǔ)能系統(tǒng)接入，靈活性也有所增強(qiáng)。

(2) 該系統(tǒng)可以確保電網(wǎng)側(cè)三相電流對(duì)稱(chēng)且波形正弦度良好，消除負(fù)序影響，降低諧波含量；電網(wǎng)側(cè)電流鎖定電壓相位，實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)運(yùn)行；控制輸出電壓同幅值、同相位。綜上，該系統(tǒng)在有效治理電能質(zhì)量問(wèn)題的同時(shí)，具有取消分相區(qū)的能力，實(shí)現(xiàn)全線貫通。

(3) 此外，引出了公共直流母線，在母線上并聯(lián)超級(jí)電容，可以平抑電網(wǎng)的輸出功率波動(dòng)，降低了牽引負(fù)荷的功率波動(dòng)對(duì)功率器件的沖擊，使電網(wǎng)的出力更加均衡，有利于電網(wǎng)削峰填谷。