24kV柔性直流鐵路牽引供電系統(tǒng)的分層控制對策

中鐵三局集團(tuán)電務(wù)工程有限公司 郭思紅

關(guān)鍵字：供電系統(tǒng)；分層控制；鐵路牽引；24kV柔性直流

鐵路使用工頻單相交流供電模式，牽引變電所出口、分區(qū)均處于電分相的情況，該情況下導(dǎo)致機(jī)車速度減緩等一系列問題。隨著電力技術(shù)的發(fā)展，依托模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter，MMC）的24kV直流牽引供電系統(tǒng)受到更多的研究，其具有取消電分相、治理電能質(zhì)量等優(yōu)點受到更多學(xué)者的關(guān)注。這種新型的供電系統(tǒng)機(jī)車負(fù)荷可借助貫通牽引網(wǎng)絡(luò)自任意牽引變電所獲得電能。這種狀態(tài)下，如何更好地協(xié)調(diào)不同并聯(lián)狀態(tài)下的牽引變電所，確保電網(wǎng)的穩(wěn)定性，成為24kV直流鐵路牽引供電系統(tǒng)正常運行的關(guān)鍵。

1 柔性直流輸電結(jié)構(gòu)

柔性直流輸電技術(shù)是采用電壓源換流器、脈寬調(diào)制等為基礎(chǔ)一種新型的直流輸電技術(shù)。開展遠(yuǎn)距離、大功率輸電時，直流輸電未受到同步運行穩(wěn)定方面的制約，從而確保兩端電網(wǎng)可以穩(wěn)定地運行[1]。處于長距離的交流輸電系統(tǒng)內(nèi)，傳輸線路存在較大的感抗，甚至明顯大于線路電路。即線路越大，電抗更大，線路產(chǎn)生的電能損失更大。此外，鐵路牽引供電系統(tǒng)想要維持穩(wěn)定性比較困難，這種情況下會限制交流輸電技術(shù)的發(fā)展。對直流輸電系統(tǒng)而言，輸電線路相當(dāng)于僅有電阻，無電抗?；诖?，并不存在以上穩(wěn)定性方面的問題，表明直流輸電技術(shù)在長距離輸電上具有獨特的優(yōu)勢。柔性直流輸電過程中如果發(fā)生潮流反轉(zhuǎn)，其技術(shù)優(yōu)勢能確保電壓的極性不變，方便組成多段直流系統(tǒng)，對于多個頻率各系統(tǒng)直接互聯(lián)發(fā)揮著重要的作用。

柔性直流輸電設(shè)備包含換流變壓器、交流濾波器等。其中，直流電容器其電容直接影響抑制直流電壓波動情況，發(fā)揮著穩(wěn)定直流側(cè)電壓的效果。直流電容器是一個重要的儲能元件，其能夠緩沖橋臂開斷條件下的沖擊電流，避免直流側(cè)電壓發(fā)生較大的波動，對電壓電流發(fā)揮相應(yīng)的濾波效果。換流電抗器作為換流站不可缺少的一部分，其容量直接影響換流站的換流情況?；诖?，必須謹(jǐn)慎選擇。電抗器主要功能在于限制短路電流，也能對系統(tǒng)內(nèi)諧波分量進(jìn)行濾除，從而得到良好的電壓電流波形，確保獲得理想的效果[2]。

交流濾波器旨在有效濾除電壓內(nèi)的高次諧波，從而得到理想波形,交流濾波器容量根據(jù)實際情況進(jìn)行確定。換流變壓器除選取常規(guī)的變壓器，為確保變壓器內(nèi)不包含諧波分量，變壓器連接使用一次側(cè)繞組星形接線法，未涉及三次諧波磁通回路[3]。二次側(cè)繞組使用三角形接線法，電流處于三角形繞組中組成環(huán)流，確保輸出電流不包括諧波及直流電流分量，實現(xiàn)系統(tǒng)間的電氣隔離。

2 離散時間動態(tài)一致性算法

這種算法依托本地牽引變電所與周圍牽引變電站之間進(jìn)行信息交互，及時更新其狀態(tài)變量，順利實現(xiàn)不同變電所狀態(tài)變量收斂得到相應(yīng)的共同值。處于動態(tài)條件下，這種算法可以得到準(zhǔn)確的收斂值。本文使用的離散時間動態(tài)一致性算法表達(dá)式如下：

上式中，ε代表調(diào)整系數(shù)；不同牽引變電所狀態(tài)變量經(jīng)過收斂獲得共同值與zi存在密切的關(guān)系，無論zi如何改變，一致性算法經(jīng)過處理得到相應(yīng)的平均值：

這種算法內(nèi)每一個牽引變電所通過遙信相通的兩牽引變電所獲得的輸出電壓及功率標(biāo)幺值，就能獲取系統(tǒng)全部牽引變電所輸出電壓及其功率標(biāo)幺值平均數(shù)，從而減少通信所用成本。

離散時間動態(tài)一致性算法輸入信息為變電所輸出電壓或功率標(biāo)幺值的初始狀態(tài)，輸出則是這兩個數(shù)值的第k次迭代。累積偏差作為一個狀態(tài)變量，用δij（k）表示。針對這種情況，獲得這種算法下輸出電壓的狀態(tài)空間方程：

同理，能夠獲得輸出功率標(biāo)幺值的狀態(tài)空間方程。對控制系統(tǒng)與相應(yīng)的狀態(tài)空間模型進(jìn)行整合處理，得到：

分析上述模型可知，鐵路牽引供電系統(tǒng)內(nèi)牽引變電所數(shù)量發(fā)生改變，整合處理獲取的狀態(tài)空間模型及矩陣Gdis會隨之發(fā)生改變，這些狀態(tài)空間模型滿足不同數(shù)量變電所并聯(lián)運行的實際需求。

3 牽引供電系統(tǒng)分層控制

柔性直流鐵路牽引供電系統(tǒng)控制環(huán)節(jié)包含不同類型的控制器，其中外環(huán)功率控制器包含有功、無功功率控制器、交流電壓控制器等。為滿足不同牽引變電所依據(jù)其額定容量，按照比例分擔(dān)負(fù)荷功率的目標(biāo)，文中依托離散時間動態(tài)一致性算法實施分層控制，其結(jié)構(gòu)見圖1。uabc、iabc依次表示變壓器降壓處理后所輸出三相交流電壓、電流；udc、P分別代表牽引變電所輸出電壓、功率。從牽引變電所視角分析，其控制策略如下：一是下垂、雙閉環(huán)控制。這種控制方法通過電壓及功率調(diào)節(jié)器獲得電壓補(bǔ)償項，便于對輸出電壓參考數(shù)值予以修正處理：

使用下垂控制策略，牽引變電所輸出的電壓計算公式為：

上式中，udci取值；Rdi代表變電所i相應(yīng)的下垂系數(shù)。

二是電壓及功率調(diào)節(jié)器控制。離散時間動態(tài)一致性算法能獲得輸出電壓及功率的平均值，主要功能在于獲取輸出電壓及其偏差的補(bǔ)償項。其中，功率調(diào)節(jié)器把輸出的功率標(biāo)幺值平均數(shù)與本地的變電所額定容量成績及功率差值輸入到PI控制器內(nèi)，獲得輸出電壓功率補(bǔ)償ΔU1，其公式如下：

上述式子中，SNi、Pi依次代表牽引變電所i輸出功率、額定容量；代表根據(jù)文中所用一致性算法獲取各牽變電所輸出功率標(biāo)幺值相應(yīng)的平均數(shù)；kpsp、kisp。分別表示功率調(diào)節(jié)器相應(yīng)的比例、積分系數(shù)。

電壓調(diào)節(jié)器把變電所輸出的電壓額定值與一致性算法獲取電壓平均數(shù)之間的差值輸入IP控制器中，獲得電壓偏差補(bǔ)償項ΔU2：

上式中，kpsv、kisv依次代表電壓調(diào)節(jié)器比例及積分系數(shù)；是根據(jù)算法獲取系統(tǒng)內(nèi)各牽引變電所輸出電壓相應(yīng)的平均數(shù)；U＊表示變電所處于空載條件下直流側(cè)電壓提供的參考值。

離散時間動態(tài)一致性算法所需信息通過低寬帶通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸，除了首尾牽引變電所之外，其他支持與相鄰兩個牽引變電所之間進(jìn)行通信，進(jìn)而組成環(huán)形通信網(wǎng)絡(luò)。如果某一個牽引變電所由于故障無法運行或者任意兩個牽引變電所之間通信存在故障，控制系統(tǒng)內(nèi)的所用算法可依據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)傳遞信息，便于獲取準(zhǔn)確地平均值。這種做法有利于改善集中通信可靠性不高的情況，但出現(xiàn)通信故障引起供電系統(tǒng)崩潰的弊端。

4 仿真分析

為進(jìn)一步檢驗文中提及分層控制策略的效果，依托Matlab/Simulink搭建相應(yīng)的仿真系統(tǒng)，其包含4個牽引變電所，這些變電所均處于并聯(lián)運行狀態(tài)，每一個變電所包含降壓變壓器及電平半橋型MMC構(gòu)成。機(jī)車使用與牽引變電所相似的結(jié)構(gòu)，其直流側(cè)連接牽引網(wǎng)，通過定功率進(jìn)行控制。如果機(jī)車處于牽引工況條件下，MMC運行于逆變狀態(tài)，自牽引網(wǎng)得到電能，功率是8MW。如果機(jī)車處在再生制動狀態(tài)下，MMC工作時會向牽引網(wǎng)注入相應(yīng)的電能，其功率是3MW。系統(tǒng)電壓環(huán)比例、積分系數(shù)依次為0.9kpv、53.25kiv，下垂系數(shù)為8Rd/10-5，電壓調(diào)節(jié)器比例、積分系數(shù)分別為0.4kpsv、3.8kisv，電流環(huán)積分系數(shù)為75kii，比例系數(shù)是3kpi。系統(tǒng)設(shè)定參數(shù)見表1。

表1 系統(tǒng)各項參數(shù)

4.1 負(fù)荷移動及發(fā)生突變

根據(jù)牽引負(fù)荷發(fā)生移動及突變，查看牽引變電所輸出電壓及功率情況。仿真開始時期，機(jī)車根據(jù)圖2所示連接系統(tǒng)。開展仿真工作時，機(jī)車負(fù)荷以1h/300km速度向右移動，這一環(huán)節(jié)機(jī)車與牽引變電所之間的線路阻抗增減進(jìn)行模擬。研究結(jié)果表明，如果負(fù)荷發(fā)生突變，不同牽引變電所輸出電壓能夠快速穩(wěn)定在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)，且負(fù)荷出現(xiàn)異動，其輸出電壓依然處于穩(wěn)定狀態(tài)。加之，因鐵路牽引供電系統(tǒng)內(nèi)部功率流動，使得不同牽引變電所輸出電壓有所差異，但采用離散時間動態(tài)一致性算法獲取的輸出電壓平均值穩(wěn)定于額定電壓之內(nèi)。當(dāng)負(fù)荷發(fā)生改變，系統(tǒng)能夠迅速實現(xiàn)功率分配。負(fù)荷處于變化的狀態(tài)，所用算法能快速獲取牽引變電所輸出功率的平均數(shù)值。

4.2 變電所發(fā)生故障

對鐵路牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究時，1.2s條件下TSS#2發(fā)生故障，斷開與其他變電所之間的通信，2.5s條件下TSS#2故障修復(fù)，且能夠恢復(fù)通信狀況。仿真結(jié)果如圖3所示。根據(jù)圖3（a），如果TSS#2發(fā)生故障需要退出運行，與之對應(yīng)的輸出電壓、功率均是0。其他變電所輸出電壓出現(xiàn)突變但能快速保持穩(wěn)定的狀態(tài)，并增加輸出功率為牽引負(fù)荷實現(xiàn)供電。當(dāng)系統(tǒng)故障修復(fù)完成，各牽拉變電所均能及時恢復(fù)到正常狀態(tài)。分析圖3（b）可知，如果存在故障的變電所難以與其他正常的變電所相通信，處于正常狀態(tài)下的牽引變電所控制系統(tǒng)中所用離散時間動態(tài)一致性算法依然能獲得正確均值，促使鐵路牽引供電系統(tǒng)維持在穩(wěn)定的狀態(tài)。

4.3 再生制動分析

對系統(tǒng)進(jìn)行仿真工作時，需要將機(jī)車再生制動情況考慮在內(nèi)，1.1s、2s條件下2號機(jī)車分別為牽引變?yōu)樵偕贫?、再生制動變成牽引狀態(tài)。仿真分析發(fā)現(xiàn)，處于再生制動條件下，不同的牽引變電所可以輸出較為穩(wěn)定的直流電壓，根據(jù)比例分擔(dān)相應(yīng)的負(fù)荷功率。

5 結(jié)論

綜上所述，隨著國內(nèi)高速鐵路的發(fā)展，慢慢成為擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的重要技術(shù)，鐵路供電技術(shù)是主要的一環(huán)，必須高效率利用各項資源。根據(jù)24kV直流牽引供電系統(tǒng)并聯(lián)運行狀態(tài)下的協(xié)調(diào)控制問題，提出依托離散時間動態(tài)一致性算法實施分層控制的研究。本文所用分層控制策略運用系統(tǒng)各牽引變電所容量，有利于提升變電所容量利用率及協(xié)調(diào)過負(fù)載能力，對沖擊性牽引負(fù)荷展現(xiàn)出良好的適應(yīng)性。在未來工作中，研究人員應(yīng)結(jié)合鐵路牽引供電系統(tǒng)特點，開展深入的研究，促使柔性直流輸電技術(shù)得到推廣使用。