熊成林,馮曉云,馬俊鵬
(西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院,四川 成都 610031)
傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)的供電方式會(huì)使相鄰供電臂之間存在分相絕緣,即電分相[1-2]。電分相不僅導(dǎo)致列車速度的損失,而且增大爬坡難度,增加車網(wǎng)系統(tǒng)的復(fù)雜程度,降低車網(wǎng)系統(tǒng)的可靠性,還會(huì)產(chǎn)生暫態(tài)過程引起車網(wǎng)故障[3]。針對(duì)牽引供電系統(tǒng),有學(xué)者研究了基于有源功率補(bǔ)償?shù)耐喙╇娤到y(tǒng),實(shí)現(xiàn)了牽引變壓器電流平衡、無功補(bǔ)償和負(fù)載諧波濾除,該系統(tǒng)可以取消同一個(gè)供電所內(nèi)部的電分相[4-7];還有學(xué)者進(jìn)一步提出了高級(jí)同相供電系統(tǒng),利用三相—單相變流器構(gòu)建貫通式牽引供電系統(tǒng)[8]。針對(duì)存在的電分相,相關(guān)學(xué)者研究了關(guān)節(jié)式電分相中性段上存在感應(yīng)電壓[9]、電力機(jī)車通過關(guān)節(jié)式電分相產(chǎn)生過電壓的原因并提出了有效的解決方案[10],以及列車通過地面過電分相裝置的暫態(tài)過程[11],還有學(xué)者提出了無斷電過電分相方案[12]。但這些研究存在系統(tǒng)復(fù)雜、供電電源切換及相位切換時(shí)存在功率沖擊等問題。
本文在無斷電過電分相方案的基礎(chǔ)上,提出了采用級(jí)聯(lián)H橋多電平變流器[13]的地面過電分相系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱級(jí)聯(lián)H橋過電分相系統(tǒng)),采用功率前饋直接功率控制(DPC)算法[14]的級(jí)聯(lián)H橋多電平變流器為中性段供電并實(shí)現(xiàn)供電臂與中性段的可控切換,采用二階廣義積分器—鎖相環(huán)[15]在中性段實(shí)現(xiàn)相鄰供電臂電壓和相位的迅速切換,并進(jìn)行仿真驗(yàn)證。
圖1 列車通過級(jí)聯(lián)H橋過電分相系統(tǒng)示意圖
圖2為級(jí)聯(lián)H橋多電平變流器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖中:CON為三相PWM變流器(Converter);HB為H橋(H-Bridge)模塊;n為級(jí)聯(lián)單元的總個(gè)數(shù);ua,ub和uc為三相PWM整流器的輸入電壓;Uc為每個(gè)子模塊的直流側(cè)電壓;R和L分別為變流器輸出的等效電阻和等效電感;u為牽引接觸網(wǎng)電壓;uab和i分別為級(jí)聯(lián)H橋多電平變流器的輸出電壓和輸出電流。
圖2 級(jí)聯(lián)H橋多電平變流器
由圖2可以看出:三相多繞組變壓器為CON提供三相交流電源,CON將三相交流電變成直流電后為HB供電,因此通過級(jí)聯(lián)H橋多電平變流器可逆變得到單相交流電。
級(jí)聯(lián)H橋過電分相系統(tǒng)工作原理:利用級(jí)聯(lián)H橋多電平變流器輸出幅值、頻率可調(diào)的電壓,實(shí)現(xiàn)電力機(jī)車所需功率在牽引供電臂與變流器之間的可控流動(dòng),達(dá)到功率的無沖擊切換;同時(shí)實(shí)現(xiàn)電力機(jī)車在中性段運(yùn)行時(shí)中性段電壓的幅值和相位在接觸網(wǎng)相鄰兩供電臂間電壓間柔性切換。
以電力機(jī)車(或動(dòng)車組)從供電臂A向供電臂B運(yùn)行為例,其通過新型地面過電分相系統(tǒng)的工作過程如下。
(1)電力機(jī)車到達(dá)CG1處時(shí),按照并網(wǎng)逆變器的控制要求控制變流器的輸出,使其處于預(yù)并網(wǎng)狀態(tài),輸出的有功功率及無功功率均為零。
(2)當(dāng)電力機(jī)車運(yùn)行至中性段端部、且受電弓與供電臂A及中性段同時(shí)接觸時(shí),變流器與供電臂A并聯(lián)并同時(shí)為電力機(jī)車供電,逐漸增大變流器輸出的有功功率和無功功率,最終使逆變器輸出的功率能夠獨(dú)立滿足電力機(jī)車的需要。
(3)電力機(jī)車運(yùn)行至CG2時(shí),完全進(jìn)入中性段,此時(shí)受電弓單獨(dú)與中性段接觸,電力機(jī)車的功率完全由中性段提供,同時(shí)調(diào)整級(jí)聯(lián)H橋多電平變流器輸出電壓的幅值和相位,實(shí)現(xiàn)中性段與供電臂B的預(yù)并聯(lián)。
(4)電力機(jī)車?yán)^續(xù)運(yùn)行,當(dāng)受電弓與供電臂B及中性段同時(shí)接觸時(shí),變流器與供電臂B并聯(lián)并同時(shí)為電力機(jī)車供電,此時(shí)控制變流器的輸出功率,從電力機(jī)車所需功率逐漸降至零,完成功率的二次調(diào)整。
(5)電力機(jī)車?yán)^續(xù)運(yùn)行,當(dāng)受電弓脫離中性段后,自動(dòng)轉(zhuǎn)入供電臂B單獨(dú)供電,完成過電分相過程,級(jí)聯(lián)H橋過電分相系統(tǒng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。
從上述工作過程可見,對(duì)于級(jí)聯(lián)H橋過電分相系統(tǒng)而言,其控制的核心是變流器功率的控制、相鄰兩供電臂間供電電壓幅值和相位的調(diào)整。通過對(duì)變流器功率的控制,可以實(shí)現(xiàn)電力機(jī)車功率在接觸網(wǎng)供電臂和中性段之間的可控轉(zhuǎn)移,從根本上避免電壓/電流的沖擊;為此,本文采用功率前饋DPC算法來實(shí)現(xiàn)。通過對(duì)相鄰兩供電臂間供電電壓幅值及相位的調(diào)整,可以實(shí)現(xiàn)相鄰兩供電臂間供電電壓和相位的柔性切換,從而避免供電臂電壓幅值、相位跳變帶來的沖擊;為此,可以采用基于二階廣義積分器—鎖相環(huán)的電壓重構(gòu)方法來實(shí)現(xiàn)。
設(shè)ω為牽引供電臂電壓的基波角頻率,t為系統(tǒng)時(shí)間,um和im分別為網(wǎng)側(cè)電壓和電流的基波幅值,φ為um與im的夾角,則網(wǎng)側(cè)電壓和電流的基波分量u和i分別為
u=umsin(ωt)
(1)
i=imsin(ωt+φ)
=idsin(ωt)+iqcos(ωt)
(2)
式中:id和iq分別為dq坐標(biāo)系下電流i的d軸分量和q軸分量。
設(shè)級(jí)聯(lián)H橋多電平變流器輸出端電壓的基波幅值為uabm,與接觸網(wǎng)電源電壓的夾角為φab,則uab為
uab=uabmsin(ωt+φab)
=uabdsin(ωt)+uabqcos(ωt)
(3)
其中,
式中:uabd和uabq分別為dq坐標(biāo)系下電壓uab的d軸分量和q軸分量。
根據(jù)基爾霍夫電壓定律可得
(4)
將式(1)和式(2)代入式(4)中,可得級(jí)聯(lián)H橋多電平變流器在dq坐標(biāo)系下的數(shù)學(xué)模型為
(5)
根據(jù)有功功率和無功功率的定義可得
(6)
式中:P和Q分別為級(jí)聯(lián)H橋多電平變流器輸出的有功功率和無功功率。
則由式(2)和式(6)可得
(7)
對(duì)網(wǎng)側(cè)電流信號(hào)提取dq坐標(biāo)系下的坐標(biāo)分量,并由式(2)可得
isin(ωt)=idsin2(ωt)+iqcos(ωt)sin(ωt)
=0.5id+0.5[iqsin(2ωt)-
idcos(2ωt)]
(8)
icos(ωt)=idsin(ωt)cos(ωt)+iqcos2(ωt)
=0.5iq+0.5[iqcos(2ωt)+
idsin(2ωt)]
(9)
將式(8)和式(9)處理過的信號(hào)通過陷波器濾波或者低通濾波,即可得到dq坐標(biāo)系下的坐標(biāo)分量。
由式(5)和式(7)可得
(10)
用PI控制器控制功率微分量,則由式(10)可得級(jí)聯(lián)H橋變流器的控制算法為
(11)
式中:KPp和KPi分別為有功PI控制器的比例和積分系數(shù);KQp和KQi分別為無功PI控制器的比例和積分系數(shù)。
圖3給出了單相級(jí)聯(lián)H橋多電平并網(wǎng)逆變器直接功率算法控制框圖。圖中:uabα和uabβ分別為uabd和uabq在αβ坐標(biāo)系下的電壓分量;uabref為參考調(diào)制電壓。
圖3 級(jí)聯(lián)H橋多電平變流器直接功率算法控制框圖
圖4給出了級(jí)聯(lián)H橋多電平變流器與接觸網(wǎng)供電臂并聯(lián)為電力機(jī)車負(fù)載供電的等效電路。圖4中:uabm∠φc為級(jí)聯(lián)多電平變流器的輸出電壓,其幅值為uabm、夾角為φc;umLc∠φLc為變流器并聯(lián)端電壓,其幅值為umLc、夾角為φLc;uml∠φl(l=A或B)為牽引變電所降壓變壓器輸出端電壓,其幅值為uml、夾角為φl;umLl∠φLl為供電臂負(fù)載端電壓,其幅值為umLl、夾角為φLl;R1和Rl為線路的等效電阻;X1和Xl為線路的等效感抗;RL和XL為負(fù)載的等效電阻和等效感抗。
圖4 級(jí)聯(lián)H橋多電平變流器與接觸網(wǎng)并聯(lián)供電等效電路
級(jí)聯(lián)H橋過電分相系統(tǒng)通過控制由級(jí)聯(lián)H橋多電平變流器供電的中性段輸出功率,使電力機(jī)車的負(fù)載功率根據(jù)需要在接觸網(wǎng)供電臂與變流器之間進(jìn)行可控切換,在切換的過程中,電壓、電流保持連續(xù),不存在帶載的分?jǐn)噙^程,實(shí)現(xiàn)了功率切換的無沖擊。
目前,牽引接觸網(wǎng)都是將電力系統(tǒng)的三相電壓經(jīng)牽引變壓器后變?yōu)閮上嚯妷篣A和UB,分別接入α和β相牽引供電臂。對(duì)于不同接線方式的牽引變壓器,UA和UB之間的相位差可能是60°或者90°。因此,級(jí)聯(lián)H橋過電分相系統(tǒng)需要在列車運(yùn)行于中性段時(shí),實(shí)現(xiàn)變流器參考電壓的幅值和相位在相鄰兩橋臂間切換且切換時(shí)間要盡量短,頻率波動(dòng)要盡量小,以盡量減小對(duì)系統(tǒng)的不利影響。為此,本文提出了基于二階廣義積分器—鎖相環(huán)的電壓重構(gòu)方法。
圖5 SOGI-PLL結(jié)構(gòu)框圖
SOGI-QSG可以用如下狀態(tài)方程描述。
(12)
(13)
式中:x和y分別是SOGI-QSG的狀態(tài)變量和輸出變量。
對(duì)于給定的正弦輸入信號(hào)u,穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出變量為
(14)
式中:θ為電壓信號(hào)的實(shí)際相位。
在經(jīng)過αβ-dq旋轉(zhuǎn)變換后可以得到
ud=umsin(θ-θ′)
(15)
式中:θ′為輸入信號(hào)的估算相位。
對(duì)ud信號(hào)進(jìn)行處理,即可得到所需的相位及頻率信息。
由前文介紹可知,對(duì)于傳統(tǒng)接觸網(wǎng)電分相的兩端有
(16)
式中:fA和fB分別為供電臂A和B的電網(wǎng)電壓頻率。
可見,對(duì)于鎖相環(huán)而言,在供電臂A與B間切換時(shí),相當(dāng)于網(wǎng)壓存在1個(gè)相位跳變。另外,考慮供電臂A和B的工況不一樣,因此二者之間還會(huì)存在幅值差異。利用鎖相環(huán)調(diào)相,首先需要計(jì)算電網(wǎng)的峰值電壓,即
(17)
利用鎖相環(huán)的相位信息,重新合成輸入的參考電網(wǎng)電壓,即
(18)
這樣,當(dāng)電力機(jī)車在中性段運(yùn)行時(shí),根據(jù)需要將鎖相環(huán)的輸入電壓信號(hào)在供電臂A與B之間進(jìn)行切換,即可迅速完成相位的調(diào)整。
利用Matlab軟件搭建本文所述級(jí)聯(lián)H橋過電分相系統(tǒng),其中級(jí)聯(lián)H橋多電平變流器采用直接功率控制和最近電平逼近調(diào)制算法,并采用二階廣義積分器—鎖相環(huán)重構(gòu)電壓信號(hào)。主要仿真參數(shù)如下:供電臂A的電壓有效值為25 kV,額定頻率50 Hz;供電臂B的電壓有效值為26 kV,額定頻率50 Hz;供電臂A與B的相角差為90°;換流電抗器的電感為17.49 mh,線路等效電阻及電感等效電阻之和為2 Ω;電力機(jī)車負(fù)載采用車載牽引變壓器帶整流器負(fù)載,中間直流電壓Udc=2 800 V,等效額定有功功率為9 MW;變流器主電路采用級(jí)聯(lián)H橋多電平結(jié)構(gòu),由12個(gè)全橋子模塊串聯(lián)構(gòu)成,各模塊的直流側(cè)電壓為3 250 V。變流器控制算法中的各調(diào)節(jié)器參數(shù)設(shè)置如下:有功功率調(diào)節(jié)器,KPp=0.000 2,KPi=0.000 5;無功功率調(diào)節(jié)器,KQp=0.000 2,KQi=0.000 5。
高速動(dòng)車組以250 km·h-1速度通過分相區(qū),分相區(qū)總長(zhǎng)度為800 m,與供電臂A和B的并聯(lián)長(zhǎng)度各為300 m。系統(tǒng)工作過程如下:t=3 s時(shí),級(jí)聯(lián)多電平變流器投入工作與接觸網(wǎng)供電臂A并聯(lián)運(yùn)行;t=4 s時(shí),級(jí)聯(lián)多電平變流器給定的無功功率Q*、給定的有功功率P*由0 W階躍為電力機(jī)車的實(shí)時(shí)功率;t=6 s時(shí),切除A相供電臂,級(jí)聯(lián)多電平變流器單獨(dú)為負(fù)載供電;t=7 s時(shí),變流器的參考電源由A相切換為B相;t=8 s時(shí),投入供電臂B,二者并聯(lián)運(yùn)行;t=9 s時(shí),級(jí)聯(lián)多電平變流器給定功率由電力機(jī)車的實(shí)時(shí)功率階躍為0 W;t=11 s時(shí),切除級(jí)聯(lián)多電平變流器;在整個(gè)過程中功率變化的速率限制為10 MW·s-1。
圖6為高速動(dòng)車組通過級(jí)聯(lián)H橋過電分相系統(tǒng)的過程中中性段輸出的有功功率、無功功率和電流。由圖6可見:中性段的輸出功率可以按照給定的調(diào)節(jié),從而使電力機(jī)車的負(fù)載電流可以在供電臂與級(jí)聯(lián)多電平變流器之間可控切換,達(dá)到電力機(jī)車在電流很小的時(shí)候分?jǐn)?,從而避免?duì)車網(wǎng)系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊;但輸出的功率和電流在進(jìn)行調(diào)相時(shí),仍存在波動(dòng)。
圖6 中性段輸出的有功功率、無功功率和電流
圖7為牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的整流器中間直流電壓波形。由圖7可見:除了調(diào)相過程外直流電壓均能保持穩(wěn)定,調(diào)相過程中直流電壓最大跌落為600 V。
圖7 牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的整流器中間直流電壓
圖8為整個(gè)過程中級(jí)聯(lián)H橋多電平變流器輸出電壓的頻率。由圖8可見:級(jí)聯(lián)H橋多電平變流器在進(jìn)行調(diào)相時(shí)存在頻率波動(dòng),最大值為±0.23 Hz。
圖9為級(jí)聯(lián)H橋過電分相系統(tǒng)在調(diào)幅、調(diào)相過程中,供電臂A和B的電壓及重構(gòu)電壓;圖10為級(jí)聯(lián)H橋多電平變流器調(diào)相過程中輸出的電壓波形、電流波形。由圖9和圖10可見:采用鎖相環(huán)電壓重構(gòu)方法,可以在0.1 s以內(nèi)實(shí)現(xiàn)相位的調(diào)整,并且調(diào)整過程中不存在電壓的沖擊;輸出電流存在波動(dòng),主要是因?yàn)楦咚賱?dòng)車組交流傳動(dòng)系統(tǒng)是一個(gè)感性的等效負(fù)載,電感量比較大,因此盡管調(diào)相過程中電壓相位能夠迅速調(diào)整,但電流卻無法迅速調(diào)整。
圖8 級(jí)聯(lián)多電平變流器輸出電壓的頻率
圖9 供電臂A和B的電壓及重構(gòu)電壓
圖10 級(jí)聯(lián)H橋多電平變流器調(diào)相過程中輸出的電壓和電流
(1)級(jí)聯(lián)H橋過電分相系統(tǒng)能夠徹底消除傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)存在的供電死區(qū)問題,實(shí)現(xiàn)虛擬貫通供電,工程容易實(shí)現(xiàn)。
(2)采用直接功率控制,可以迅速實(shí)現(xiàn)所需功率在中性段與牽引供電臂之間的可控切換,達(dá)到電流很小或?yàn)榱銜r(shí)受電弓脫離相應(yīng)的接觸網(wǎng),避免功率切換對(duì)車、網(wǎng)產(chǎn)生沖擊。
(3)利用SOGI-PLL重構(gòu)電壓信號(hào),可以迅速實(shí)現(xiàn)相位調(diào)整,并且網(wǎng)壓頻率波動(dòng)的范圍很小,從而減小對(duì)電力機(jī)車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的影響。
(4)盡管采用電壓重構(gòu)方法實(shí)現(xiàn)調(diào)相過程中網(wǎng)壓頻率的波動(dòng)很小,但是由于電力機(jī)車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)內(nèi)存在的電感導(dǎo)致其電流無法迅速變化,使得電壓、電流間的夾角增大,從而導(dǎo)致列車牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的功率下降、中間直流電壓跌落。
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