同相供電平衡變換裝置研究

郭明富,趙麗平,常 非,李中西

(西南交通大學電氣工程學院,四川成都610031)

目前,高速鐵路牽引供電系統存在的主要問題有負荷不對稱性嚴重;機車牽引電流大;供電臂中負荷電流波動大;電分相限制了高速鐵路機車平滑連續地受流[1,2]等。解決高速鐵路牽引供電系統中負序、“電分相”、諧波等問題的理想辦法是同相供電系統[3]。同相供電系統指全線用同一相位的單相供電,更理想的是在同一線路或局界內貫通,最大限度地避免電分相,從而有利于重載和高速牽引。新型同相供電系統在現有牽引供電系統結構上,引入平衡變壓器和平衡變換裝置(BCD:Balance Converting Device),由原有的兩相牽引供電方式轉變為單相供電方式,如圖1所示,平衡變壓器將來自電力系統側的三相對稱電壓變換成兩相電壓。變電所兩個供電臂通過BCD合并為一條饋線向牽引網供電,使得各個變電所輸出相位相同的電壓,在變電所饋線處取消電分相。為了防止電力系統經多個變電所構成環路,分區所的分相絕緣器由分段絕緣器取代。主要對BCD進行了分析計算,并做了仿真驗證其準確性與合理性。

圖1 同相牽引供電系統結構

1 計算模型及理論推導

1.1 平衡變換原理

實現同相供電的關鍵器件之一是BCD,它由兩個“背靠背”四象限電壓型變流器組成,如圖2所示,BCD將現有平衡變壓器其中一相并聯接入另一相,控制原理是[4]利用中間直流耦合電容作為能量交換環節,在兩個端口間實現有功功率的交換,從而實現原邊三相電流完全對稱,同時饋線側變流器補償無功、濾除主要諧波。平衡變壓器副邊電壓為27.5 kV,為與電力電子開關器件的性能相匹配,采用變比20:1的隔離變壓器T1和T2。如圖2標注,設BCD兩端電壓為

饋線負載電流為

ih(t)為負載的n次諧波電流。

BCD的調節目標是使變壓器兩副邊繞組均輸出幅值相同的純有功電流,設該電流的期望值分別為

因負載有功功率都應該由電源提供,所以有:

式中IL為負載電流有效值。則BCD兩端的電流期望值分別為:

圖2 平衡變換器結構

1.2 元件參數計算

假設直流側電壓的期望值為Ud,直流側電壓為uc(t),電容C上的紋波電壓為ua(t),L1、L2中的電流分別為iL1(t)、iL2(t),系統正常穩定運行時,如圖2標注則有:

k為隔離變壓器變比。

假設允許直流側電壓波動最大值為Uw,可得:

式中t1為直流側電壓進入穩態后,在一個周期內ua(t)為峰值的時刻。

電感L1、L2的取值不能太小,在允許的范圍內盡可能的取較大值,否則IGBT開關頻率會很高,損耗會很大,但也不能太大,若電感值過大會導致電感電流無法跟蹤上指令電流,因為電感會阻礙自身電流的變化。設d和e兩點間電壓為ude(t),f和g兩點間電壓為ufg(t)有:

zL1,zL2分別為L1,L2的阻抗。

對L1,L2的取值必須考慮到當直流側電壓紋波處于波谷時也能使L1,L2中的電流跟蹤上指令電流。假設直流側電壓紋波處于波谷,則有:

此時要使L1、L2中電流能跟蹤上指令電流,則需要滿足條件:

根據式(23)、(24)即求得 L1、L2的上限值為:

2 平衡變換器的控制策略

BCD為兩個“背靠背”的單相變流器,分別為整流部分和逆變部分。從控制方法角度講,逆變和整流系統的控制方法主要有兩大類:直接電流控制和間接電流控制。因為BCD對電流實時性要求較高,所以對整流部分和逆變部分都采用直接電流控制。這里采用最常用的滯環電流控制。采用滯環控制系統優點是結構簡單,電流響應速度快,控制運算中未使用電路參數,系統魯棒性好。通過研究表明,滯環電流控制中,開關頻率是一個變量,它與滯環寬度、直流側電壓和電感值有關。

對于整流部分采用雙閉環控制[5],控制系統結構如圖3,其外環是直流電壓控制環,內環是交流電流控制環。考慮電壓外環信號的采樣延遲環節可以得到電壓外環控制器結構圖,如圖4所示。

圖3 整流部分控制系統結構

圖4 整流部分外環電壓控制系統結構

對于電流內環按典型Ⅰ型系統設計時,電流內環可以近似等效成一個慣性環節,其慣性時間常數為3Ts,通過分析可知電流內環的閉環傳遞函數為

式中,Ts為PWM 開關周期。為簡化控制結構,將電壓采樣小慣性時間常數τv和電流內環等效小時間常數3Ts合并,即 Tev=τv+3Ts,且不考慮負載電流 iL的擾動,經簡化處理得到電壓外環的開環傳遞函數為:

根據三階最佳整定法,可以直接計算出Tv=4T ev,K=

由于電壓外環的主要控制作用是穩定直流母線電壓,故其控制系統整定時著重考慮電壓外環的抗擾動性能。

圖5 逆變部分控制系統結構

逆變部分要求逆變電流能夠快速跟蹤指令電流,所以逆變控制用電流反饋的滯環控制。把給定電流信號與交流電流輸入信號進行比較,兩者的偏差作為滯環比較器的輸入,通過滯環比較器產生控制主電路中開關管通斷的PWM 信號,該PWM 信號經驅動電路去控制主電路開關管的通斷,從而控制交流電流的變化,其控制原理如圖5所示。

3 仿真分析

用Matlab/simulink仿真,得仿真結果如下。

圖6到圖8說明補償前對變壓器來說負載電流極度不平衡且含有大量諧波。

圖9圖10說明通過BCD平衡補償后變壓器負載電流為比較標準的對稱電流,且只含少量高次諧波。

圖11為BCD輸出的補償電流波形,它不僅傳遞有功使變壓器負載平衡,而且還補償負載的無功和諧波,所以其波形具有諧波無功電流。

圖12說明BCD直流環節電壓能很快地穩定在設定電壓附近,具有較強的抗干擾能力。

圖6 負載電流

圖7 補償前牽引變壓器次邊電流

圖8 補償前牽引變壓器原邊電流

圖9 補償后牽引變壓器原邊電流

圖10 補償后牽引變壓器次邊電流

圖11 平衡變換器輸出的補償波形

圖12 BCD直流環節電壓

4 結束語

借助BCD和平衡變壓器的同相供電系統能實現三相到單相的平衡轉換,BCD能傳遞有功,補償負載低次諧波和無功,很好地解決牽引供電系統中負序、無功、諧波、“電分相”等傳統問題,最后使得牽引負荷對于電網來說相當于一個純電阻負載。

[1]姜春林.高速電鐵牽引供電自動化系統方案研究[J].電力自動化設備,2000,20(5):1-6.

[2]李穎紅編譯.高速鐵路干線牽引供電系統的用電特點[J].電氣化鐵道,1998(1):21-24.

[3]賀建閩,李群湛.用于同相供電系統的對稱補償技術[J].鐵道學報,1998,20(6):47-51.

[4]解邵鋒,李群湛,賀建閩等.同相供電系統對稱補償裝置控制策略研究[J].鐵道學報,2002,24(2):109-113.

[5]姚為正.PWM整流技術及其應用研究[D].西安:西安交通大學,2001.