基于MMC_STATCOM的動(dòng)車組再生制動(dòng)工況下牽引網(wǎng)穩(wěn)壓方案研究

雷杭州 章葉心

1.成都交大許繼電氣有限責(zé)任公司，中國·四川 成都 611731

2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，中國·四川 成都 611756

1 引言

再生制動(dòng)是指高速動(dòng)車組在減速運(yùn)行過程中，牽引電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)為發(fā)電機(jī)，并將多余的電能反饋回牽引網(wǎng)的過程[1]。在此過程中，再生制動(dòng)能量通過逆變器、中間直流環(huán)節(jié)、整流器及車載變壓器直接返送至牽引供電系統(tǒng)，這可能會(huì)引起牽引網(wǎng)電壓的抬升[2]。其中，牽引網(wǎng)的供電電壓水平與動(dòng)車組的安全運(yùn)行息息相關(guān)。例如，2014年1月起，在中國西安局北環(huán)線某牽引所供電臂范圍內(nèi)，由于牽引網(wǎng)電壓超出供電安全水平，引發(fā)機(jī)車自動(dòng)降低功率，造成機(jī)車牽引失流停車達(dá)14 次，極大影響了鐵路的生產(chǎn)運(yùn)輸秩序[3]。因此，有必要對動(dòng)車組再生制動(dòng)工況下的牽引穩(wěn)壓方案進(jìn)行研究。

目前，中國和其他國家針對再生制動(dòng)能量造成牽引網(wǎng)電壓抬升這一現(xiàn)象，通常采用優(yōu)化牽引供電系統(tǒng)或加設(shè)補(bǔ)償裝置進(jìn)行治理。采用同相牽引供電的方式對再生制動(dòng)造成的網(wǎng)壓抬升進(jìn)行抑制，但抑制效果受系統(tǒng)容量及牽引變壓器容量的限制[4]。分別采用雙邊供電的方式和加設(shè)再生能量釋放裝置的方式，分析結(jié)果表明采用雙邊供電方式在一定程度上能降低動(dòng)車組所在供電臂的牽引網(wǎng)電壓，但抑制效果較為有限；加設(shè)再生能量釋放裝置較雙邊供電方式抑制效果更好[5]。法國Evron 牽引變電站安裝的STATCOM 設(shè)備，可綜合改善牽引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，且存在動(dòng)態(tài)響應(yīng)迅速、占地面積小、安全性高等優(yōu)勢，但仍依賴于大容量的工頻變壓器，安裝地點(diǎn)受限且投入成本較高[6]。

針對現(xiàn)有研究的不足，結(jié)合基于模塊化多電平變換器（Modular Multilevel Converter，MMC）的STATCOM 裝置[7]具有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡潔、電平數(shù)可調(diào)、可綜合治理電能質(zhì)量等優(yōu)點(diǎn)，論文嘗試采用基于MMC_STATCOM 的穩(wěn)壓方案對動(dòng)車組再生制動(dòng)能量導(dǎo)致的牽引網(wǎng)壓抬升進(jìn)行抑制。

2 MMC_STATCOM 裝置并聯(lián)補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

MMC_STATCOM 裝置并聯(lián)補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，us為網(wǎng)側(cè)電壓，is為網(wǎng)側(cè)電流，Ls為網(wǎng)側(cè)電感，Rs為網(wǎng)側(cè)電阻。MMC_STATCOM 中各相的上、下橋臂結(jié)構(gòu)一致，均由n個(gè)串聯(lián)子模塊與橋臂電感L0組成。其中，每個(gè)串聯(lián)子模塊均包含2 個(gè)IGBT 和直流電容。對于單相半橋臂，n個(gè)串聯(lián)子模塊可輸出0、UC、2UC……nUC的電壓（即n+1 個(gè)電平），為保證系統(tǒng)可獲得最大直流電壓率及穩(wěn)定的直流電壓，MMC_STATCOM 中各相的上、下橋臂的串聯(lián)子模塊需遵循對稱互補(bǔ)投入的原則。

圖1 MMC_STATCOM 并聯(lián)補(bǔ)償拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

3 MMC_STATCOM 主電路參數(shù)計(jì)算

3.1 子模塊數(shù)目

根據(jù)MMC_STATCOM 工作原理可知，子模塊數(shù)n與直流側(cè)電壓Udc滿足：

式中，UC為子模塊電容平均電壓。

定義MMC_STATCOM 的電壓調(diào)制比m為：

聯(lián)合式（1）、式（2）可得：

其中，子模塊中IGBT 器件型式選用6500V/600A 規(guī)格，為保證電力電子器件的安全，在電壓計(jì)算中預(yù)留出1.3 的裕度值，可求出子模塊平均電壓UC=6.5kV/1.3=5kV，代入式（3）得：

為使主電路產(chǎn)生零電平，子模塊數(shù)應(yīng)為偶數(shù)，故取n=8。

此時(shí)，直流側(cè)電壓等級為：

3.2 子模塊電容參數(shù)

取圖1中任一橋臂j進(jìn)行分析，其單橋臂等效電路如圖2所示。

圖2 MMC_STATCOM 單橋臂等效電路

定義MMC_STATCOM 輸出的電壓、電流調(diào)制比分別為：

式中，ej為j相內(nèi)部電動(dòng)勢，Is為交流輸出線電流峰值。

根據(jù)圖2所示的單橋臂等效電路可得：

式中，ω0為基波角頻率，φ為負(fù)載功率因數(shù)角。子模塊電容平均儲(chǔ)能值為：

式中，C0為子模塊電容值。

理想情況下，各橋臂的能量瞬時(shí)值應(yīng)和子模塊的電容儲(chǔ)能相等，可推算得子模塊電容參數(shù)計(jì)算式：

式中，取裝置額定功率Ps=4MW，子模塊數(shù)n=8，子模塊電容平均電壓UC=5kV，輸出功率因數(shù)cosφ=0.95，可得：

子模塊電容參數(shù)的具體取值可根據(jù)仿真過程中MMC_STATCOM 輸出電壓調(diào)制深度進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整。

3.3 橋臂電感參數(shù)

定義橋臂環(huán)流中二倍頻電壓峰值為Uzm，二倍頻電流峰值為Izm，可得上、下橋臂的電壓、電流為：

此時(shí)j相橋臂的總瞬時(shí)功率為：

j相橋臂級聯(lián)的子模塊總電容儲(chǔ)能為：

忽略直流分量及高階分量的影響，j相橋臂的電容儲(chǔ)能二倍頻分量幅值應(yīng)等于該橋臂總能量的二倍頻分量幅值，整理得：

式中，橋臂環(huán)流電流峰值Izm按經(jīng)驗(yàn)值取為30A。結(jié)合子模塊電容參數(shù)C0的計(jì)算結(jié)果，可推得橋臂電感參數(shù)L0計(jì)算式如下：

3.4 LC 濾波電路參數(shù)

定義Usm為交流輸出相電壓usj的峰值，Ism為交流輸出線電流isj的峰值，則橋臂環(huán)流izj滿足：

直流側(cè)電流idc為：

假定上、下橋臂平均分配直流電流idc，可得環(huán)流電流izj的有功分量為：

結(jié)合式（16），可得橋臂環(huán)流的無功分量為：

當(dāng)LC 電路發(fā)生諧振時(shí)，滿足：

結(jié)合式（19）可得：

將濾波電容電壓uC的波動(dòng)幅值限制在額定電壓的10%內(nèi)，可得C取值范圍為：

此時(shí)濾波電感參數(shù)為：

4 車-網(wǎng)并聯(lián)補(bǔ)償模型

4.1 MMC_STATCOM 仿真模型

4.1.1 子模塊電容電壓控制策略

沿用將穩(wěn)壓控制策略疊加到子模塊調(diào)制的思路，對子模塊電容電壓進(jìn)行控制。該控制方法主要包括電容電壓的穩(wěn)壓控制、均壓控制及調(diào)制波的合成，如圖3所示。

圖3 子模塊電容電壓控制框圖

4.1.2 并網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略

為滿足MMC_STATCOM 能較好控制并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)功率因數(shù)及無功功率的要求，選用dq 坐標(biāo)系下有功無功解耦控制策略。

4.1.3 MMC_STATCOM 模型驗(yàn)證

令MMC_STATCOM 工作于理想電源下，測試其動(dòng)態(tài)補(bǔ)償性能。設(shè)置初始負(fù)載為20Ω，在2s 時(shí)投入電阻值20Ω、電感值80mH 的阻感負(fù)載，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 MMC_STATCOM 仿真結(jié)果

圖4中，由于采用PI 控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，直流側(cè)電壓存在一定超調(diào)，于0.3s 左右穩(wěn)定在40kV±200V，滿足式（5）中計(jì)算所得的直流電壓等級；2s 時(shí)投入阻感性負(fù)載，直流側(cè)電壓可快速調(diào)節(jié)至穩(wěn)態(tài)，負(fù)載側(cè)電壓、電流可在0.1s 內(nèi)快速恢復(fù)同相工作狀態(tài)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較好，驗(yàn)證了基于dq 坐標(biāo)系有功無功解耦控制方法的有效性。

4.2 車-網(wǎng)并聯(lián)補(bǔ)償仿真模型

MMC_STATCOM 裝置按圖1拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)接入車-網(wǎng)模型。主變壓器的接線方式采用V/x 接線，額定容量為2×（20+20）MVA，變比為220 ∶27.5 ∶27.5；自耦變壓器額定容量為25MVA，變比為1 ∶1。車-網(wǎng)仿真模型參數(shù)如表1所示。

表1 車-網(wǎng)仿真模型電氣參數(shù)

5 車-網(wǎng)并聯(lián)補(bǔ)償仿真分析

設(shè)置模型目標(biāo)速度指令ω*：0～1s，電機(jī)啟動(dòng)并牽引加速至210.25rad/s；1s～3s，電機(jī)轉(zhuǎn)子維持在210.25rad/s，為制動(dòng)提供準(zhǔn)備條件；3s 時(shí)進(jìn)入制動(dòng)工況，目標(biāo)速度指令下調(diào)為0rad/s ；電機(jī)負(fù)載保持為500N·m。其中，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 投入MMC_STATCOM 前后車-網(wǎng)聯(lián)合仿真結(jié)果

由圖5可知，原車-網(wǎng)模型制動(dòng)工況下，接觸網(wǎng)壓峰值UTmax=42.80kV，超出安全電壓峰值42.42kV（有效值30kV）的范圍；投入MMC_STATCOM 后，UTmax基本穩(wěn)定在39.88kV（有效值28.2kV）的范圍內(nèi)，滿足牽引網(wǎng)電壓安全要求。

6 結(jié)論

動(dòng)車組進(jìn)入制動(dòng)工況時(shí)，產(chǎn)生的再生制動(dòng)能量可能會(huì)對牽引網(wǎng)供電安全造成威脅。針對這一問題，論文建立MMC_STATCOM 模型，對車-網(wǎng)系統(tǒng)電壓抬升進(jìn)行抑制，得到結(jié)論如下：

①接觸網(wǎng)電壓、動(dòng)車組中間直流環(huán)節(jié)電壓、整流器輸入電壓波動(dòng)范圍均減小；

②動(dòng)車組中間直流環(huán)節(jié)電壓恢復(fù)穩(wěn)態(tài)的響應(yīng)時(shí)間縮短。

綜上，該方案可有效改善制動(dòng)工況下車-網(wǎng)系統(tǒng)相關(guān)電氣量的不穩(wěn)定現(xiàn)象[8]。