鐵路電力供電系統中的柔性直流輸電控制技術

李玉鵬

（中鐵二十二局集團電氣化工程有限公司，北京 102300）

供電質量是決定鐵路運行效率和運行安全的關鍵因素。目前常用的改善供電質量的方式是在鐵路電力供電系統中并聯電抗器、串聯電容器，或者加裝無功補償裝置。雖然起到了一定效果，但是也存在成本上升、后期維護壓力增加等問題。柔性直流輸電作為一種新型高壓直流輸電方式，在長距離輸電時具有電能損耗小、使用成本低等優勢，同時在柔性直流輸電控制下各個換流站的通信相互獨立，任意一臺換流站出現故障均不影響其他換流站的正常運行，因此供電系統的穩定性和可靠性明顯提升。現階段柔性直流輸電控制技術已經被廣泛應用到我國各地的鐵路電力供電系統中。

1 鐵路電力供電系統中柔性直流輸電控制器的設計

1.1 參考值設定與調節控制器的設計

根據控制邏輯、控制對象的不同，一臺換流站的控制系統可分為上層控制和底層控制兩部分。調節控制器就是上層控制模塊的核心設備之一，在設定參考值后將其發送至底層控制器，為各項物理量（如交流電壓、無功功率等）的調節提供參考值。在調節控制器的作用下，避免因為功率快速變化而導致系統性能波動，進而達到維持系統運行穩定的目的。直流電壓參考值設定與調節器設計如圖1 所示。

圖1 直流電壓參考值的設定與調節

1.2 定直流電壓控制器的設計

在鐵路電力供電系統中，當柔性直流輸電系統需要連接2 個交流網絡時，則必定有一端接入交流電網中，并且在交流電網側選用定直流電壓控制模式，以便于調節各個換流站之間的有功功率。由此可見，使用定直流電壓控制器對換流站之間有功功率的大小起到決定作用。在理想情況下，不考慮換流站內電抗器、換流器的損耗，此時交流側電功率等于直流電測功率，即：

當系統達到穩態后，進行同步坐標變換處理，此時usq為0，則式（2）變為：

根據式（3）可知，如果換流站兩側交直流系統功率不平衡（即udcidc≠usdisd）時，在換流站中會產生功率傳輸。而位于直流側的電容器，在功率不平衡狀態下會通過充放電使交直流系統重新恢復穩態。當功率重新達到平衡后，直流電壓也會重新回到參考值。由此可見，定直流電壓控制器在以換流站為核心的交直流系統中發揮著功率平衡器的作用，其邏輯框圖如圖2 所示。

圖2 定直流電壓控制器的邏輯框圖

圖2 中，直流電壓參考值（Udcref）輸入到定直流電壓控制器中，并且與工程實際測量值（Udc）進行對比，可以計算出直流電壓的偏差量。然后使用PI 控制器進行調節矯正，得到直流電壓修正量Δisd。Kdc表示直流電流id的測量值比例因子，其計算公式為：

計算直流電流id與比例因子Kd之積，可以得到Δi'sd，然后求Δisd與Δi'sd的和，即可得到有功電流參考值isdref。

1.3 定交流電壓控制器

定交流電壓控制器主要用于供電系統無功功率的調節，達到控制母線處交流電壓的目的，其邏輯結構如圖3 所示。

圖3 定交流電壓控制器的邏輯框圖

在圖3 中，分別向定交流電壓控制器中輸入交流電壓參考值（uacref）和實際測量值（uac），同樣將兩者進行對比并求出交流電壓的偏差量。然后經過“比例-微分”控制環節對偏差量進行修正，將修正結果與有功功率參考值（Pref）按照下式計算：

即可得到無功電流的參考值（iqref）。從式（5）可知，定交流電壓控制器能夠表示供電系統無功功率與交流電壓之間的關系。

2 鐵路電力供電系統中的PID 控制

2.1 PID 控制的基本原理

PID（比例-積分-微分）控制可以基于實際情況尋找各個物理量之間的對應關系。其中，比例控制的作用是在輸入量存在偏差的情況下，通過比例調控快速反應，使最終的輸出結果趨近于理想結果，從而減小兩者之間差距。但是單獨使用比例控制，只能將偏差縮小到一定范圍，而無法徹底消除偏差。在一些控制精度要求極高的系統中，還需要引進積分控制，達到消除偏差的目的。所謂積分控制，就是以時間為變量取積分，隨著時間推移，積分部分變大，從而進一步減小比例控制輸出后仍然存在的偏差。在比例控制和積分控制的雙重處理下，系統穩態誤差被消除。需要注意的是，由于在誤差調節過程中，因為參數的選擇不同、調節作用存在強弱差異，決定了系統會產生震蕩，嚴重時還有可能導致系統失穩。為避免此類情況，還需要引進微分控制。例如通過kdde(t)/dt 對時間做微分處理，能夠預測誤差信號的變化趨勢，達到超前抑制誤差的效果。在實際工程中，將三種控制策略同時運用，即使用PID 控制方式可以使系統達到穩定運行的效果。

2.2 PID 參數的設置

在比例（Kp）、積分（Ti）、微分（Td）三個環節進行參數整定，是決定系統運行穩定性的關鍵操作。為了進一步優化控制效果，需要結合定量計算、定性分析的方法，以及充分考慮工程系統實際運行需要，設定PID 參數。目前常用的PID 參數整定方法有多種，例如頻率整定法、臨界比例法、響應曲線法等。以臨界比例法為例，首先讓Ti=∞，Td=0，即積分項和微分項的系數均值為0，然后根據工程實際情況選定比例系數，使系統維持在正常運行狀態。然后按照從小到大的順序逐漸調節比例系數Kp，觀察并記錄等幅振蕩過程。在達到臨界狀態時得到臨界比例系數Ku和臨界振蕩周期Tu。最后參考計算公式，按照“先P 后I 最后D”的順序，依次得到Kp、Ti和Td的值。

2.3 采樣周期的確定

PID 控制調節是周期性執行的，每個執行周期記為一個采樣周期，參考采樣定理決定采樣周期的大小。理想狀態下，要想使采樣后的離散時間信號能夠無失真的復現出原來的連續信號，必須要求“采樣頻率≥2×連續信號最高頻率”。而實際中，由于微分調節表示的是被控制量對時間的變化率，這就意味著在微分調節過程中，如果采樣周期偏小，在時間間隔內被控制量采樣沒有捕捉到變化，那么微分項就變為0，這種情況不利于系統的調節。因此，實際系統中采樣周期要明顯小于擾動信號周期，才能保證PID 調節功能的正常實現。

3 鐵路電力供電系統柔性直流輸電控制的仿真實驗

3.1 建立系統仿真模型

PSCAD 是現階段常用的一種成熟的電力系統仿真分析軟件，其優勢在于元件庫豐富，像變壓器、整流器等常見的電氣設備均有獨立的模型，并且模型參數與實際設備參數一致，在構建電力系統仿真模型時可以直接調用，從而減少了前期工作量。另外，仿真輸出結果準確，并且自動將數據轉化成參數曲線，方便技術人員更加直觀地掌握測試結果。現以鐵路10kV 供電系統為例，利用PSCAD 仿真軟件建立一個兩端有源網絡的穩態模型，并對其狀態進行模擬。

該供電系統的仿真結構以換流站為核心，換流站內除了換流器外，還有發電機、電抗器、交流濾波器等元件模型。將柔性直流輸電系統與10kV 交流電網系統連接，并利用變壓器將系統電壓升高，與直流側電壓相匹配。換流站兩側系統均使用電纜連接。右側整流端即為發送端，將直流電壓變成交流電壓后，為配電系統供電。換流站采用觸發脈沖控制方式，控制電力電子器件的通斷。在該仿真系統中，所有觸發脈沖都是基于脈寬調制技術產生，因此產生的電壓、電流中只有少量的低次諧波，降低了無關因素對實驗結果的干擾。另外，為抑制高次諧波，在仿真系統中加裝了交流濾波器，采用“通高頻、阻低頻”的方式達到理想的濾波效果。

3.2 仿真結果與分析

在系統兩側均與交流有源網絡連接的情況下，交流整流側應用定直流電壓控制和定功率控制方式，而交流逆變側則應用丁直流電壓和定交流電壓控制方式。基于PSCAD 軟件的系統仿真結果如圖4、5、6 所示。

圖4 直流電壓仿真輸出曲線

結合上圖可以發現，在仿真運行的初始階段，由于電力電子器件自身固有特點的影響，系統的交流電壓、直流電壓和無功功率都發生了比較明顯的波動。此時控制系統發揮調節作用，使系統的輸出量在較短時間內重新恢復穩態值。在圖4 直流電壓仿真輸出曲線中，仿真運行0.4s 后直流電壓波動達到峰值，為150kV；控制系統介入后，在仿真運行1.2s 后直流電壓波動消失，系統恢復穩定運行狀態。在圖5 直流電流仿真輸出曲線中，同樣在1.2s 后直流電流波動消失。在圖6 無功功率仿真輸出曲線中，在0.7s 后無功功率波動消失。系統恢復穩態運行后，調整直流側無功功率的給定值，可以完成對整流側無功功率的快速調節，這時無功功率能夠在較短時間內達到給定值。另外，由于該仿真系統的整流側選擇定直流電壓控制模式，因此直流線路兩側電壓在整個仿真運行期間始終保持恒定；同樣的，該仿真系統的交流側選擇定交流電壓控制，因此交流電壓也始終保持不變。由此可見，在柔性直流輸電控制技術的幫助下，該鐵路電力供電系統仿真模型在出現初始波動并快速恢復穩態后，能夠一致保持穩定運行。

圖5 直流電流仿真輸出曲線

圖6 無功功率仿真輸出曲線

結束語

鐵路電力供電系統對電能質量有嚴格要求，尤其是在高負荷運行下如何保證供電系統穩定運行，成為影響列車行駛安全的關鍵問題。柔性直流輸電技術采用全控性電力電子器件，將該技術應用到供電系統中，能夠發揮無功補償和電流、電壓調節的作用。即便是鐵路電力供電系統因為各種原因出現失穩，也能在較短時間內通過PID 控制使其盡快恢復穩態。本文通過構建鐵路10kV 電力供電系統仿真模型，應用柔性直流輸電控制技術進行仿真實驗，在1.2s 后即可使出現波動的直流電壓、電流重新恢復穩態值，效果良好，具有實用價值。