27電平新型鐵路功率調節器及其負序補償方法

卜健怡， 張長征

(湖北工業大學太陽能高效利用及儲能運行控制湖北省重點實驗室， 湖北 武漢 430068)

隨著我國電氣化鐵路的大規模建設和交直交型電力機車的大量運營，鐵路供電系統的負序等電能質量問題變得越來越嚴重，在電力系統中產生嚴重的危害，如繼電保護誤動作等[1]。

為治理負序問題，文獻[2-3]提出基于背靠背變流器的多電平同相供電裝置，但成本高。日本學者提出鐵路功率調節器(Railway Power Conditioner, RPC)，取得較好的負序治理效果[1,4]。考慮到交直交型電力機車功率大，導致負序補償功率增大，我國學者開始將傳統的RPC和多電平結構結合。文獻[5]將模塊化多電平結構應用在RPC上，直流側電流小，但結構復雜。也有學者提出基于雙星型多電平結構的新型RPC，但環流抑制導致損耗大[6]。針對高壓大容量有源補償場合，文獻[7]提出一種基于電壓源和電流源串聯的多電平拓撲結構，具有響應性能好、損耗小等優點，但其無法治理負序問題。目前尚無將電壓源和電流源串聯的拓撲應用于RPC進行負序治理的研究。

針對負序補償電流檢測，文獻[8-9]通過相量分析，根據幾何關系計算補償后牽引變壓器二次側期望電流，進而得到補償電流，但文獻[8]由于采用負序、諧波綜合補償，增加了系統的補償功率；文獻[9]將諧波與負序補償分離以減少補償功率，但與文獻[8]均存在檢測波動問題。

針對以上問題，本文提出一種新型RPC，由背靠背連接的兩個電壓源、相應的串聯電流源和儲能系統構成。以三相V/v牽引變壓器為應用背景，首先分析了系統結構，通過建立系統等效電路與相量圖分析系統的負序補償機理。然后基于移相構造思想提出了負序補償電流檢測新方法，并研究系統的控制方法。最后建立仿真模型驗證本文所提方案和方法的可行性和有效性。

1 系統結構

以采用三相V/v牽引變壓器的鐵路牽引供電系統為例，新型RPC的基本結構見圖1。三相V/v牽引變壓器由兩臺共用油箱的單相變壓器構成[1]，將110 kV的A、B、C三相電變換為27.5 kV單相電后向供電臂供電。定義圖1中與牽引變壓器二次側a相相連的供電臂為a臂，b相為b臂；iA、iB和iC是牽引變壓器一次側電流，ua、ub是牽引變壓器二次側a、b相電壓，ia、ib分別是牽引變壓器二次側a、b相電流，iaL、ibL是a、b供電臂的負載電流，ica、icb是RPC向牽引變壓器二次側a、b相輸出的補償電流，udc是電壓源直流母線電壓，k是單相變壓器的變比系數。

圖1 新型RPC結構

新型RPC包括背靠背連接的兩個電壓源、相應的串聯電流源和儲能系統。a、b相電壓源輸出的27電平電壓的基波分量分別與ua、ub的基波分量的有效值接近、頻率相等、相位相等，同時a、b相電壓源通過背靠背連接的方式實現相間功率交換。由文獻[7]可知電壓源中承擔80%功率的H橋開關頻率僅50 Hz，故當RPC補償功率為5 MW時，接近4 MW的功率由開關頻率在50 Hz的開關器件承擔。因此在補償過程產生的損耗小，同時有利于提高大功率補償時開關器件的安全性。a、b相電流源通過跟蹤補償電流參考信號對RPC輸出的補償電流ica、icb進行控制，又電壓源的輸出電壓近似抵消牽引變壓器的二次側電壓，因此電流源工作在較低的電壓環境中，其開關頻率高，可以很好的跟蹤補償電流信號。考慮到電力機車在回饋制動時往供電臂注入再生制動能量，因此在電壓源的直流母線設置儲能系統，儲能系統由雙向DC/DC變換器和超級電容(Super Capacitors，SC)構成，主要用于維持直流母線電壓的穩定和進行再生制動能量的回收釋放[10]。

電壓源由混合級聯27電平變換器構成(圖1)，包括3個H橋和3個變比分別為1∶k、1∶3k、1∶9k的單相變壓器。3個H橋的直流側共用直流母線電容，交流側與變壓器的低壓側相接，變壓器的高壓側串聯構成補償支路的一部分。通過對3個變壓器高壓側輸出電平的組合，就可以在補償支路上輸出27電平電壓fx(t)，x=a、b，a、b分別代表a、b相電壓源。初相為0的27電平電壓f0(t)在一個周期T內的波形見圖2，ti是各電平的輸出時刻。

圖2 27電平電壓

udc與27電平電壓的基波分量的有效值U的關系為[7]

(1)

2 負序補償機理

為分析新型RPC的負序補償機理，忽略諧波，將牽引變壓器歸算到二次側，建立系統在基波域的等效電路和系統相量圖，如圖3所示。

(a)等效電路

(b)補償相量圖3 系統等效電路和相量

(2)

式中，IaLp、IaLq分別是IaL的有功分量、無功分量，IaLp、IaLq分別是IaLp、IaLq的有效值；IbLp、IbLq分別是IbL的有功分量、無功分量，IbLp、IbLq分別是IbLp、IbLq的有效值。

3 負序補償電流檢測與系統控制方法

3.1 負序補償電流檢測方法

令iaL和ibL為

(3)

式中：IaLh和IbLh分別是a、b臂負載電流第h次諧波電流有效值，ψaLh、ψbLh分別是a、b臂負載電流第h次諧波電流相角。

(4)

(5)

將式(5)展開

(6)

(7)

(8)

式中，iaL*、ibL*分別是iaL、ibL基波表達式。

(9)

(10)

根據上述分析，本文提出負序補償電流檢測新方法(圖4)。其中，

(11)

圖4 負序補償電流檢測方法

3.2 系統控制方法

通過鎖相環獲取ua、ub的頻率和相位，就可計算各個開關管的觸發信號[7]，控制電壓源輸出27電平電壓，儲能系統采取電壓外環和電流內環的雙閉環控制來維持電壓源直流母線電壓穩定，同時通過PWM(Pulse Width Modulation，PWM)調制產生觸發脈沖(圖5a)。電流源通過三角波比較電流控制法對補償電流的參考信號跟蹤控制，采用載波同相層疊法(Phase Disposition Pulse Width Modulation，PD-PWM)調制并通過選擇冗余開關矢量來維持電流源直流側電容電壓均衡(圖5b)。

(a)總體控制原理

(b)電流源控制原理圖5 系統控制框圖

4 仿真研究

以三相V/v牽引供電系統為應用背景，建立新型RPC的Simulink模型。設接入的三相電壓為110 kV，頻率50 Hz。牽引變壓器變比為110 kV∶27.5 kV。電壓源的變壓器系數k為2，電流源的開關頻率為5 kHz，超級電容的容量為120 F。

4.1 負序補償電流檢測性能

(a)補償電流檢測性能對比

圖6 負序補償電流檢測性能對比

4.2 電壓源和電流源特性

由圖7a可知，電壓源輸出的27電平電壓與牽引變壓器二次側輸出電壓波形基本一致，因此可以近似抵消牽引變壓器二次側電壓，此時a、b相電流源交流側電壓見圖7b，a、b相電流源交流側電壓Va、Vb最大值均低于1.6 kV。

(a)電壓源輸出電壓

(b)電流源交流側電壓圖7 電壓源和電流源仿真結果

4.3 系統補償特性

假設工況A，當a臂處于再生制動工況，b臂處于牽引工況且負載功率分別為-3.6 MW和9.5 MW時，牽引變壓器一次側三相電流在RPC補償前后的波形見圖8a。由圖可見，在0.18 s前三相電流的大小不相等，此時在一次側存在負序問題。在0.18 s系統投入補償后，通過有功轉移和補償無功，三相電流在一個周期內即可平衡，負序問題得到有效治理。

(a)工況A

(b)工況B圖8 一次側三相電流波形

假設工況B，a、b臂負載功率分別為-3.6 MW和8 MW，在0.3 s后a、b臂負載功率分別變化為3.9 MW和4.9 MW，牽引變壓器一次側三相電流波形見圖8b。由圖可見，在0.3 s前三相電流平衡，當負載功率發生變化后，三相電流的大小不相等，此時在一次側存在負序問題。在系統的補償作用下，三相電流在1.5個周期內即可平衡，負序問題得到有效治理，故新型RPC具有良好的補償性能。

5 結論

本文提出一種基于電壓源和電流源串聯的新型多電平RPC。其中，承載兆瓦級補償功率的開關器件的開關頻率低、損耗小。仿真結果表明新型RPC可以有效治理V/v牽引供電系統的負序、無功電能質量問題。相較于傳統檢測方法，本文提出的基于移相構造思想的檢測方法在提取直流分量時性能良好，檢測誤差小。