同相供电平衡变换装置研究

郭明富,赵丽平,常 非,李中西

(西南交通大学电气工程学院,四川成都610031)

目前,高速铁路牵引供电系统存在的主要问题有负荷不对称性严重;机车牵引电流大;供电臂中负荷电流波动大;电分相限制了高速铁路机车平滑连续地受流[1,2]等。解决高速铁路牵引供电系统中负序、“电分相”、谐波等问题的理想办法是同相供电系统[3]。同相供电系统指全线用同一相位的单相供电,更理想的是在同一线路或局界内贯通,最大限度地避免电分相,从而有利于重载和高速牵引。新型同相供电系统在现有牵引供电系统结构上,引入平衡变压器和平衡变换装置(BCD:Balance Converting Device),由原有的两相牵引供电方式转变为单相供电方式,如图1所示,平衡变压器将来自电力系统侧的三相对称电压变换成两相电压。变电所两个供电臂通过BCD合并为一条馈线向牵引网供电,使得各个变电所输出相位相同的电压,在变电所馈线处取消电分相。为了防止电力系统经多个变电所构成环路,分区所的分相绝缘器由分段绝缘器取代。主要对BCD进行了分析计算,并做了仿真验证其准确性与合理性。

图1 同相牵引供电系统结构

1 计算模型及理论推导

1.1 平衡变换原理

实现同相供电的关键器件之一是BCD,它由两个“背靠背”四象限电压型变流器组成,如图2所示,BCD将现有平衡变压器其中一相并联接入另一相,控制原理是[4]利用中间直流耦合电容作为能量交换环节,在两个端口间实现有功功率的交换,从而实现原边三相电流完全对称,同时馈线侧变流器补偿无功、滤除主要谐波。平衡变压器副边电压为27.5 kV,为与电力电子开关器件的性能相匹配,采用变比20:1的隔离变压器T1和T2。如图2标注,设BCD两端电压为

馈线负载电流为

ih(t)为负载的n次谐波电流。

BCD的调节目标是使变压器两副边绕组均输出幅值相同的纯有功电流,设该电流的期望值分别为

因负载有功功率都应该由电源提供,所以有:

式中IL为负载电流有效值。则BCD两端的电流期望值分别为:

图2 平衡变换器结构

1.2 元件参数计算

假设直流侧电压的期望值为Ud,直流侧电压为uc(t),电容C上的纹波电压为ua(t),L1、L2中的电流分别为iL1(t)、iL2(t),系统正常稳定运行时,如图2标注则有:

k为隔离变压器变比。

假设允许直流侧电压波动最大值为Uw,可得:

式中t1为直流侧电压进入稳态后,在一个周期内ua(t)为峰值的时刻。

电感L1、L2的取值不能太小,在允许的范围内尽可能的取较大值,否则IGBT开关频率会很高,损耗会很大,但也不能太大,若电感值过大会导致电感电流无法跟踪上指令电流,因为电感会阻碍自身电流的变化。设d和e两点间电压为ude(t),f和g两点间电压为ufg(t)有:

zL1,zL2分别为L1,L2的阻抗。

对L1,L2的取值必须考虑到当直流侧电压纹波处于波谷时也能使L1,L2中的电流跟踪上指令电流。假设直流侧电压纹波处于波谷,则有:

此时要使L1、L2中电流能跟踪上指令电流,则需要满足条件:

根据式(23)、(24)即求得 L1、L2的上限值为:

2 平衡变换器的控制策略

BCD为两个“背靠背”的单相变流器,分别为整流部分和逆变部分。从控制方法角度讲,逆变和整流系统的控制方法主要有两大类:直接电流控制和间接电流控制。因为BCD对电流实时性要求较高,所以对整流部分和逆变部分都采用直接电流控制。这里采用最常用的滞环电流控制。采用滞环控制系统优点是结构简单,电流响应速度快,控制运算中未使用电路参数,系统鲁棒性好。通过研究表明,滞环电流控制中,开关频率是一个变量,它与滞环宽度、直流侧电压和电感值有关。

对于整流部分采用双闭环控制[5],控制系统结构如图3,其外环是直流电压控制环,内环是交流电流控制环。考虑电压外环信号的采样延迟环节可以得到电压外环控制器结构图,如图4所示。

图3 整流部分控制系统结构

图4 整流部分外环电压控制系统结构

对于电流内环按典型Ⅰ型系统设计时,电流内环可以近似等效成一个惯性环节,其惯性时间常数为3Ts,通过分析可知电流内环的闭环传递函数为

式中,Ts为PWM 开关周期。为简化控制结构,将电压采样小惯性时间常数τv和电流内环等效小时间常数3Ts合并,即 Tev=τv+3Ts,且不考虑负载电流 iL的扰动,经简化处理得到电压外环的开环传递函数为:

根据三阶最佳整定法,可以直接计算出Tv=4T ev,K=

由于电压外环的主要控制作用是稳定直流母线电压,故其控制系统整定时着重考虑电压外环的抗扰动性能。

图5 逆变部分控制系统结构

逆变部分要求逆变电流能够快速跟踪指令电流,所以逆变控制用电流反馈的滞环控制。把给定电流信号与交流电流输入信号进行比较,两者的偏差作为滞环比较器的输入,通过滞环比较器产生控制主电路中开关管通断的PWM 信号,该PWM 信号经驱动电路去控制主电路开关管的通断,从而控制交流电流的变化,其控制原理如图5所示。

3 仿真分析

用Matlab/simulink仿真,得仿真结果如下。

图6到图8说明补偿前对变压器来说负载电流极度不平衡且含有大量谐波。

图9图10说明通过BCD平衡补偿后变压器负载电流为比较标准的对称电流,且只含少量高次谐波。

图11为BCD输出的补偿电流波形,它不仅传递有功使变压器负载平衡,而且还补偿负载的无功和谐波,所以其波形具有谐波无功电流。

图12说明BCD直流环节电压能很快地稳定在设定电压附近,具有较强的抗干扰能力。

图6 负载电流

图7 补偿前牵引变压器次边电流

图8 补偿前牵引变压器原边电流

图9 补偿后牵引变压器原边电流

图10 补偿后牵引变压器次边电流

图11 平衡变换器输出的补偿波形

图12 BCD直流环节电压

4 结束语

借助BCD和平衡变压器的同相供电系统能实现三相到单相的平衡转换,BCD能传递有功,补偿负载低次谐波和无功,很好地解决牵引供电系统中负序、无功、谐波、“电分相”等传统问题,最后使得牵引负荷对于电网来说相当于一个纯电阻负载。

[1]姜春林.高速电铁牵引供电自动化系统方案研究[J].电力自动化设备,2000,20(5):1-6.

[2]李颖红编译.高速铁路干线牵引供电系统的用电特点[J].电气化铁道,1998(1):21-24.

[3]贺建闽,李群湛.用于同相供电系统的对称补偿技术[J].铁道学报,1998,20(6):47-51.

[4]解邵锋,李群湛,贺建闽等.同相供电系统对称补偿装置控制策略研究[J].铁道学报,2002,24(2):109-113.

[5]姚为正.PWM整流技术及其应用研究[D].西安:西安交通大学,2001.