同相贯通牵引供电系统综合潮流控制器设计

常 非， 冯金博， 赵丽平

(西南交通大学电气工程学院， 成都 610031)

同相贯通牵引供电系统综合潮流控制器设计

常 非， 冯金博， 赵丽平

(西南交通大学电气工程学院， 成都 610031)

针对电气化铁道牵引供电系统存在大量的负序、谐波、无功等问题,提出了一种适用于牵引负载的同相贯通牵引供电系统交直交综合潮流控制器。交直交综合潮流控制器由两电平四重化PWM整流器和4个2H桥级联多电平逆变器组成。潮流控制器能够实现单位功率因数、低谐波含量三相整流，及时传递牵引负载需要的有功功率，使得牵引供电系统呈现出三相对称纯阻性负载特性。Matlab/Simulink下仿真结果，验证了该方案的正确性。

电气化铁路； 同相贯通供电； 潮流控制器； 级联多电平； 多重化； 电能质量

负序、无功、谐波一直是电气化铁路牵引供电系统存在的技术难题，随着高速、重载铁路的发展，负序问题越来越突出。由于电分相装置的存在，机车运行速度受到限制。为了解决这些技术难题，文献[1～5]分别提出各种接线形式的同相供电系统，取消电分相，实现负序、无功及谐波综合治理与补偿，取得较好效果，但是电力系统不允许在分区所处实现双边供电，仍然存在供电上的缺陷。文献[6]提出了同相贯通供电系统，采用三相交流-直流-单相交流的牵引变电所结构，彻底取消电分相，实现电气化铁路内部同相联网，消除或大大减轻牵引供电系统对电力系统的电能质量影响。

采用三相交流-直流-单相交流的潮流控制器是同相贯通供电系统牵引变电所核心设备，由于牵引负荷是高电压、大容量负荷，传统的交-直-交变换器已不能满足要求。为了适应高压大容量牵引供电要求、降低开关器件应力、降低开关频率、降低输出电压谐波，减小开关器件损耗，提高潮流控制器可靠性及效率，提出了一种适用于牵引负载的贯通供电系统交直交潮流控制器方案。

1 同相贯通供电系统

同相贯通供电是指线路上不同变电所供电的区段接触网电压同相位，线路上无电分相环节的牵引供电方式。实现同相贯通供电系统的牵引变电所主要由三相/单相的交直交潮流控制器构成，如图1所示。

图1 同相贯通供电系统结构原理

与原牵引供电系统相比，牵引侧各供电臂电压相同，从而可取消电分相，消除了高速列车过分相绝缘器所存在的安全隐患，适宜高速铁路运行。由于潮流控制器的作用，可以消除电力系统与牵引供电系统在电能质量相互干扰，使得不对称单相牵引负载对电力系统而言相当于一个三相对称纯阻性负载。为了提高供电的灵活性和可靠性，可根据要求断开或闭合分区所分段断路器，实现单边或多边供电，使牵引网电压损失和功率损失降低[6]。

2 潮流控制器主电路结构

潮流控制器由三相整流单元、直流储能单元和单相逆变单元组成。三相整流单元将三相交流电变换为直流电，传递牵引负荷有功功率。直流储能单元主要由直流电容组成，调节整流单元和逆变单元之间的瞬时能量交换，稳定潮流控制器直流侧电压，抑止直流侧谐波电压。单相逆变单元将直流电变换为单相交流电，向牵引负载供电。

作为同相贯通供电系统核心设备的潮流控制器的基本结构为交-直-交型变换器。由于牵引负荷是高电压、大容量负荷，传统的交-直-交变换器已不能满足要求，潮流控制器装置必须综合采用多种有效手段实现大功率变换。常用的大功率变换器结构有功率器件串并联结构、多重化结构和多电平结构[7～9]。多电平结构中的级联式多电平变换器容易实现模块化、容易扩展，不用钳位二极管和钳位电容，不存在电容电压平衡问题，每个2H桥功率单元可以独立控制，控制方法简单，容易实现，实现四象限运行时，需要多个独立直流电源。综合考虑，选用如图2所示的电路结构作为潮流控制器主电路。

图2 交直交潮流控制器结构原理

三相整流单元为两电平四重化PWM整流器结构，单相逆变单元为4个2H桥级联多电平逆变器结构。T1、T2为三相三绕组降压隔离变压器，TQS1～TQS4为4个相同三相桥式整流器、C1～C4为4个独立的直流电容，HQS1～HQS4为4个相同2H桥式逆变器，T3为单相升压隔离变压器。

3 潮流控制器控制策略

潮流控制器装置是实现三相交流/单相交流变换的关键设备，其核心是两个电压型PWM变换器，对潮流控制器装置的控制即协调控制两个电压型PWM变换器，实现三相交流/单相交流变换。

由于潮流控制器装置采用了交-直-交变换结构，通过直流电容在两级变换器中传递能量，可以将三相整流和单相逆变分开控制。三相整流单元传递牵引负荷需要的有功功率，稳定直流侧电压，使得牵引供电系统对电力系统而言相当于一个三相对称纯阻性负载。单相逆变单元需要输出大小和相位可控的单相交流电压，供牵引负载使用。

3.1 单相逆变单元控制策略

单相逆变单元是需要采用准确高效的控制方法，根据牵引负载变化，控制逆变器快速输出稳定的牵引馈线电压，提供牵引负载需要的有功功率和无功功率。逆变器可以采用的控制方法种类繁多，可以分为开环控制、单环控制、双环控制以及多环控制[10]。双环控制由于控制性能良好，控制方便而得到较多的应用。考虑牵引负荷剧烈波动性，单相逆变单元采用双环控制方法，即电压外环电流内环控制，以实现输出电压的快速调节。控制原理如图3所示。

图3 单相逆变单元控制原理

3.2 三相整流单元控制策略

三相整流单元需要实现单位功率因数、低谐波含量、无负序整流，快速传递负载需要的有功功率，稳定直流电容电压。本文采用经典的电压外环电流内环的双闭环控制结构。双闭环控制的主要特点是物理意义清晰、控制结构简单、抗干扰性能力强，控制性能优良[11]。三相整流单元4组整流器控制原理相同，每组整流器稳定各自的直流电容电压，每组整流器有功分量给定计算值相等，为了降低整流单元网侧谐波含量，四组整流器三角载波相位依次相差π/2。第m组整流器控制原理如图4所示。

图4 三相整流单元控制原理

将电容指令电压Ud与实际电压ucm的差值经PI调解后，形成直流电压有功分量ip，ip与有功分量给定计算值Id相加，再与实际有功分量id,m的差值经PI调解后形成调制波有功分量ud,m，0与实际无功分量iq,m的差值经PI调解后形成调制波无功分量uq,m，经dq反变换后形成三相调制波uasm、ubsm、ucsm，三相调制波与三角载波相比，得到功率器件的开关信号，驱动整流单元工作。

每组整流器有功分量给定计算式为

(1)

式中：U1为变压器T1、T2的低压侧额定电压；UN、IN、cosφN分别为牵引馈线电压有效值、基波电流有效值、基波功率因数。

4 仿真验证

在Matlab/simulink模块下搭建同相贯通供电系统交直交综合潮流控制器模型。

模型参数设置如下：电力系统额定电压为110 kV，系统短路容量为500 MVA，T1、T2额定电压为110 kV/1.2 kV，直流侧电压为3.6 kV，C1=C2=C3=C4=0.2 F，T3额定电压为7.6 kV/27.5 kV，牵引馈线额定电压为27.5 kV，整流单元三角载波频率为300 Hz，逆变单元三角载波频率为250 Hz。

牵引负载为交直交型负载，负载初始功率为5 MW，0.3 s负载突变为10 MW。

(1)牵引负载为5 MW时的仿真波形如图5～图9所示。

图5 电力系统侧三相电压

图6 电力系统侧三相电流

图7 级联式逆变器输出电压

图8 牵引侧馈线电压

图9 牵引侧馈线电流

从图5～图9可以看出潮流控制器向5 MW的稳态牵引负载供电时，电力系统侧三相电流对称，并且与电压同相位，功率因数接近于1，谐波畸变率很低，使得牵引供电系统呈现出三相对称纯阻性负载特性，电力系统侧电能质量良好，牵引馈线电压能够稳定在27.5 kV，并且谐波畸变率很低，具有较高的电压质量。级联式多电平逆变器输出电压具有9个电平，比传统的交直交变换器输出电压更接近正弦，可以有效降低牵引馈线谐波电压。

(2)牵引负载由5 MW突变为10 MW时，仿真波形如图10～图12所示。

图10 电力系统侧三相电流

图11 牵引侧馈线电压

图12 牵引侧馈线电流

从图10～图12可以看出在牵引负载突变时，潮流控制器能够快速传递牵引负载需要的有功功率，能够快速调节牵引馈线电压，使其稳定在27.5 kV，动态性良好。

5 结语

(1)潮流控制器能够快速传递牵引负载需要的有功功率，实现单位功率因数、低谐波含量、无负序整流，使得牵引供电系统呈现出三相对称纯阻性负载特性，电力系统侧电能质量良好。

(2)潮流控制器能够根据牵引负载变化，快速提供牵引负载需要的有功功率，快速调节牵引馈线输出电压，具有良好的动态性。

(3)潮流控制器以较低的开关频率，降低了开关损耗，提高了变换器的等效开关频率，降低了变换器输出电压谐波含量，适合给牵引负载供电。

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常 非(1986-)，男，硕士研究生，研究方向为电能质量分析与控制。Email:verymuch_cool@126.com

冯金博(1985-)，男，硕士研究生，研究方向为电能质量分析与控制,。Email:muchvery_cool@126.com

赵丽平(1973-)，女，副教授，研究方向为电能质量分析与控制。Email:lpzhao@swjtu.cn

DesignofComprehensivePowerFlowControllerUsedinCo-phaseContinuousTractionPowerSupplySystem

CHANG Fei， FENG Jin-bo， ZHAO Li-ping

(School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

According to the problems of negative sequence, reactive power and harmonic that caused by traction power supply system, the AC/DC/AC topology comprehensive power flow controller used in co-phase continuous traction power supply system is proposed. It is composed of two-level four-multiple PWM rectifiers and four cascaded multilevel inverters. The power flow controller can achieve three-phase rectify in unit power factor and low harmonic content, transfer active power that traction load absorbs timely and make traction supply system be characteristics of three-phase symmetrical pure resistive load. Simulation results of the system under Matlab/Simulink are presented to verify the system's feasibility.

electrified railway； co-phase continuous power supply system； power flow controller； cascaded multilevel； multiple； power quality

TM922.3

A

1003-8930(2012)01-0054-05

2011-03-14；

2011-04-19

“十一五”国家科技支撑计划重点项目(2007BAA12B05)