24kV柔性直流铁路牵引供电系统的分层控制对策

中铁三局集团电务工程有限公司 郭思红

关键字：供电系统；分层控制；铁路牵引；24kV柔性直流

铁路使用工频单相交流供电模式，牵引变电所出口、分区均处于电分相的情况，该情况下导致机车速度减缓等一系列问题。随着电力技术的发展，依托模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）的24kV直流牵引供电系统受到更多的研究，其具有取消电分相、治理电能质量等优点受到更多学者的关注。这种新型的供电系统机车负荷可借助贯通牵引网络自任意牵引变电所获得电能。这种状态下，如何更好地协调不同并联状态下的牵引变电所，确保电网的稳定性，成为24kV直流铁路牵引供电系统正常运行的关键。

1 柔性直流输电结构

柔性直流输电技术是采用电压源换流器、脉宽调制等为基础一种新型的直流输电技术。开展远距离、大功率输电时，直流输电未受到同步运行稳定方面的制约，从而确保两端电网可以稳定地运行[1]。处于长距离的交流输电系统内，传输线路存在较大的感抗，甚至明显大于线路电路。即线路越大，电抗更大，线路产生的电能损失更大。此外，铁路牵引供电系统想要维持稳定性比较困难，这种情况下会限制交流输电技术的发展。对直流输电系统而言，输电线路相当于仅有电阻，无电抗。基于此，并不存在以上稳定性方面的问题，表明直流输电技术在长距离输电上具有独特的优势。柔性直流输电过程中如果发生潮流反转，其技术优势能确保电压的极性不变，方便组成多段直流系统，对于多个频率各系统直接互联发挥着重要的作用。

柔性直流输电设备包含换流变压器、交流滤波器等。其中，直流电容器其电容直接影响抑制直流电压波动情况，发挥着稳定直流侧电压的效果。直流电容器是一个重要的储能元件，其能够缓冲桥臂开断条件下的冲击电流，避免直流侧电压发生较大的波动，对电压电流发挥相应的滤波效果。换流电抗器作为换流站不可缺少的一部分，其容量直接影响换流站的换流情况。基于此，必须谨慎选择。电抗器主要功能在于限制短路电流，也能对系统内谐波分量进行滤除，从而得到良好的电压电流波形，确保获得理想的效果[2]。

交流滤波器旨在有效滤除电压内的高次谐波，从而得到理想波形,交流滤波器容量根据实际情况进行确定。换流变压器除选取常规的变压器，为确保变压器内不包含谐波分量，变压器连接使用一次侧绕组星形接线法，未涉及三次谐波磁通回路[3]。二次侧绕组使用三角形接线法，电流处于三角形绕组中组成环流，确保输出电流不包括谐波及直流电流分量，实现系统间的电气隔离。

2 离散时间动态一致性算法

这种算法依托本地牵引变电所与周围牵引变电站之间进行信息交互，及时更新其状态变量，顺利实现不同变电所状态变量收敛得到相应的共同值。处于动态条件下，这种算法可以得到准确的收敛值。本文使用的离散时间动态一致性算法表达式如下：

上式中，ε代表调整系数；不同牵引变电所状态变量经过收敛获得共同值与zi存在密切的关系，无论zi如何改变，一致性算法经过处理得到相应的平均值：

这种算法内每一个牵引变电所通过遥信相通的两牵引变电所获得的输出电压及功率标幺值，就能获取系统全部牵引变电所输出电压及其功率标幺值平均数，从而减少通信所用成本。

离散时间动态一致性算法输入信息为变电所输出电压或功率标幺值的初始状态，输出则是这两个数值的第k次迭代。累积偏差作为一个状态变量，用δij（k）表示。针对这种情况，获得这种算法下输出电压的状态空间方程：

同理，能够获得输出功率标幺值的状态空间方程。对控制系统与相应的状态空间模型进行整合处理，得到：

分析上述模型可知，铁路牵引供电系统内牵引变电所数量发生改变，整合处理获取的状态空间模型及矩阵Gdis会随之发生改变，这些状态空间模型满足不同数量变电所并联运行的实际需求。

3 牵引供电系统分层控制

柔性直流铁路牵引供电系统控制环节包含不同类型的控制器，其中外环功率控制器包含有功、无功功率控制器、交流电压控制器等。为满足不同牵引变电所依据其额定容量，按照比例分担负荷功率的目标，文中依托离散时间动态一致性算法实施分层控制，其结构见图1。uabc、iabc依次表示变压器降压处理后所输出三相交流电压、电流；udc、P分别代表牵引变电所输出电压、功率。从牵引变电所视角分析，其控制策略如下：一是下垂、双闭环控制。这种控制方法通过电压及功率调节器获得电压补偿项，便于对输出电压参考数值予以修正处理：

使用下垂控制策略，牵引变电所输出的电压计算公式为：

上式中，udci取值；Rdi代表变电所i相应的下垂系数。

二是电压及功率调节器控制。离散时间动态一致性算法能获得输出电压及功率的平均值，主要功能在于获取输出电压及其偏差的补偿项。其中，功率调节器把输出的功率标幺值平均数与本地的变电所额定容量成绩及功率差值输入到PI控制器内，获得输出电压功率补偿ΔU1，其公式如下：

上述式子中，SNi、Pi依次代表牵引变电所i输出功率、额定容量；代表根据文中所用一致性算法获取各牵变电所输出功率标幺值相应的平均数；kpsp、kisp。分别表示功率调节器相应的比例、积分系数。

电压调节器把变电所输出的电压额定值与一致性算法获取电压平均数之间的差值输入IP控制器中，获得电压偏差补偿项ΔU2：

上式中，kpsv、kisv依次代表电压调节器比例及积分系数；是根据算法获取系统内各牵引变电所输出电压相应的平均数；U＊表示变电所处于空载条件下直流侧电压提供的参考值。

离散时间动态一致性算法所需信息通过低宽带通信网络进行传输，除了首尾牵引变电所之外，其他支持与相邻两个牵引变电所之间进行通信，进而组成环形通信网络。如果某一个牵引变电所由于故障无法运行或者任意两个牵引变电所之间通信存在故障，控制系统内的所用算法可依据通信网络传递信息，便于获取准确地平均值。这种做法有利于改善集中通信可靠性不高的情况，但出现通信故障引起供电系统崩溃的弊端。

4 仿真分析

为进一步检验文中提及分层控制策略的效果，依托Matlab/Simulink搭建相应的仿真系统，其包含4个牵引变电所，这些变电所均处于并联运行状态，每一个变电所包含降压变压器及电平半桥型MMC构成。机车使用与牵引变电所相似的结构，其直流侧连接牵引网，通过定功率进行控制。如果机车处于牵引工况条件下，MMC运行于逆变状态，自牵引网得到电能，功率是8MW。如果机车处在再生制动状态下，MMC工作时会向牵引网注入相应的电能，其功率是3MW。系统电压环比例、积分系数依次为0.9kpv、53.25kiv，下垂系数为8Rd/10-5，电压调节器比例、积分系数分别为0.4kpsv、3.8kisv，电流环积分系数为75kii，比例系数是3kpi。系统设定参数见表1。

表1 系统各项参数

4.1 负荷移动及发生突变

根据牵引负荷发生移动及突变，查看牵引变电所输出电压及功率情况。仿真开始时期，机车根据图2所示连接系统。开展仿真工作时，机车负荷以1h/300km速度向右移动，这一环节机车与牵引变电所之间的线路阻抗增减进行模拟。研究结果表明，如果负荷发生突变，不同牵引变电所输出电压能够快速稳定在标准范围之内，且负荷出现异动，其输出电压依然处于稳定状态。加之，因铁路牵引供电系统内部功率流动，使得不同牵引变电所输出电压有所差异，但采用离散时间动态一致性算法获取的输出电压平均值稳定于额定电压之内。当负荷发生改变，系统能够迅速实现功率分配。负荷处于变化的状态，所用算法能快速获取牵引变电所输出功率的平均数值。

4.2 变电所发生故障

对铁路牵引供电系统进行仿真研究时，1.2s条件下TSS#2发生故障，断开与其他变电所之间的通信，2.5s条件下TSS#2故障修复，且能够恢复通信状况。仿真结果如图3所示。根据图3（a），如果TSS#2发生故障需要退出运行，与之对应的输出电压、功率均是0。其他变电所输出电压出现突变但能快速保持稳定的状态，并增加输出功率为牵引负荷实现供电。当系统故障修复完成，各牵拉变电所均能及时恢复到正常状态。分析图3（b）可知，如果存在故障的变电所难以与其他正常的变电所相通信，处于正常状态下的牵引变电所控制系统中所用离散时间动态一致性算法依然能获得正确均值，促使铁路牵引供电系统维持在稳定的状态。

4.3 再生制动分析

对系统进行仿真工作时，需要将机车再生制动情况考虑在内，1.1s、2s条件下2号机车分别为牵引变为再生制定、再生制动变成牵引状态。仿真分析发现，处于再生制动条件下，不同的牵引变电所可以输出较为稳定的直流电压，根据比例分担相应的负荷功率。

5 结论

综上所述，随着国内高速铁路的发展，慢慢成为拥有自主知识产权的重要技术，铁路供电技术是主要的一环，必须高效率利用各项资源。根据24kV直流牵引供电系统并联运行状态下的协调控制问题，提出依托离散时间动态一致性算法实施分层控制的研究。本文所用分层控制策略运用系统各牵引变电所容量，有利于提升变电所容量利用率及协调过负载能力，对冲击性牵引负荷展现出良好的适应性。在未来工作中，研究人员应结合铁路牵引供电系统特点，开展深入的研究，促使柔性直流输电技术得到推广使用。