王全恒　劉昊誠　趙偉

摘 要：牽引供電裝置在城市交通中扮演著重要的角色，尤其是對軌道交通的貢獻(xiàn)。電車無法回饋再生制動(dòng)能量和功率因數(shù)偏低是當(dāng)前軌道交通中明顯存在的兩個(gè)問題?；旌鲜綘恳╇娧b置是解決這兩個(gè)問題的最佳途徑，該裝置包括PWM整流器機(jī)組和24脈波整流器機(jī)組。本文以提高城市軌道供電系統(tǒng)的效益為切入點(diǎn)，全面論述了混合式牽引供電裝置的技術(shù)要求，然后對交流側(cè)諧波穩(wěn)定性與電流限制、直流側(cè)電壓諧波抑制和低直流電壓條件下裝置容量如何擴(kuò)大3個(gè)重點(diǎn)問題進(jìn)行詳細(xì)的分析和研究。

關(guān)鍵詞：關(guān)鍵技術(shù)；混合式牽引供電裝置；穩(wěn)定性

社會在不斷地發(fā)展，社會的發(fā)展必然需要并推動(dòng)交通的發(fā)展，而軌道系統(tǒng)作為一種重要的環(huán)保節(jié)能的交通方式，必然受到政府的鼓勵(lì)與支持。我國的城軌交通事業(yè)正處在精心設(shè)計(jì)與興旺發(fā)展的階段，其一定會帶動(dòng)其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，為城軌交通關(guān)鍵技術(shù)的研究突破奠定雄厚的技術(shù)基礎(chǔ)。國家政府的重視與技術(shù)資本的雄厚為城軌交通的發(fā)展提供了保障，牽引供電系統(tǒng)又是城軌交通的核心，是電車正常運(yùn)行的有力保障，所以對牽引供電的研究與分析是極為必要的。本文針對交流側(cè)諧波穩(wěn)定性與電流限制、直流側(cè)電壓諧波抑制和低直流電壓條件下裝置容量如何擴(kuò)大3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了較為詳細(xì)的探討，同時(shí)還研究了混合式牽引供電裝置交流側(cè)諧波優(yōu)化與穩(wěn)定性、分合式牽引供電裝置直流側(cè)電壓諧波的抑制方法和低直流電壓條件下混合式牽引供電裝置容量的擴(kuò)大。

1 混合式牽引供電裝置交流側(cè)諧波優(yōu)化與穩(wěn)定性研討

1.1 牽引供電裝置交流側(cè)諧波抑制與穩(wěn)定性分析及策略

眾所周知，由PWM整流器支撐的電容諧波電壓將對供電裝置產(chǎn)生影響，有必要對其進(jìn)行抑制。一旦由直流輸出側(cè)的諧波電壓支撐的直流牽引網(wǎng)并網(wǎng)的設(shè)備過多以及電氣網(wǎng)絡(luò)變得復(fù)雜，就會導(dǎo)致電壓震蕩，因此對輸出側(cè)諧波電壓的抑制對電流穩(wěn)定大有作用。首先，通過對脈波整流器工作原理的分析，可總結(jié)出脈波整流器直流側(cè)諧波電壓的新算法。嘗試結(jié)合單次諧波理論知識，歸納出以電流諧波畸變因數(shù)為結(jié)果的網(wǎng)側(cè)濾波器諧波電流含量的算法?；诖耍僖跃W(wǎng)側(cè)濾波器取值的限制變量，得出電感量最小的網(wǎng)側(cè)濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)策略。其次，透徹分析網(wǎng)側(cè)濾波器的頻率特性，并結(jié)合電壓定向雙閉環(huán)PI控制方法，離散電流環(huán)的控制模型，可歸納出控制器參數(shù)調(diào)諧對系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)靜態(tài)性能影響的基本規(guī)律。最后，再借助分析諧振頻率、阻尼電阻、網(wǎng)側(cè)附加阻抗和附加時(shí)延環(huán)節(jié)對控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響，模擬仿真和小功率樣機(jī)實(shí)驗(yàn)，對基本策略和規(guī)律進(jìn)行有力驗(yàn)證。

1.2 驗(yàn)證與分析

由空載的案例分析得知，設(shè)置的直流側(cè)平衡電抗器和增大變壓器副變漏感這兩種拓?fù)涞闹C波含量一致，并且與本文歸納的諧波算法計(jì)算結(jié)果符合；由重載的案例分析得知，盡管諧波的分布與空載案例一致，但二者的拓?fù)渲C波含量有出入，拓?fù)?的各次諧波較大，平均值下降，主要是因?yàn)槁└械脑龃髱韱蝹€(gè)整流橋換相重疊過程的加劇。

2 直流電壓條件下混合式牽引供電裝置容量

在低直壓條件下，如果混合式牽引供電裝置的單位功率因數(shù)控制的PWM整流器功率輸出能力不足，會對城軌牽引供電系統(tǒng)造成影響，以致電車無法正常地運(yùn)行。但基于對固定開關(guān)模式相角控制策略的研究，然后研究出有功與無功協(xié)調(diào)控制的參數(shù)設(shè)計(jì)方法，并平衡裝置輸出有功功率的提高和無功補(bǔ)償兩方面的比例，以改善過渡過程的動(dòng)態(tài)特性。

2.1 策略——固定開關(guān)模式相角控制

如果直流電壓降低到一定程度，PWM整流器機(jī)組就需要通過輔助性地輸出合適的有功功率來提升直流電壓，滿足供電牽引需求。但是很明顯，PWM整流器是升壓整流器，為了保證單位功率因數(shù)的正常運(yùn)行，其橋臂應(yīng)該輸出的交流電壓幅值一定要足夠大，這就意味著低壓下PWM整流器難以輸出充足的有功功率。

2.2 策略——有功、無功協(xié)調(diào)控制

根據(jù)傳統(tǒng)的固定開關(guān)模式相角控制，可提出新型有效的有功、無功協(xié)調(diào)控制策略來解決當(dāng)前問題。在混合供電裝置雙向變流基本能力能夠繼續(xù)發(fā)揮作用的前提下，向中壓環(huán)網(wǎng)輸出恒定的感性無功功率，以對電纜的容性進(jìn)行無功補(bǔ)償，即將重新優(yōu)化設(shè)計(jì)電網(wǎng)電壓幅值作為必要前提，加強(qiáng)供電裝置在額定直壓下輸出有功和無功功率的能力，加強(qiáng)在低直壓下有功功率輸出的能力，完善供電裝置功率變化時(shí)直壓的過渡性能，提高牽引系統(tǒng)功率因數(shù)。

2.3 兩種策略對比

3 結(jié)束語

本文分析了城市軌道混合式牽引供電裝置交直流側(cè)的技術(shù)需求，并依據(jù)需求引出的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究；然后分析了直流側(cè)諧波特性，并基于直流側(cè)小信號模型總結(jié)出直流電壓諧波抑制策略，這種策略可以提高電壓的平穩(wěn)度，減小電壓諧波；通過討論電網(wǎng)電壓畸變以及變壓器位移相對誤差對脈波整流器直壓特性的影響，得出了一種更為有效清晰的電壓諧波算法；推導(dǎo)出了供電裝置的直流側(cè)小信號模型，得出了濾波電感的取值優(yōu)化過程，并結(jié)合實(shí)例進(jìn)行了驗(yàn)證和說明。

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（作者單位：1.青島地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營分公司；2.成都地鐵運(yùn)營有限公司；3.青島地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營分公司）