陳 莉，楊 飏，陳 劍

0 引言

我國高鐵總里程和速度均居世界領(lǐng)先地位，確保高速鐵路安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行具有重要意義。牽引供電系統(tǒng)是高速鐵路動車組唯一的動力源，其供電質(zhì)量尤為重要。V型接線變壓器由兩組單相變壓器組成，結(jié)構(gòu)簡單，特別容易形成大容量供電系統(tǒng)，在我國高鐵中已得到廣泛應(yīng)用。

在傳統(tǒng)的同相供電系統(tǒng)中，多采用二極管箝位多電平背靠背變換器實(shí)現(xiàn)同相供電，該方法需要連接兩組背靠背結(jié)構(gòu)的單相變流器。然而，隨著系統(tǒng) 容量的進(jìn)一步擴(kuò)大，箝位元件的數(shù)量會大大增加，子模塊的電壓均衡控制需要配置額外的硬件輔助電路或算法。

隨著電力機(jī)車功率逐步提升，所需同相供電補(bǔ)償裝置容量也逐漸提高。而模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter，MMC）具有較高的開關(guān)頻率、較低的輸出THD（總諧波畸變率）和更容易模塊化擴(kuò)展的突出優(yōu)點(diǎn)[1]，可提升變流器的電壓等級和容量。文獻(xiàn)[2]研究了基于MMC的同相供電變流器，提出了一種基于MMC的鐵路功率調(diào)節(jié)器（MMC-RPC）。為提高單相交-直-交變流器的電壓水平和容量，文獻(xiàn)[3]提出了一種模塊化多電平功率變換關(guān)鍵技術(shù)，并進(jìn)行應(yīng)用研究，但仍不能完全取消電分相。文獻(xiàn)[4，5]提出了一種由同相供電、V/v接線變壓器和三相MMC結(jié)構(gòu)的有源濾波器（APC）組成的新型同相供電系統(tǒng)，并研究了該結(jié)構(gòu)的控制策略，由三相APC代替了兩相背靠背變換器，節(jié)省了一相變換器的橋臂和隔離變壓器。文獻(xiàn)[6，7]提出了一種基于三相單相變流器MMC結(jié)構(gòu)的貫通式同相供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)原理簡單，其最大優(yōu)勢是可以節(jié)省牽引變壓器，但仍然需要使用工頻升降壓變壓器進(jìn)行電壓匹配，并且所需電力電子設(shè)備數(shù)量明顯增加，影響系統(tǒng)的可靠性。

綜上，本文提出一種基于SPH-MMC的統(tǒng)一潮流控制器和V/v接線變壓器的同相牽引供電方案，并對其數(shù)學(xué)模型和控制方法進(jìn)行討論。根據(jù)數(shù)學(xué)模型和功率平衡原理，計(jì)算UPFC（統(tǒng)一潮流控制器）中各端口的補(bǔ)償電流，既能補(bǔ)償不平衡電流，也能補(bǔ)償牽引負(fù)荷波動引起的無功功率。為了協(xié)調(diào)不同工作單元之間坐標(biāo)的動態(tài)特性，給出基于SPH- MMC的同相供電潮流控制器的控制策略，包括系統(tǒng)級控制指令電流的生成、直流電容電壓均衡控制、基于PR調(diào)節(jié)器的二倍頻環(huán)流抑制、子模塊故障容錯(cuò)控制。通過一系列仿真實(shí)驗(yàn)證明該控制策略具有良好的控制性能。

1 新型同相牽引供電系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于V/v接線變壓器與SPH-MMC結(jié)合的同相供電系統(tǒng)如圖1所示，其中端口α和端口β分別與牽引變壓器T1和T2相連接，端口α取消了牽引變電所出口處的電分相，實(shí)現(xiàn)了同相供電。端口α不僅與端口β之間可以實(shí)現(xiàn)功率傳遞和負(fù)序補(bǔ)償，還具有無功補(bǔ)償能力。UPFC的超前相α相與變流器通過LC耦合支路連接。經(jīng)過精確計(jì)算，其不僅可平濾諧波，還能產(chǎn)生無功功率，從而提高變流器補(bǔ)償諧波和無功的能力。

圖1 V/v接線變壓器與單相H橋模塊化 多電平換流器結(jié)合的同相供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 補(bǔ)償原理

通過SPH-MMC能量的雙向傳遞，可以消除電力系統(tǒng)三相不平衡，徹底取消電分相，同時(shí)補(bǔ)償無功與諧波。

設(shè)牽引負(fù)荷電流表示為

將式（1）兩邊乘以sinωt后得

式中：iL為負(fù)載電流；ILpsinωt為負(fù)載電流基波有功分量；ILqcosωt為負(fù)載電流基波無功分量；iLh為負(fù)載電流諧波分量。

為提高實(shí)際應(yīng)用中低通濾波器的精度和動態(tài)速度，本文提出改進(jìn)的有功電流分離檢測方法，生成α側(cè)和β側(cè)SPH-MMC電流環(huán)控制的指令電流iref_cα和iref_cβ：

式中：Idc為直流母線電流。

2 控制策略

基于上述綜合補(bǔ)償原理，建立如圖2所示的基于SPH-MMC的控制策略模型。系統(tǒng)控制主要包括三部分：

（1）電流跟蹤控制。UPFC的主要功能是跟蹤參考補(bǔ)償電流，其性能直接決定了整個(gè)系統(tǒng)的性能。通過預(yù)測電流模塊，可以迫使實(shí)際電流跟蹤參考電流，實(shí)現(xiàn)良好的動態(tài)補(bǔ)償。

（2）SPH-MMC穩(wěn)壓控制。為了確保SPH- MMC功率控制器工作穩(wěn)定，輸出波形質(zhì)量好，引入SPH-MMC子模塊穩(wěn)壓控制，包括平衡控制和均值控制。平衡控制是由電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)組成的雙閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，一方面，電壓外環(huán)激勵跟蹤參考電壓，另一方面，當(dāng)前的內(nèi)部循環(huán)使實(shí)際環(huán)流跟蹤該相單元的環(huán)流指令值iz，從而抑制循環(huán)。均值控制將有功分量疊加在橋臂上，迫使Uci跟蹤，然后可以獲得一個(gè)誤差值，從而通過PI控制器對兩者的差值進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終得到能量均分控制策略的調(diào)制修正量。

（3）不平衡環(huán)流控制。考慮到SPH-MMC的內(nèi)部環(huán)流會引起暫態(tài)過程的不平衡和擾動，可首先通過陷波濾波器去除橋臂間環(huán)流ijz中的二次基頻分量，得到二次環(huán)流ijz2，然后將二次環(huán)流與參考值的差值發(fā)送到比例諧振控制器進(jìn)行跟蹤處理，得到所需的參考電壓補(bǔ)償信號*CV，從而有效抑制環(huán)流中的二次基頻分量。

最后，利用瞬態(tài)直接電流控制使變流器端口電流icα、icβ跟蹤指令值iref_cα、iref_cβ，并從輸出中減去環(huán)流抑制器的輸出，形成背靠背變流器兩側(cè)的相端口參考電壓uref_αo、uref_βo。然后用最近電平調(diào)制和脈寬調(diào)制相結(jié)合的混合調(diào)制法得到Np_on、Nn_on，改進(jìn)型NL-PWM工作于PWM模式的子模塊采用單極倍頻調(diào)制，階梯波電壓與PWM波電壓相加，即可得到各模塊的觸發(fā)脈沖。在此基礎(chǔ)上對PHM- MMC各橋臂子模塊的投入與切除進(jìn)行控制，最終實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償目標(biāo)的可控性。

圖2 SPH-MMC綜合潮流控制器控制策略模型

3 仿真驗(yàn)證

為了驗(yàn)證新方案的工作特性，利用Matlab/ Simulink進(jìn)行仿真，建立3種連續(xù)工況來反映牽引負(fù)荷的波動性和非線性，仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

建立3種工況：工況1，牽引負(fù)荷的視在功率設(shè)置為5 MV·A，補(bǔ)償前的功率因數(shù)為0.85；工況2，牽引負(fù)荷視在功率設(shè)置為20 MV·A，補(bǔ)償前功率因數(shù)為0.90；工況3，牽引負(fù)荷視在功率設(shè)置為30 MV·A，補(bǔ)償前功率因數(shù)為0.95。圖3和圖4為上述3種工況對應(yīng)的牽引負(fù)荷電流有效值及有功和無功功率的變化情況。

圖3 負(fù)載電流

圖4 牽引負(fù)荷有功功率和無功功率

完全補(bǔ)償和部分補(bǔ)償?shù)碾娋W(wǎng)側(cè)三相電壓、電流如圖5所示?？梢钥闯?，設(shè)定不同的補(bǔ)償目標(biāo)后，系統(tǒng)仍然可以得到預(yù)期結(jié)果。特別是在圖5（b）和圖5（d）中，當(dāng)實(shí)際不平衡比優(yōu)于目標(biāo)值時(shí)，系統(tǒng)可以選擇不補(bǔ)償負(fù)序電流，同時(shí)，完全補(bǔ)償和半補(bǔ)償?shù)碾娋W(wǎng)側(cè)三相電流在0.2 s處和0.4 s處發(fā)生改變，對應(yīng)3種工況下牽引負(fù)荷及補(bǔ)償目標(biāo)的切換，驗(yàn)證了補(bǔ)償目標(biāo)的可控性。

圖5 補(bǔ)償后電網(wǎng)側(cè)三相電壓電流

圖6所示為部分仿真波形。圖6（a）中，SPH- MMC直流側(cè)電壓在額定值5 400 V時(shí)基本穩(wěn)定，波動幅度約為0.92%。圖6（b）中，無論負(fù)載如何變化，子模塊電容電壓始終保持穩(wěn)定，波動幅度穩(wěn)定在2%以內(nèi)，即穩(wěn)定在1 813～1 887 V范圍內(nèi)，說明了所采取的電容電壓控制策略的有效性。如圖6（c）所示，橋臂間二倍頻環(huán)流以及高頻環(huán)流在開啟環(huán)流控制器以后明顯得到抑制，同時(shí)橋臂電流的畸變也很小，表明了該控制策略的有效性。由圖6（d）一次側(cè)三相電流諧波分析結(jié)果可知，iA、iB、iC的THD值分別為1.02%、1.12%和1.14%，畸變率在3%以內(nèi)，滿足國家電能質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)的要求，其高次諧波主要集中在3倍基頻和整數(shù)倍附近。

圖6 部分仿真波形

4 結(jié)語

本文提出了一種基于SPH-MMC的新型同相牽引供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以降低單相牽引負(fù)荷引起的三相不平衡度，提高功率因數(shù)，降低諧波含量，為高速列車提供持續(xù)動力。建立了新型同相牽引供電系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，該模型徹底取消了牽引變電所出口處的電分相，實(shí)現(xiàn)了同相供電。推導(dǎo)了基于SPH-MMC的UPFC補(bǔ)償電流，分析了其環(huán)流特性，基于PI控制器的環(huán)流抑制結(jié)合NL-PWM，很好地抑制了橋臂環(huán)流。提出了一種分層控制策略，仿真結(jié)果顯示，直流母線電壓以及SPH-MMC子模塊電容的電壓始終保持穩(wěn)定，在3種工況下均具有良好的動態(tài)性能，證明了控制策略的有效性和正確性。