中鐵三局集團電務工程有限公司 郭思紅

關鍵字：供電系統；分層控制；鐵路牽引；24kV柔性直流

鐵路使用工頻單相交流供電模式，牽引變電所出口、分區(qū)均處于電分相的情況，該情況下導致機車速度減緩等一系列問題。隨著電力技術的發(fā)展，依托模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter，MMC）的24kV直流牽引供電系統受到更多的研究，其具有取消電分相、治理電能質量等優(yōu)點受到更多學者的關注。這種新型的供電系統機車負荷可借助貫通牽引網絡自任意牽引變電所獲得電能。這種狀態(tài)下，如何更好地協調不同并聯狀態(tài)下的牽引變電所，確保電網的穩(wěn)定性，成為24kV直流鐵路牽引供電系統正常運行的關鍵。

1 柔性直流輸電結構

柔性直流輸電技術是采用電壓源換流器、脈寬調制等為基礎一種新型的直流輸電技術。開展遠距離、大功率輸電時，直流輸電未受到同步運行穩(wěn)定方面的制約，從而確保兩端電網可以穩(wěn)定地運行[1]。處于長距離的交流輸電系統內，傳輸線路存在較大的感抗，甚至明顯大于線路電路。即線路越大，電抗更大，線路產生的電能損失更大。此外，鐵路牽引供電系統想要維持穩(wěn)定性比較困難，這種情況下會限制交流輸電技術的發(fā)展。對直流輸電系統而言，輸電線路相當于僅有電阻，無電抗。基于此，并不存在以上穩(wěn)定性方面的問題，表明直流輸電技術在長距離輸電上具有獨特的優(yōu)勢。柔性直流輸電過程中如果發(fā)生潮流反轉，其技術優(yōu)勢能確保電壓的極性不變，方便組成多段直流系統，對于多個頻率各系統直接互聯發(fā)揮著重要的作用。

柔性直流輸電設備包含換流變壓器、交流濾波器等。其中，直流電容器其電容直接影響抑制直流電壓波動情況，發(fā)揮著穩(wěn)定直流側電壓的效果。直流電容器是一個重要的儲能元件，其能夠緩沖橋臂開斷條件下的沖擊電流，避免直流側電壓發(fā)生較大的波動，對電壓電流發(fā)揮相應的濾波效果。換流電抗器作為換流站不可缺少的一部分，其容量直接影響換流站的換流情況?；诖?，必須謹慎選擇。電抗器主要功能在于限制短路電流，也能對系統內諧波分量進行濾除，從而得到良好的電壓電流波形，確保獲得理想的效果[2]。

交流濾波器旨在有效濾除電壓內的高次諧波，從而得到理想波形,交流濾波器容量根據實際情況進行確定。換流變壓器除選取常規(guī)的變壓器，為確保變壓器內不包含諧波分量，變壓器連接使用一次側繞組星形接線法，未涉及三次諧波磁通回路[3]。二次側繞組使用三角形接線法，電流處于三角形繞組中組成環(huán)流，確保輸出電流不包括諧波及直流電流分量，實現系統間的電氣隔離。

2 離散時間動態(tài)一致性算法

這種算法依托本地牽引變電所與周圍牽引變電站之間進行信息交互，及時更新其狀態(tài)變量，順利實現不同變電所狀態(tài)變量收斂得到相應的共同值。處于動態(tài)條件下，這種算法可以得到準確的收斂值。本文使用的離散時間動態(tài)一致性算法表達式如下：

上式中，ε代表調整系數；不同牽引變電所狀態(tài)變量經過收斂獲得共同值與zi存在密切的關系，無論zi如何改變，一致性算法經過處理得到相應的平均值：

這種算法內每一個牽引變電所通過遙信相通的兩牽引變電所獲得的輸出電壓及功率標幺值，就能獲取系統全部牽引變電所輸出電壓及其功率標幺值平均數，從而減少通信所用成本。

離散時間動態(tài)一致性算法輸入信息為變電所輸出電壓或功率標幺值的初始狀態(tài)，輸出則是這兩個數值的第k次迭代。累積偏差作為一個狀態(tài)變量，用δij（k）表示。針對這種情況，獲得這種算法下輸出電壓的狀態(tài)空間方程：

同理，能夠獲得輸出功率標幺值的狀態(tài)空間方程。對控制系統與相應的狀態(tài)空間模型進行整合處理，得到：

分析上述模型可知，鐵路牽引供電系統內牽引變電所數量發(fā)生改變，整合處理獲取的狀態(tài)空間模型及矩陣Gdis會隨之發(fā)生改變，這些狀態(tài)空間模型滿足不同數量變電所并聯運行的實際需求。

3 牽引供電系統分層控制

柔性直流鐵路牽引供電系統控制環(huán)節(jié)包含不同類型的控制器，其中外環(huán)功率控制器包含有功、無功功率控制器、交流電壓控制器等。為滿足不同牽引變電所依據其額定容量，按照比例分擔負荷功率的目標，文中依托離散時間動態(tài)一致性算法實施分層控制，其結構見圖1。uabc、iabc依次表示變壓器降壓處理后所輸出三相交流電壓、電流；udc、P分別代表牽引變電所輸出電壓、功率。從牽引變電所視角分析，其控制策略如下：一是下垂、雙閉環(huán)控制。這種控制方法通過電壓及功率調節(jié)器獲得電壓補償項，便于對輸出電壓參考數值予以修正處理：

使用下垂控制策略，牽引變電所輸出的電壓計算公式為：

上式中，udci取值；Rdi代表變電所i相應的下垂系數。

二是電壓及功率調節(jié)器控制。離散時間動態(tài)一致性算法能獲得輸出電壓及功率的平均值，主要功能在于獲取輸出電壓及其偏差的補償項。其中，功率調節(jié)器把輸出的功率標幺值平均數與本地的變電所額定容量成績及功率差值輸入到PI控制器內，獲得輸出電壓功率補償ΔU1，其公式如下：

上述式子中，SNi、Pi依次代表牽引變電所i輸出功率、額定容量；代表根據文中所用一致性算法獲取各牽變電所輸出功率標幺值相應的平均數；kpsp、kisp。分別表示功率調節(jié)器相應的比例、積分系數。

電壓調節(jié)器把變電所輸出的電壓額定值與一致性算法獲取電壓平均數之間的差值輸入IP控制器中，獲得電壓偏差補償項ΔU2：

上式中，kpsv、kisv依次代表電壓調節(jié)器比例及積分系數；是根據算法獲取系統內各牽引變電所輸出電壓相應的平均數；U＊表示變電所處于空載條件下直流側電壓提供的參考值。

離散時間動態(tài)一致性算法所需信息通過低寬帶通信網絡進行傳輸，除了首尾牽引變電所之外，其他支持與相鄰兩個牽引變電所之間進行通信，進而組成環(huán)形通信網絡。如果某一個牽引變電所由于故障無法運行或者任意兩個牽引變電所之間通信存在故障，控制系統內的所用算法可依據通信網絡傳遞信息，便于獲取準確地平均值。這種做法有利于改善集中通信可靠性不高的情況，但出現通信故障引起供電系統崩潰的弊端。

4 仿真分析

為進一步檢驗文中提及分層控制策略的效果，依托Matlab/Simulink搭建相應的仿真系統，其包含4個牽引變電所，這些變電所均處于并聯運行狀態(tài)，每一個變電所包含降壓變壓器及電平半橋型MMC構成。機車使用與牽引變電所相似的結構，其直流側連接牽引網，通過定功率進行控制。如果機車處于牽引工況條件下，MMC運行于逆變狀態(tài)，自牽引網得到電能，功率是8MW。如果機車處在再生制動狀態(tài)下，MMC工作時會向牽引網注入相應的電能，其功率是3MW。系統電壓環(huán)比例、積分系數依次為0.9kpv、53.25kiv，下垂系數為8Rd/10-5，電壓調節(jié)器比例、積分系數分別為0.4kpsv、3.8kisv，電流環(huán)積分系數為75kii，比例系數是3kpi。系統設定參數見表1。

表1 系統各項參數

4.1 負荷移動及發(fā)生突變

根據牽引負荷發(fā)生移動及突變，查看牽引變電所輸出電壓及功率情況。仿真開始時期，機車根據圖2所示連接系統。開展仿真工作時，機車負荷以1h/300km速度向右移動，這一環(huán)節(jié)機車與牽引變電所之間的線路阻抗增減進行模擬。研究結果表明，如果負荷發(fā)生突變，不同牽引變電所輸出電壓能夠快速穩(wěn)定在標準范圍之內，且負荷出現異動，其輸出電壓依然處于穩(wěn)定狀態(tài)。加之，因鐵路牽引供電系統內部功率流動，使得不同牽引變電所輸出電壓有所差異，但采用離散時間動態(tài)一致性算法獲取的輸出電壓平均值穩(wěn)定于額定電壓之內。當負荷發(fā)生改變，系統能夠迅速實現功率分配。負荷處于變化的狀態(tài)，所用算法能快速獲取牽引變電所輸出功率的平均數值。

4.2 變電所發(fā)生故障

對鐵路牽引供電系統進行仿真研究時，1.2s條件下TSS#2發(fā)生故障，斷開與其他變電所之間的通信，2.5s條件下TSS#2故障修復，且能夠恢復通信狀況。仿真結果如圖3所示。根據圖3（a），如果TSS#2發(fā)生故障需要退出運行，與之對應的輸出電壓、功率均是0。其他變電所輸出電壓出現突變但能快速保持穩(wěn)定的狀態(tài)，并增加輸出功率為牽引負荷實現供電。當系統故障修復完成，各牽拉變電所均能及時恢復到正常狀態(tài)。分析圖3（b）可知，如果存在故障的變電所難以與其他正常的變電所相通信，處于正常狀態(tài)下的牽引變電所控制系統中所用離散時間動態(tài)一致性算法依然能獲得正確均值，促使鐵路牽引供電系統維持在穩(wěn)定的狀態(tài)。

4.3 再生制動分析

對系統進行仿真工作時，需要將機車再生制動情況考慮在內，1.1s、2s條件下2號機車分別為牽引變?yōu)樵偕贫?、再生制動變成牽引狀態(tài)。仿真分析發(fā)現，處于再生制動條件下，不同的牽引變電所可以輸出較為穩(wěn)定的直流電壓，根據比例分擔相應的負荷功率。

5 結論

綜上所述，隨著國內高速鐵路的發(fā)展，慢慢成為擁有自主知識產權的重要技術，鐵路供電技術是主要的一環(huán)，必須高效率利用各項資源。根據24kV直流牽引供電系統并聯運行狀態(tài)下的協調控制問題，提出依托離散時間動態(tài)一致性算法實施分層控制的研究。本文所用分層控制策略運用系統各牽引變電所容量，有利于提升變電所容量利用率及協調過負載能力，對沖擊性牽引負荷展現出良好的適應性。在未來工作中，研究人員應結合鐵路牽引供電系統特點，開展深入的研究，促使柔性直流輸電技術得到推廣使用。