組合式同相供電系統(tǒng)補(bǔ)償算法與控制策略優(yōu)化

1、組合式同相供電系統(tǒng)補(bǔ)償算法與控制策略優(yōu)化計(jì)劃項(xiàng)目的資助下，首套同相供電裝置在成（都）昆（明）鐵路眉山奉引變電所投入運(yùn)行。2015年1月首套單三相組合式同相供甯系統(tǒng)在中南通道沙峪奉引變電所投入運(yùn)行，整體運(yùn)行性能良好。此外,采用同相供電技術(shù)的溫州市域鐵路S1線已經(jīng)正式列入國家戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)示范線工程。為了滿足高壓和大容量工程應(yīng)用需求，作為同相供電系統(tǒng)的核心裝置，同相補(bǔ)償裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、補(bǔ)償策略及控制策略成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。其中眉山奉引變電所同相補(bǔ)償裝置采用多重化技術(shù)，具有功率等級(jí)高、輸出諧波含量彳瞪優(yōu)點(diǎn)，但受功率開關(guān)器件耐壓水平限制,需要通過隔離匹配變壓器接人奉引母線，這不僅增加了系統(tǒng)損筋口成本，而

2、且使得工頻變壓器磁路耦合關(guān)系復(fù)雜功率單元輸出的端口電壓瞅中波形正負(fù)不對(duì)稱也會(huì)導(dǎo)致變壓器發(fā)生直流磁化。中南部重載鐵路沙峪奎引變電所同相補(bǔ)償裝置在電網(wǎng)側(cè)采用級(jí)聯(lián)H橋鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)，在牽引側(cè)由多繞組變壓器構(gòu)成并聯(lián)多重化結(jié)構(gòu)，但隨著補(bǔ)償裝置電平數(shù)增加，多繞組隔離匹配變壓器的設(shè)計(jì)和制造變得非常復(fù)雜。近些年在高壓直流輸電領(lǐng)域，模塊化多電平變換器（modularmultilevelconverter,MMC）作為一種新型多電平電壓源型變流器，不僅繼承了級(jí)聯(lián)式拓?fù)湓谄骷?shù)量、模塊化結(jié)構(gòu)方面的優(yōu)勢(shì)，而且在較低的開關(guān)頻率下可以實(shí)現(xiàn)較高的等效開關(guān)頻率，保持較好的交流輸出電壓波形。可見，在同相供電裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)中，需要考慮單

3、相工頻交流制奉引供電系統(tǒng)的特殊性，發(fā)揮背靠背拓?fù)湎翸MC的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，研究適合高壓大功率潮流控制的同相補(bǔ)償裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。目前同相牽引供電系統(tǒng)主要采用全補(bǔ)償算法，結(jié)合變流器控制策略設(shè)計(jì)，徹底消除奉引負(fù)荷產(chǎn)生的負(fù)序、無功和諧波分量。該模式下電能質(zhì)量補(bǔ)償效果最佳，但同時(shí)對(duì)同相補(bǔ)償裝置的安裝容量要求也最高，相應(yīng)增加了裝置占地和投資。依據(jù)各項(xiàng)電能質(zhì)塞旨標(biāo)的國標(biāo)限值，以最大限度降低同相補(bǔ)償容量為優(yōu)化目標(biāo)，開展同相供電系統(tǒng)補(bǔ)償算法和控制策略研究具有重要意義。綜上,本文提出一種基于四橋臂MMC結(jié)構(gòu)的單三相組合式同相奉引供電方案,研究了滿足國標(biāo)限值約束的奉引變電所電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償算法，設(shè)計(jì)了便于工程實(shí)施的同相?M

4、嘗裝置分層控制策略，適應(yīng)牽引負(fù)荷多工況下的沖擊性和隨機(jī)性特點(diǎn)，以i麗足同相供電技術(shù)工程應(yīng)用的需求。1基于nMC的單一三相組合式同相供電方案1.1 主電路原理圖1為基于MMC的單三相組合式同相奉引供電系統(tǒng)主電路。該系統(tǒng)由單相奉引變壓器(tractiontransformer,TT高壓匹酉己變壓器(highvoltagematchingtransformer,HMT)和同相鈿嘗裝置共同組成,同相補(bǔ)償裝置采用背靠背MMC拓?fù)?，a端口與TT相連,取消了變電所出口處的電分相，實(shí)現(xiàn)同相供電;B端口與HMT相連，與a端口之間可以實(shí)現(xiàn)功率傳遞。文獻(xiàn)推導(dǎo)了單相奉引負(fù)荷在三相電力系統(tǒng)中產(chǎn)生總負(fù)序電流的計(jì)算模型。由

5、于單相奉引變壓器TT和高壓匹配變壓器HMT構(gòu)成平衡接線，即其次邊端口輸出電壓Ua和Up相角之差為90°,則對(duì)應(yīng)負(fù)荷電流IT和Ip在三相電力系統(tǒng)中產(chǎn)生的負(fù)序分量可以相互抵消。此外，a端口還可以兼顧無功和諧波?M嘗能力，從根本上綜合解決既有奉引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題。同相補(bǔ)償裝置采用四橋臂MMC結(jié)構(gòu)，相比于兩橋臂結(jié)構(gòu),其降低了公共直流母線電壓，省去了直流側(cè)電容中點(diǎn)的穩(wěn)壓控制環(huán)節(jié);相比于三橋臂結(jié)構(gòu)，則避免了橋臂功率分配不均衡和正負(fù)序分解造成的控制復(fù)雜性問題。在該結(jié)構(gòu)中，al與。2橋臂、pl與p2橋臂構(gòu)成2個(gè)全橋結(jié)構(gòu)，其分別通過扼流電感La、Lp0連接到同相?M嘗裝置的2個(gè)端口。每個(gè)橋臂由上

6、橋臂及下橋臂構(gòu)成，上、下橋臂各由N個(gè)子模塊和橋臂電感L組成,每個(gè)子模塊由2個(gè)功率元件組成的半橋結(jié)構(gòu)和懸浮電容構(gòu)成。采用該結(jié)構(gòu)，公共直流母線可以適應(yīng)大功率能量傳輸?shù)男枨?，使得同相補(bǔ)償裝置直掛于牽引母線，省去全引匹配變壓器，達(dá)到減少占地，降低成本的目的。1.2 同相補(bǔ)償裝置工作原理考慮到單三相組合式同相供電系統(tǒng)的運(yùn)行特性與四橋臂MMC中公共直流母線電壓的穩(wěn)定性密切相關(guān)，要求每個(gè)橋臂每個(gè)時(shí)刻導(dǎo)通的子模塊數(shù)量恒定且單個(gè)子模塊電壓保持穩(wěn)定。因此，分析圖2所示橋臂al的工作電壓滿足：2同相補(bǔ)償裝置上層控制策略2.1電能質(zhì)量彳M嘗計(jì)算模型為了優(yōu)化同相供電補(bǔ)償裝置容量，實(shí)現(xiàn)三相電網(wǎng)側(cè)負(fù)序和無功滿足國標(biāo)限值，同

7、時(shí)完全補(bǔ)償諧波，本節(jié)建立電能質(zhì)量補(bǔ)償計(jì)算模型，推導(dǎo)了同相補(bǔ)償裝置端口補(bǔ)償電流計(jì)算公式，將其作為同相補(bǔ)償裝置上層控制策略。假設(shè)系統(tǒng)短路容量Js為750MVA,三相電網(wǎng)電壓以為llOkV,負(fù)載電流,I為800A,補(bǔ)償前功率因數(shù)為0.85,MMC同相補(bǔ)償裝置端口僅和B的電壓為27.5kV,要求投入后三相電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)不低于0.9,三相電壓不平衡度不超過2%。根據(jù)式（5）計(jì)算得到不同補(bǔ)償目標(biāo)下同相補(bǔ)償裝置端口僅和B的參考電流分布如圖4所示。目前電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)普遍采用單相奉引變壓器構(gòu)成的Vx接線方式，若定義相對(duì)?M嘗容量工=Sprc/PL,其中P。.為奉引負(fù)荷的有功功率，對(duì)比文獻(xiàn)中基于Vx接線奉

8、引變壓器的同相供電系統(tǒng)方案，分析了本文方案所需要的相對(duì)補(bǔ)償容量分布如圖5所示?？梢?，MMC同相補(bǔ)償裝置的布嘗電流和補(bǔ)償容量與補(bǔ)償目標(biāo)密切相關(guān)。相對(duì)于電能質(zhì)量完全補(bǔ)償(eu=O,K=1)目標(biāo)，以電能質(zhì)量國標(biāo)限值(su=2,K=0.9)為布嘗目標(biāo)對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償電流和補(bǔ)償容量最小。與文獻(xiàn)5方案相比，本文方案最優(yōu)?M嘗容量可以減少20%,同時(shí)僅為完全補(bǔ)償容量的1/3。3同相補(bǔ)償裝置T層控制策略3.1同相補(bǔ)償裝置預(yù)測(cè)電流控制為了更好更快的跟蹤上層控制計(jì)算的參考補(bǔ)償電流,提出一種基于預(yù)測(cè)電流控制的MMC同相補(bǔ)償裝置下層控制策略。由于預(yù)測(cè)電流控制具有超前的控制特性，可有效地消除電流采樣周期和控制脈沖延時(shí)引起的不

9、利影響。下面以MMC同相補(bǔ)償裝置端口a為例分析預(yù)測(cè)電流控制。該方法是對(duì)交流側(cè)電流以固定周期Ts進(jìn)行采樣，將此采樣時(shí)刻的實(shí)際電流值ia與下一采樣時(shí)刻的預(yù)測(cè)參考電流iaref進(jìn)行比較，計(jì)算出最優(yōu)控制電壓，根據(jù)通過交流側(cè)扼流電感的電流不能突變的性質(zhì)，迫使在一個(gè)采樣周期內(nèi)下一采樣時(shí)刻的實(shí)際電流值以最優(yōu)特性跟蹤下一時(shí)刻電流的參考值。令現(xiàn)采樣時(shí)刻為tk,則經(jīng)一個(gè)采樣周期后實(shí)際電流與參考電流的關(guān)系為3仿真模擬為了驗(yàn)證本文組合式同相奉引供電系統(tǒng)補(bǔ)償算法與控制策略的正確性和有效性，基于MATLAB/Simulink搭建了系統(tǒng)仿真模型，仿真參數(shù)如表1所示。假設(shè)初始牽引負(fù)載為10MVA,功率因數(shù)為0.85,諧波電流

10、ih=60sin3(jut+20sin5(jot+8sin7(jot000.2s時(shí)間段，補(bǔ)償裝置未投入，在三相電網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生了1.3%左右的三相電壓不平衡度，同時(shí)存在無功和諧波問題。0.20.4s時(shí)間段，補(bǔ)償裝置投入運(yùn)行，設(shè)置電能質(zhì)量完全補(bǔ)償為目標(biāo)，即電網(wǎng)側(cè)三相電流完全對(duì)稱、波形無畸變且接近單位功率因數(shù)。0.40.6s時(shí)間段，牽引負(fù)荷突變到20MVA,補(bǔ)償目標(biāo)調(diào)整為優(yōu)化補(bǔ)償，即三相電壓不平衡度不超過2%,功率因數(shù)不低于0.9。圖8給出了整個(gè)仿真過程三相電網(wǎng)側(cè)電流及電壓不平衡度分布。圖9給出了奉引負(fù)荷的波動(dòng)過程。圖10和圖11分別給出了MMC同相補(bǔ)償裝置端口c（和端口p實(shí)際補(bǔ)償電流變化過程。圖12給

11、出了MMC子模塊懸浮電容電壓波形。圖8中三相電壓不平衡度勤態(tài)分布表明了實(shí)際補(bǔ)償效果與設(shè)定補(bǔ)償目標(biāo)之間的誤差小于1%,同時(shí)，在0.2sMMC投入運(yùn)行后，三相電流波形質(zhì)量良好,不存在畸變，滿足電能質(zhì)量國標(biāo)限值,實(shí)現(xiàn)了上層控制目標(biāo)。此外，三相電流在0.2s及0.4s時(shí)發(fā)生變化，對(duì)應(yīng)了不同工況下牽引負(fù)荷及補(bǔ)償目標(biāo)之間的切換，過渡過程在10ms內(nèi)完成，表明MMC控制策略具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。圖10和圖11表明同相鈿嘗裝置兩端口的布嘗電流具有良好的跟蹤性能，能夠適應(yīng)補(bǔ)償目標(biāo)的快速變化。其中電網(wǎng)側(cè)p端口電流波形質(zhì)量良好，電壓與電流相位一致，提供了一個(gè)有功功率通路，為奉引變壓器分擔(dān)一部分有功負(fù)載，在降低變壓器安裝容量的同時(shí)還達(dá)到了平衡負(fù)序的目的。奉引網(wǎng)側(cè)a端口電流波形存在畸變，體現(xiàn)了無功和諧波效果。此外，多工況運(yùn)行條件下MMC子模塊懸浮電容電壓均衡且波動(dòng)較小，如圖12所示，達(dá)到了預(yù)期效果。4結(jié)論本文提出了一種基于MMC的單三相組合式同相牽引供電方案，與傳統(tǒng)方案相比，主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)如下：1）同相補(bǔ)償裝置采用背靠背四橋臂MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與單相奉引變壓器組合，實(shí)現(xiàn)牽引負(fù)荷的對(duì)稱變換。同時(shí)，取消了奉引母線側(cè)的匹配隔離變壓器，適應(yīng)了