采用级联H桥多电平变流器的地面过电分相系统

熊成林,冯晓云，马俊鹏

(西南交通大学 电气工程学院，四川 成都　610031)

传统牵引供电系统的供电方式会使相邻供电臂之间存在分相绝缘，即电分相[1-2]。电分相不仅导致列车速度的损失，而且增大爬坡难度，增加车网系统的复杂程度，降低车网系统的可靠性，还会产生暂态过程引起车网故障[3]。针对牵引供电系统，有学者研究了基于有源功率补偿的同相供电系统，实现了牵引变压器电流平衡、无功补偿和负载谐波滤除，该系统可以取消同一个供电所内部的电分相[4-7]；还有学者进一步提出了高级同相供电系统，利用三相—单相变流器构建贯通式牵引供电系统[8]。针对存在的电分相，相关学者研究了关节式电分相中性段上存在感应电压[9]、电力机车通过关节式电分相产生过电压的原因并提出了有效的解决方案[10]，以及列车通过地面过电分相装置的暂态过程[11]，还有学者提出了无断电过电分相方案[12]。但这些研究存在系统复杂、供电电源切换及相位切换时存在功率冲击等问题。

本文在无断电过电分相方案的基础上，提出了采用级联H桥多电平变流器[13]的地面过电分相系统(简称级联H桥过电分相系统)，采用功率前馈直接功率控制(DPC)算法[14]的级联H桥多电平变流器为中性段供电并实现供电臂与中性段的可控切换，采用二阶广义积分器—锁相环[15]在中性段实现相邻供电臂电压和相位的迅速切换，并进行仿真验证。

1　级联H桥过电分相系统

1.1　系统的拓扑结构

图1　列车通过级联H桥过电分相系统示意图

图2为级联H桥多电平变流器的拓扑结构。图中：CON为三相PWM变流器(Converter)；HB为H桥(H-Bridge)模块；n为级联单元的总个数；ua，ub和uc为三相PWM整流器的输入电压；Uc为每个子模块的直流侧电压；R和L分别为变流器输出的等效电阻和等效电感；u为牵引接触网电压；uab和i分别为级联H桥多电平变流器的输出电压和输出电流。

图2　级联H桥多电平变流器

由图2可以看出：三相多绕组变压器为CON提供三相交流电源，CON将三相交流电变成直流电后为HB供电，因此通过级联H桥多电平变流器可逆变得到单相交流电。

1.2　系统的工作原理

级联H桥过电分相系统工作原理：利用级联H桥多电平变流器输出幅值、频率可调的电压，实现电力机车所需功率在牵引供电臂与变流器之间的可控流动，达到功率的无冲击切换；同时实现电力机车在中性段运行时中性段电压的幅值和相位在接触网相邻两供电臂间电压间柔性切换。

以电力机车(或动车组)从供电臂A向供电臂B运行为例，其通过新型地面过电分相系统的工作过程如下。

(1)电力机车到达CG1处时，按照并网逆变器的控制要求控制变流器的输出，使其处于预并网状态，输出的有功功率及无功功率均为零。

(2)当电力机车运行至中性段端部、且受电弓与供电臂A及中性段同时接触时，变流器与供电臂A并联并同时为电力机车供电，逐渐增大变流器输出的有功功率和无功功率，最终使逆变器输出的功率能够独立满足电力机车的需要。

(3)电力机车运行至CG2时，完全进入中性段，此时受电弓单独与中性段接触，电力机车的功率完全由中性段提供，同时调整级联H桥多电平变流器输出电压的幅值和相位，实现中性段与供电臂B的预并联。

(4)电力机车继续运行，当受电弓与供电臂B及中性段同时接触时，变流器与供电臂B并联并同时为电力机车供电，此时控制变流器的输出功率，从电力机车所需功率逐渐降至零，完成功率的二次调整。

(5)电力机车继续运行，当受电弓脱离中性段后，自动转入供电臂B单独供电，完成过电分相过程，级联H桥过电分相系统进入待机状态。

从上述工作过程可见，对于级联H桥过电分相系统而言，其控制的核心是变流器功率的控制、相邻两供电臂间供电电压幅值和相位的调整。通过对变流器功率的控制，可以实现电力机车功率在接触网供电臂和中性段之间的可控转移，从根本上避免电压/电流的冲击；为此，本文采用功率前馈DPC算法来实现。通过对相邻两供电臂间供电电压幅值及相位的调整，可以实现相邻两供电臂间供电电压和相位的柔性切换，从而避免供电臂电压幅值、相位跳变带来的冲击；为此，可以采用基于二阶广义积分器—锁相环的电压重构方法来实现。

2　级联H桥多电平变流器的功率前馈DPC算法

设ω为牵引供电臂电压的基波角频率，t为系统时间，um和im分别为网侧电压和电流的基波幅值，φ为um与im的夹角，则网侧电压和电流的基波分量u和i分别为

u=umsin(ωt)

(1)

i=imsin(ωt+φ)

=idsin(ωt)+iqcos(ωt)

(2)

式中：id和iq分别为dq坐标系下电流i的d轴分量和q轴分量。

设级联H桥多电平变流器输出端电压的基波幅值为uabm，与接触网电源电压的夹角为φab，则uab为

uab=uabmsin(ωt+φab)

=uabdsin(ωt)+uabqcos(ωt)

(3)

其中，

式中：uabd和uabq分别为dq坐标系下电压uab的d轴分量和q轴分量。

根据基尔霍夫电压定律可得

(4)

将式(1)和式(2)代入式(4)中，可得级联H桥多电平变流器在dq坐标系下的数学模型为

(5)

2.1　瞬时功率计算

根据有功功率和无功功率的定义可得

(6)

式中：P和Q分别为级联H桥多电平变流器输出的有功功率和无功功率。

则由式(2)和式(6)可得

(7)

对网侧电流信号提取dq坐标系下的坐标分量，并由式(2)可得

isin(ωt)=idsin2(ωt)+iqcos(ωt)sin(ωt)

=0.5id+0.5[iqsin(2ωt)-

idcos(2ωt)]

(8)

icos(ωt)=idsin(ωt)cos(ωt)+iqcos2(ωt)

=0.5iq+0.5[iqcos(2ωt)+

idsin(2ωt)]

(9)

将式(8)和式(9)处理过的信号通过陷波器滤波或者低通滤波，即可得到dq坐标系下的坐标分量。

2.2　功率前馈DPC算法

由式(5)和式(7)可得

(10)

用PI控制器控制功率微分量，则由式(10)可得级联H桥变流器的控制算法为

(11)

式中：KPp和KPi分别为有功PI控制器的比例和积分系数；KQp和KQi分别为无功PI控制器的比例和积分系数。

图3给出了单相级联H桥多电平并网逆变器直接功率算法控制框图。图中：uabα和uabβ分别为uabd和uabq在αβ坐标系下的电压分量；uabref为参考调制电压。

图3　级联H桥多电平变流器直接功率算法控制框图

图4给出了级联H桥多电平变流器与接触网供电臂并联为电力机车负载供电的等效电路。图4中：uabm∠φc为级联多电平变流器的输出电压，其幅值为uabm、夹角为φc；umLc∠φLc为变流器并联端电压，其幅值为umLc、夹角为φLc；uml∠φl(l=A或B)为牵引变电所降压变压器输出端电压，其幅值为uml、夹角为φl；umLl∠φLl为供电臂负载端电压，其幅值为umLl、夹角为φLl；R1和Rl为线路的等效电阻；X1和Xl为线路的等效感抗；RL和XL为负载的等效电阻和等效感抗。

图4　级联H桥多电平变流器与接触网并联供电等效电路

级联H桥过电分相系统通过控制由级联H桥多电平变流器供电的中性段输出功率，使电力机车的负载功率根据需要在接触网供电臂与变流器之间进行可控切换，在切换的过程中，电压、电流保持连续，不存在带载的分断过程，实现了功率切换的无冲击。

3　基于二阶广义积分器—锁相环的电压重构

目前，牵引接触网都是将电力系统的三相电压经牵引变压器后变为两相电压UA和UB，分别接入α和β相牵引供电臂。对于不同接线方式的牵引变压器，UA和UB之间的相位差可能是60°或者90°。因此，级联H桥过电分相系统需要在列车运行于中性段时，实现变流器参考电压的幅值和相位在相邻两桥臂间切换且切换时间要尽量短，频率波动要尽量小，以尽量减小对系统的不利影响。为此，本文提出了基于二阶广义积分器—锁相环的电压重构方法。

3.1　二阶广义积分器—锁相环的基本原理

图5　SOGI-PLL结构框图

SOGI-QSG可以用如下状态方程描述。

(12)

(13)

式中：x和y分别是SOGI-QSG的状态变量和输出变量。

对于给定的正弦输入信号u，稳态时输出变量为

(14)

式中：θ为电压信号的实际相位。

在经过αβ-dq旋转变换后可以得到

ud=umsin(θ-θ′)

(15)

式中：θ′为输入信号的估算相位。

对ud信号进行处理，即可得到所需的相位及频率信息。

3.2　基于二阶广义积分器—锁相环的调相原理

由前文介绍可知，对于传统接触网电分相的两端有

(16)

式中：fA和fB分别为供电臂A和B的电网电压频率。

可见，对于锁相环而言，在供电臂A与B间切换时，相当于网压存在1个相位跳变。另外，考虑供电臂A和B的工况不一样，因此二者之间还会存在幅值差异。利用锁相环调相，首先需要计算电网的峰值电压，即

(17)

利用锁相环的相位信息，重新合成输入的参考电网电压，即

(18)

这样，当电力机车在中性段运行时，根据需要将锁相环的输入电压信号在供电臂A与B之间进行切换，即可迅速完成相位的调整。

4　仿真验证

利用Matlab软件搭建本文所述级联H桥过电分相系统，其中级联H桥多电平变流器采用直接功率控制和最近电平逼近调制算法，并采用二阶广义积分器—锁相环重构电压信号。主要仿真参数如下：供电臂A的电压有效值为25 kV，额定频率50 Hz；供电臂B的电压有效值为26 kV，额定频率50 Hz；供电臂A与B的相角差为90°；换流电抗器的电感为17.49 mh，线路等效电阻及电感等效电阻之和为2 Ω；电力机车负载采用车载牵引变压器带整流器负载，中间直流电压Udc=2 800 V，等效额定有功功率为9 MW；变流器主电路采用级联H桥多电平结构，由12个全桥子模块串联构成，各模块的直流侧电压为3 250 V。变流器控制算法中的各调节器参数设置如下：有功功率调节器，KPp=0.000 2，KPi=0.000 5；无功功率调节器，KQp=0.000 2，KQi=0.000 5。

高速动车组以250 km·h-1速度通过分相区，分相区总长度为800 m，与供电臂A和B的并联长度各为300 m。系统工作过程如下：t=3 s时，级联多电平变流器投入工作与接触网供电臂A并联运行；t=4 s时，级联多电平变流器给定的无功功率Q*、给定的有功功率P*由0 W阶跃为电力机车的实时功率；t=6 s时，切除A相供电臂，级联多电平变流器单独为负载供电；t=7 s时，变流器的参考电源由A相切换为B相；t=8 s时，投入供电臂B，二者并联运行；t=9 s时，级联多电平变流器给定功率由电力机车的实时功率阶跃为0 W；t=11 s时，切除级联多电平变流器；在整个过程中功率变化的速率限制为10 MW·s-1。

图6为高速动车组通过级联H桥过电分相系统的过程中中性段输出的有功功率、无功功率和电流。由图6可见：中性段的输出功率可以按照给定的调节，从而使电力机车的负载电流可以在供电臂与级联多电平变流器之间可控切换，达到电力机车在电流很小的时候分断，从而避免对车网系统产生冲击；但输出的功率和电流在进行调相时，仍存在波动。

图6　中性段输出的有功功率、无功功率和电流

图7为牵引传动系统的整流器中间直流电压波形。由图7可见：除了调相过程外直流电压均能保持稳定，调相过程中直流电压最大跌落为600 V。

图7　牵引传动系统的整流器中间直流电压

图8为整个过程中级联H桥多电平变流器输出电压的频率。由图8可见：级联H桥多电平变流器在进行调相时存在频率波动，最大值为±0.23 Hz。

图9为级联H桥过电分相系统在调幅、调相过程中，供电臂A和B的电压及重构电压；图10为级联H桥多电平变流器调相过程中输出的电压波形、电流波形。由图9和图10可见：采用锁相环电压重构方法，可以在0.1 s以内实现相位的调整，并且调整过程中不存在电压的冲击；输出电流存在波动，主要是因为高速动车组交流传动系统是一个感性的等效负载，电感量比较大，因此尽管调相过程中电压相位能够迅速调整，但电流却无法迅速调整。

图8　级联多电平变流器输出电压的频率

图9　供电臂A和B的电压及重构电压

图10　级联H桥多电平变流器调相过程中输出的电压和电流

5　结　论

(1)级联H桥过电分相系统能够彻底消除传统牵引供电系统存在的供电死区问题，实现虚拟贯通供电，工程容易实现。

(2)采用直接功率控制，可以迅速实现所需功率在中性段与牵引供电臂之间的可控切换，达到电流很小或为零时受电弓脱离相应的接触网，避免功率切换对车、网产生冲击。

(3)利用SOGI-PLL重构电压信号，可以迅速实现相位调整，并且网压频率波动的范围很小，从而减小对电力机车牵引传动系统的影响。

(4)尽管采用电压重构方法实现调相过程中网压频率的波动很小，但是由于电力机车牵引传动系统内存在的电感导致其电流无法迅速变化，使得电压、电流间的夹角增大，从而导致列车牵引传动系统的功率下降、中间直流电压跌落。

[1]CHEN T H, YANG W C, HSU Y F. A Systematic Approach to Evaluate the Overall Impact of the Electric Traction Demands of a High-Speed Railroad on a Power System[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology,1998,47(4):1378-1384.

[2]CHEN S L, LI R J, HSI P H. Traction System Unbalance Problem-Analysis Methodologies[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2004,19(4):1877-1883.

[3]熊成林, 冯晓云, 宋文胜. 牵引电动机无速度传感器带速重投解决方案[J]. 西南交通大学学报, 2012, 47(5):820-825,831.

(XIONG Chenglin, FENG Xiaoyun, SONG Wensheng. Solution for Speed Sensorless Control System Restarting at Unknown Speed of Traction Motor[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2012, 47(5):820-825, 831. in Chinese)

[4]SHU Zeliang, XIE Shaofeng, LI Qunzhan. Development and Implementation of a Prototype for Co-Phase Traction Power Supply System[C]//Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference (APPEEC). Chengdu:[s.n.]，2010:1-4.

[5]张秀峰, 钱清泉, 李群湛, 等. 基于有源滤波器和AT供电方式的新型同相牵引供电系统[J]. 中国铁道科学, 2006, 27(6):73-78.

(ZHANG Xiufeng, QIAN Qingquan, LI Qunzhan, et al. A Novel Cophase Power Supply System Based on Active Power Filter and AT Power Supply Mode [J]. China Railway Science, 2006, 27(6): 73-78. in Chinese)

[6]张秀峰, 李群湛, 吕晓琴. 基于有源滤波器的V, v接同相供电系统[J]. 中国铁道科学, 2006, 27(2): 98-103.

(ZHANG Xiufeng, LI Qunzhan, LÜ Xiaoqin. V, v Connection Cophase Power Supply System Based on Active Power Filter [J]. China Railway Science, 2006, 27(2):98-103. in Chinese)

[7]SHU Z L, XIE S F, LU K, et al. Digital Detection, Control, and Distribution System for Co-Phase Traction Power Supply Application[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics,2013,60(5):1831-1839.

[8]HE X Q, SHU Z L, PENG X, et al. Advanced Cophase Traction Power Supply System Based on Three-Phase to Single-Phase Converter[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2014,29(10):5323-5333.

[9]秦晓灵, 刘明光, 魏宏伟. 关节式电分相结构感应电压计算与测试[J]. 科技资讯,2007(14):6-7.

(QIN Xiaoling, LIU Mingguang, WEI Hongwei. Calculation and Measure of Induction Voltage in the Articulated Phase Insulator[J]. Science &Technology Information, 2007(14):6-7. in Chinese)

[10]宫衍圣. 电力机车过关节式电分相过电压研究[J]. 铁道学报,2008，30(4):103-107.

(GONG Yansheng. Research of Over-Voltages of Electric Locomotive Passing the Articulated Phase Insulator[J]. Journal of the China Railway Society, 2008, 30(4):103-107. in Chinese)

[11]冉旺, 李雄, 刘冰，等. 地面自动过分相中开关切换的瞬态过程研究[J]. 电工技术学报,2011，26(11):150-154，167.

(RAN Wang, LI Xiong, LIU Bing, et al. Research on Transient Process of Ground’s Auto-Passing Neutral Section at Switching Time[J]. Transaction of China Electrotechnical Society, 2011，26 (11):150-154，167. in Chinese)

[12]田旭, 姜齐荣, 魏应冬. 电气化铁路无断电过分相方案研究[J]. 电力系统保护与控制,2012(21):14-18.

(TIAN Xu, JIANG Qirong, WEI Yingdong. Research on Novel Uninterruptible Phase-Separation Passing Scheme in Electrified Railways[J]. Power System Protection and Control, 2012(21):14-18. in Chinese)

[13]RODRIGUEZ J, LAI J S， PENG F Z. Multilevel Inverters: a Survey of Topologies, Controls, and Applications[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2002,49(4):724-738.

[14]王久和, 李华德, 王立明. 电压型PWM整流器直接功率控制系统[J]. 中国电机工程学报,2006，26(18):54-60.

(WANG Jiuhe, LI Huade, WANG Liming. Direct Power Control System of Three Phase Boost Type PWM Rectifiers[J]. Proceedings of the CSEE,2006，26 (18):54-60. in Chinese)

[15]GOLESTAN S, MONFARED M, FREIJEDO F D, et al. Design and Tuning of a Modified Power-Based PLL for Single-Phase Grid-Connected Power Conditioning Systems[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2012,27(8):3639-3650.