基于VF-DPC的地铁供电系统

杨扬

（广州地铁设计研究院有限公司，广东 广州，510000）

基于VF-DPC的地铁供电系统

杨扬

（广州地铁设计研究院有限公司，广东 广州，510000）

为了克服传统虚拟磁链（VF）计算器存在直流偏移、积分饱和的问题，将虚拟磁链直接功率控制策略（VFDPC）应用于地铁牵引整流器中。虚拟磁链直接功率控制策略可以直接计算瞬时有功功率P和无功功率Q，结合SVM，构成了开关频率固定VF-SVM-DPC控制策略。仿真实验证明，此控制策略性能良好，牵引供电系统鲁棒性好、动态响应速度快且谐波污染少，能满足地铁牵引供电系统的指标要求。

地铁供电； 虚拟磁链； 虚拟磁链直接功率控制； 直流偏移

地铁轨道交通供电系统采用直流供电，由高压电源系统和供电系统组成。整流机组牵引供电系统的作用是将电网交流电源经降压整流环节输出符合标准的直流电供给地铁内部的接触网，由列车受电弓实现直流牵引供电。电能传输系统必须具备高效率、低成本、安全以及环保的特点［1］。目前国内外常见的轨道交通供电方式包括实时授流和非实时授流 2种［2］。文献［3］将神经网络算法应用于地铁牵引整流器控制中，直接功率控制是基于瞬时功率理论发展起来的，无须进行旋转坐标变换，无电流、电压控制环，直接对瞬时有功、无功功率进行控制，方法简单，动态性能良好。本文在传统直接功率控制的基础上引进了虚拟磁链（VF）的概念，省去了传统直接功率控制策略（DPC）控制的电网侧交流电压传感器，控制环节无需电网侧电压值。利用SVPWM取代传统DPC滞环控制以及开关表，降低了系统采样频率，固定了开关频率。同时虚拟磁链控制需进行积分计算，可以在一定程度上抑制电流、电压谐波干扰。最后，将新型的虚拟磁链直接功率控制应用于地铁牵引供电系统中，并通过Matlab仿真软件进行验证［2］。

1　基于VF-DPC-SVM地铁牵引供电系统

1.1基于虚拟磁链直接功率控制系统

图1为基于虚拟磁链直接功率控制（VF-DPC-SVM）的地铁牵引供电系统框图，主要控制环节包括交流侧瞬时有功、无功功率和虚拟磁链计算环节。控制系统主要由直流电压外环和功率控制内环组成。直流侧电压、瞬时有功、无功功率的闭环调节均采用PI调节器。瞬时有功功率给定值Pref由直流侧电压PI调节器的输出乘以直流侧电压Udc得到。为了实现网侧单位功率因数运行，设置给定无功功率为 Qref= 0，瞬时有功、无功功率经过PI调节器得到网压在d—q坐标系下分量ud、uq，结合虚拟磁链夹角γ，将分量ud、uq转化到α—β坐标系下分量 uα、uβ，最后通过 SVPWM调制，整流器触发脉冲sa、sb、sc［3］。

图1　基于虚拟磁链直接功率控制地铁供电系统框图

1.2虚拟磁链概念引入

借鉴交流电机定子绕组磁链原理，引入虚拟磁链概念，对交流电机定子磁链进行数学分析。设定交流电机电压、电流分别为U、I，磁链Ψ，网侧滤波电感 L，三者方向满足右手螺旋关系。交流电机定子绕组三相电压满足

式中，μ为定子绕组微分算子，R为定子绕组阻抗。α—β静止坐标系下，交流电机定子绕组磁链满足

图2　地铁牵引供电系统

1.3瞬时有功、无功功率计算

基于VF-DPC地铁牵引供电系统如图2所示，电网侧为三相交流电ea、eb、ec，其支路分别串联电感L、电阻R1，经过整流器机组，整流成直流电，电流为Idc，电压为Udc，以此为地铁机车供电［4］。

可将图2虚线框内电路等效成一台虚拟交流电机，由变化的虚拟磁链ΨL产生三相电ea、eb、ec，R1、L分别为定子电阻、电感。因此，

其中

图3　ΨL与网侧电压e关系

图4　传统虚拟磁链计算器

图5　新型VF计算器

式（3）和式（4）的矢量关系如图3所示。网侧电压e超前ΨL90°，ΨL与坐标α轴之间夹角γ满足

由式（1）和式（2）得

由式（3）和式（4）得

由式（7）可知，计算ΨL需要Udc、ia、ib和sa、sb、sc，又

由于理想电网三相对称且无畸变，式（8）可简化为

由式（9）可知，计算P和Q仅需虚拟磁链矢量以及网侧电流在α—β坐标上分量［5］。

1.4新型虚拟磁链计算器

传统虚拟磁链计算器如图4所示。计算器含纯积分环节，鉴于积分初值不定、积分环节含有直流分量等原因，计算过程中偏移、积分饱和等现象不可避免［6］。

为解决传统虚拟磁链存在的问题，提出带饱和限幅反馈环节的新型虚拟磁链（VF）计算器如图5所示。

2　仿真分析

通过Matlab软件搭建基于虚拟磁链直接功率控制的地铁牵引整流器模型，系统参数设置［8］：电网侧电压U = 380 sin ωt （V），ω为网侧交流电角频率； 交流侧电感L = 4 mH； 负载电阻R = 28.5 Ω； 直流侧电容C = 3 mF； 给定瞬时无功功率Qref= 0 Var； 直流侧电压Udc= 1 500 V。

牵引供电系统交流侧a相电压U、电流I如图6所示。由图6可知，电流电压波形无畸变，谐波小，电压电流相位同步性良好，满足牵引供电系统性能指标［9］。牵引供电系统直流侧输出电压稳定在1 500 V，符合地铁供电性能指标。

由图7可知，瞬时有功功率为41 kW，而瞬时无功功率在0 kVar左右，因此，功率因数接近于1。瞬时有功以及无功功率很快就接近给定值，动态响应速度快。

图6　电网侧电压U和电流I

图7　地铁供电系统瞬时有功功率和无功功率

3　总结

地铁牵引整流器控制策略是地铁直流供电的核心环节，本文将 VF-DPC策略应用地铁牵引整流器控制中，仿真实验证明，VF-SVM-DPC的性能良好，瞬时有功功率为41 kW，而瞬时无功功率在0 kVar左右，电流电压波形无畸变，谐波小，电压电流相位同步性良好，满足牵引供电系统性能指标。其牵引供电系统鲁棒性好、动态响应速度快且谐波污染少，能满足地铁牵引供电系统的指标要求，对地铁牵引供电具有一定意义。

［1］ 杨民生，王耀南. 新型无接触感应耦合电能传输技术综述［J］. 湖南文理学院学报（自然科学版），2010，22（1）：44-53.

［2］ 蔡波，李鲲鹏. 现代有轨电车接触网牵引供电方式研究［J］. 城市轨道交通研究，2015（1）：72-75.

［3］ 王国君，吴凤江，孙力. 两种PWM整流器直接功率控制策略性能对比［J］. 电力电子技术，2008，42（8）：62-64.

［4］ 杜荣茂，李向荣，景利学. 基于神经网络的地铁牵引整流器控制算法研究［J］. 铁道机车车辆，2012，32（2）：58-63.

［5］ 王继东，苏海滨，王玲花，等. 基于虚拟磁链直接功率控制的光伏并网逆变器控制策略研究［J］. 电力系统保护与控制，2009，37（6）：80-83.

［6］ 王国君. 基于虚拟磁链直接功率控制的并网逆变器的研究［D］. 哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008：6.

［7］ 钱长生，齐嘉瞻，李国新，等. 24脉波整流变压器的谐波计算［J］. 变压器，2007，44（12）：1-7，47.

［8］ 郭旭刚，高增伟. 不平衡电网电压下的 PWM 整流器功率预测［J］. 电网技术，2013，37（8）：2 365-2 367.

［9］ Bouafia A，Gaubert J P，Krim F. Predictive direct power control of three-phase pulse width modulation PWM rectifier using space-vector modulation （SVM）［J］. IEEE Transactions on Power Electronics，2010，25（1）：228-236.

（责任编校：刘刚毅）

Metro power supply system based on VF-DPC

Yang Yang
（Guangzhou Metro Design & Research Institute Co Ltd，Guangzhou 510000，China）

To overcome the traditional virtual flux （VF）calculator dc offset and integral saturation，virtual flux direct power control strategy （VF-DPC）is used in metro traction rectifier，and virtual flux direct power control strategy drawing on virtual flux （VF）without sampling the AC side AC voltage sensor can directly calculate the instantaneous active power P，reactive power Q，combined with SVM，constitutes a fixed switching frequency VFSVM-DPC control policy. The experimental results show that its performance and traction power supply system robustness are good，and dynamic response is fast and less harmonic pollution than VF，so VF-SVM-DPC can meet the requirements of metro traction power supply system index

metro power； virtual flux； VF-SVM-DPC； DC offset

TM 464

1672-6146（2016）02-0034-04

10.3969/j.issn.1672-6146.2016.02.008

杨扬，wangkainuc@qq.com。

2016-02-25