组合式同相供电系统补偿算法与控制策略优化

陈民武 刘若飞 陈玲 蒋汶兵 冯祥

摘要：针对电气化铁路大容量负荷补偿需要和补偿装置容量优化问题，提出一种基于模块化多电平变换器（modular multilevel converter，MMC）的单三相组合式同相牵引供电系统。分析了系统的主电路结构和工作原理。以电能质量国标限值为约束，建立了系统电能质量综合补偿模型，并与预测电流控制相结合，构建了同相补偿装置分层控制策略。与传统同相供电系统比较，该系统可以适应高压、大容量需求，取消牵引匹配变压器，同时实现降低补偿装置容量和提升系统动态响应的目的。通过模拟分析了实际牵引负荷的多种运行工况，来验证上述同相牵引供电方案的可行性和优化控制策略的正确性。

关键词：电气化铁路;组合式同相供电;控制策略;最优补偿;模块化多电平

DoI：10.15938/j.eme.2019.08.004

中图分类号：u223文献标志码：A 文章编号：1007-449X（2019）08-0028-07

0引言

同相牵引供电系统可以从根本上解决单相工频交流制电气化铁路普遍存在的三相电压不平衡、无功功率以及谐波畸变等电能质量问题，减少牵引网中电分相环节，满足了高速和重载运输的技术需求。2010年10月在国家科技支撑计划项目的资助下，首套同相供电装置在成（都）昆（明）铁路眉山牵引变电所投入运行。2015年1月首套单三相组合式同相供電系统在中南通道沙峪牵引变电所投入运行，整体运行性能良好。此外，采用同相供电技术的温州市域铁路S1线已经正式列入国家战略新兴产业示范线工程。

为了满足高压和大容量工程应用需求，作为同相供电系统的核心装置，同相补偿装置的拓扑结构、补偿策略及控制策略成为当前的研究热点。其中眉山牵引变电所同相补偿装置采用多重化技术，具有功率等级高、输出谐波含量低等优点，但受功率开关器件耐压水平限制，需要通过隔离匹配变压器接人牵引母线，这不仅增加了系统损耗和成本，而且使得工频变压器磁路耦合关系复杂，功率单元输出的端口电压脉冲波形正负不对称也会导致变压器发生直流磁化。中南部重载铁路沙峪牵引变电所同相补偿装置在电网侧采用级联H桥链式结构，在牵引侧由多绕组变压器构成并联多重化结构，但随着补偿装置电平数增加，多绕组隔离匹配变压器的设计和制造变得非常复杂。近些年在高压直流输电领域，模块化多电平变换器（modular multilevelconverter，MMC）作为一种新型多电平电压源型变流器，不仅继承了级联式拓扑在器件数量、模块化结构方面的优势，而且在较低的开关频率下可以实现较高的等效开关频率，保持较好的交流输出电压波形。可见，在同相供电装置优化设计中，需要考虑单相工频交流制牵引供电系统的特殊性，发挥背靠背拓扑下MMC的技术优势，研究适合高压大功率潮流控制的同相补偿装置拓扑结构。

目前同相牵引供电系统主要采用全补偿算法，结合变流器控制策略设计，彻底消除牵引负荷产生的负序、无功和谐波分量。该模式下电能质量补偿效果最佳，但同时对同相补偿装置的安装容量要求也最高，相应增加了装置占地和投资。依据各项电能质量指标的国标限值，以最大限度降低同相补偿容量为优化目标，开展同相供电系统补偿算法和控制策略研究具有重要意义。

综上，本文提出一种基于四桥臂MMC结构的单三相组合式同相牵引供电方案，研究了满足国标限值约束的牵引变电所电能质量综合补偿算法，设计了便于工程实施的同相补偿装置分层控制策略，适应牵引负荷多工况下的冲击性和随机性特点，以满足同相供电技术工程应用的需求。

1基于nMC的单一三相组合式同相供电方案

1.1主电路原理

图1为基于MMC的单三相组合式同相牵引供电系统主电路。该系统由单相牵引变压器（tractiontransformer，TT）、高压匹配变压器（high voltagematching transformer，HMT）和同相补偿装置共同组成。同相补偿装置采用背靠背MMC拓扑，a端口与TT相连，取消了变电所出口处的电分相，实现同相供电;B端口与HMT相连，与a端口之间可以实现功率传递。文献[1]推导了单相牵引负荷在三相电力系统中产生总负序电流的计算模型。由于单相牵引变压器TT和高压匹配变压器HMT构成平衡接线，即其次边端口输出电压Uα和Uβ相角之差为90°，则对应负荷电流IT和Iβ在三相电力系统中产生的负序分量可以相互抵消。此外，a端口还可以兼顾无功和谐波补偿能力，从根本上综合解决既有牵引供电系统的电能质量问题。

同相补偿装置采用四桥臂MMC结构，相比于两桥臂结构，其降低了公共直流母线电压，省去了直流侧电容中点的稳压控制环节;相比于三桥臂结构，则避免了桥臂功率分配不均衡和正负序分解造成的控制复杂性问题。在该结构中，α1与α2桥臂、β1与β2桥臂构成2个全桥结构，其分别通过扼流电感La、Lβ。连接到同相补偿装置的2个端口。每个桥臂由上桥臂及下桥臂构成，上、下桥臂各由N个子模块和桥臂电感L组成，每个子模块由2个功率元件组成的半桥结构和悬浮电容构成。采用该结构，公共直流母线可以适应大功率能量传输的需求，使得同相补偿装置直挂于牵引母线，省去牵引匹配变压器，达到减少占地，降低成本的目的。

1.2同相补偿装置工作原理

考虑到单三相组合式同相供电系统的运行特性与四桥臂MMC中公共直流母线电压的稳定性密切相关，要求每个桥臂每个时刻导通的子模块数量恒定且单个子模块电压保持稳定。因此，分析图2所示桥臂α1的工作电压满足：

2同相补偿装置上层控制策略

2.1电能质量补偿计算模型

为了优化同相供电补偿装置容量，实现三相电网侧负序和无功满足国标限值，同时完全补偿谐波，本节建立电能质量补偿计算模型，推导了同相补偿装置端口补偿电流计算公式，将其作为同相补偿装置上层控制策略。

假设系统短路容量Js为750MVA，三相电网电压以为110kV，负载电流，I为800A，补偿前功率因数为0.85，MMC同相补偿装置端口仅和B的电压为27.5kV，要求投入后三相电网侧功率因数不低于0.9，三相电压不平衡度不超过2%。根据式（5）计算得到不同补偿目标下同相补偿装置端口仅和B的参考电流分布如图4所示。目前电气化铁路牵引供电系统普遍采用单相牵引变压器构成的Vx接线方式，若定义相对补偿容量s。=Sprc/PL，其中P。.为牵引负荷的有功功率，对比文献[5]中基于Vx接线牵引变压器的同相供电系统方案，分析了本文方案所需要的相对补偿容量分布如图5所示。

可见，MMC同相补偿装置的补偿电流和补偿容量与补偿目标密切相关。相对于电能质量完全补偿（εu=0，K=1）目标，以电能质量国标限值（εu=2，K=0.9）为补偿目标对应的补偿电流和补偿容量最小。与文献[5]方案相比，本文方案最优补偿容量可以减少20%，同时仅为完全补偿容量的1/3。

3同相补偿装置T层控制策略

3.1同相补偿装置预测电流控制

为了更好更快的跟踪上层控制计算的参考补偿电流，提出一种基于预测电流控制的MMC同相补偿装置下层控制策略。由于预测电流控制具有超前的控制特性，可有效地消除电流采样周期和控制脉冲延时引起的不利影响。

下面以MMC同相补偿装置端口α为例分析预测电流控制。该方法是对交流侧电流以固定周期Ts进行采样，将此采样时刻的实际电流值iα与下一采样时刻的预测参考电流iα^ref进行比较，计算出最优控制电压，根据通过交流侧扼流电感的电流不能突变的性质，迫使在一个采样周期内下一采样时刻的实际电流值以最优特性跟踪下一时刻电流的参考值。令现采样时刻为tk，则经一个采样周期后实际电流与参考电流的关系为

3仿真模拟

为了验证本文组合式同相牵引供电系统补偿算法与控制策略的正确性和有效性，基于MATLAB/Simulink搭建了系统仿真模型，仿真参数如表1所示。

假设初始牵引负载为10MVA，功率因数为0.85，谐波电流ih=60sin3ωt+20sin5ωt+8sin7ωt。0～0.2s时间段，补偿装置未投入，在三相电网侧产生了1.3%左右的三相电压不平衡度，同时存在无功和谐波问题。0.2～0.4s时间段，补偿装置投入运行，设置电能质量完全补偿为目标，即电网侧三相电流完全对称、波形无畸变且接近单位功率因数。0.4～0.6s时间段，牵引负荷突变到20MVA，补偿目标调整为优化补偿，即三相电压不平衡度不超过2%，功率因数不低于0.9。

图8给出了整个仿真过程三相电网侧电流及电压不平衡度分布。图9给出了牵引负荷的波动过程。图10和图11分别给出了MMC同相补偿装置端口α和端口β实际补偿电流变化过程。图12给出了MMC子模块悬浮电容电压波形。

图8中三相电压不平衡度動态分布表明了实际补偿效果与设定补偿目标之间的误差小于l%，同时，在0.2s MMC投入运行后，三相电流波形质量良好，不存在畸变，满足电能质量国标限值，实现了上层控制目标。此外，三相电流在0.2s及0.4s时发生变化，对应了不同工况下牵引负荷及补偿目标之间的切换，过渡过程在10ms内完成，表明MMC控制策略具有良好的动态响应。

图10和图11表明同相补偿装置两端口的补偿电流具有良好的跟踪性能，能够适应补偿目标的快速变化。其中电网侧β端口电流波形质量良好，电压与电流相位一致，提供了一个有功功率通路，为牵引变压器分担一部分有功负载，在降低变压器安装容量的同时还达到了平衡负序的目的。牵引网侧α端口电流波形存在畸变，体现了无功和谐波效果。此外，多工况运行条件下MMC子模块悬浮电容电压均衡且波动较小，如图12所示，达到了预期效果。

4结论

本文提出了一种基于MMC的单三相组合式同相牵引供电方案，与传统方案相比，主要技术优势如下：

1）同相补偿装置采用背靠背四桥臂MMC拓扑结构，与单相牵引变压器组合，实现牵引负荷的对称变换。同时，取消了牵引母线侧的匹配隔离变压器，适应了高压大容量应用场合，节省了占地和设备投资。

2）以电能质量国标限值为约束，针对牵引负荷的冲击性和波动性，给出了兼顾负序、无功和谐波的电能质量优化补偿算法，相对于既有完全补偿模式，同相补偿装置容量仅为其1/3。

3）建立了单三相组合式同相牵引供电系统仿真模型，模拟了实际牵引负荷多种工况，采用分层控制策略，验证了同相供电装置具有良好的动态响应和运行稳定性。