新型牵引供电系统交直交变电所的PET结构研究

常 非

（国网西安供电公司，陕西 西安 710032）

0 引言

随着高速电气化铁路交直交型机车的全面使用，无功和谐波问题得到有效解放，不再是电气化铁路主要的电能质量问题。但随着高速、重载电气化铁路的快速发展，负序问题却变得越来越突出，而且由于电分相装置的存在，机车运行速度受到限制［1-4］，例如京沪高铁因电分相的存在而增加运行时间约20 min［5］。

针对贯通同相供电系统交直交变电所结构，ABB 公司提出了二极管箝位级联交直交型拓扑，其采用特殊单相输入/输出变压器，结构复杂、数量多；Siemens 公司提出了模块化多电平直接变换型拓扑［6-7］，其采用普通三相输入变压器，可省去单相输出变压器； 日本东芝公司提出了H 桥级联多重化交直交型拓扑［8-9］，其采用特殊单相输入和输出变压器，结构复杂，数量众多；文献［10］提出了一种将N个三相-单相变换器级联的无输出变压器的拓扑，其电网输入侧需要使用N 个三相降压变压器； 文献［11］提出了模块化多电平交直交型拓扑，该结构采用普通三相输入变压器，可省去单相输出变压器。上述几种交直交变电所结构均不能同时取消输入和输出工频变压器。

考虑到牵引供电系统高电压、 大容量的供电需求， 本文研究了一种基于电力电子变压器（Power Electronic Transformer，简称 PET）结构的三相-单相交直交变电所结构方案，可取消输入及输出变压器。 文中重点研究了PET 结构的特性及其控制策略。

1 基于PET结构的三相-单相交直交变电所

PET 的具体结构如图1 所示， 其中电力电子元器件采用IGBT 或IGCT 等全控型器件。三相电网输入侧采用级联H 桥型AC／DC 换流器， 可直接接入110 kV 或220 kV 高压电网， 并且还具有谐波性能好、模块化程度高、可冗余运行等优点。 隔离级采用带中频变压器的双向全桥DC／DC 换流器，中频变压器的作用是实现电压隔离以及电压变换。 单相牵引输出侧采用级联H 桥型DC／AC 换流器。 受限于目前开关器件耐压等级的限制， 单个H 桥逆变器无法直接与牵引网相连来实现逆变。为解决耐压问题，在逆变侧同样采用级联的形式， 这样不仅可以提高耐压等级，还可以通过较低耐压等级的器件级联的方式实现较好的耐压性能，从而节约成本。 级联多电平结构作为三种基本多电平结构的一种，在高压大功率场合有着其他多电平结构无法媲美的优势［12］。级联的结构可以提高换流器的耐压等级， 同时增大换流器的容量，最终实现直接为牵引负载供电，无需变压器。

图1 交直交变电所PET 结构

假设单相牵引侧电压和电流分别为：

式中：UN和IN分别为牵引网电压和电流的有效值；θ为电流滞后电压的相位角。

单相牵引侧输出的瞬时功率为：

忽略换流器损耗，电网输入侧和牵引逆变侧有功功率应当相等，则有：

式中：U 和I 分别为电网侧相电压和相电流的有效值。故电网侧输入电流满足：

同理，牵引交流侧与直流侧瞬时功率也应相等，则有：

式中：Udc2和Idc2分别为udc2和idc2的平均值；为电压udc2的波动值；3N 为系统总的子单元结构数。 则实际的直流侧输出电压udc2可以表示为：

式中：k 为隔离级DC/DC 变换器的变比。

从式（7）、式（8）可以看出，直流侧输出电压含有两倍电网频率的纹波。

2 控制策略

2.1 输入级AC／DC换流器的控制策略

系统整体控制策略采用有功-无功解耦控制［13］，如图2 所示。 电网三相电流 iu、iv、iw经过三相交流到两相直流的变换，得到有功电流id和无功电流iq，分别与各自的参考值idref、iqref比较，误差信号经PI 控制器调节后，通过引入电压耦合补偿项ωLid、ωLiq以及交流电网电压前馈项usd， 得到d、q 轴参考电压信号ud、uq，再经两相直流到三相交流的变换，得到 uu、uv、uw。 通过电容电压局部控制得到各子模块电容电压平衡控制的微调量 uΔui、uΔvi、uΔwi，将其分别叠加到 uu、uv、uw，可得最终参与到载波移相调制（Carrier Phase-Shifted Pulse Width Modulation， 简称 CPS-PWM）策略的调制波 uuref、uvref、uwref。 通过电容电压全局控制得到有功电流参考值idref，为了实现系统单位功率因数运行，取无功电流参考值iqref=0。

图2 整体控制策略框图

图3 电容电压全局控制框图

图4 为电容电压局部控制框图。 图中udcxi为x 相（x 代表 U、V、W 三相中的某一相）第i（i=1，2，3，…）个模块的直流电压；udcref为模块直流电压的给定值，通常这个给定值不是固定的， 而是串联在一起的所有模块的直流电压平均值。因而图中Δudcxi是x 相第i个模块的直流电压与x 相电容电压总体平均值的偏差。ix为 x 相的输出电流，Δudcxi与 ix相乘是为了获取准确的相位信息， 得到与输出电流同频同相的有功电压分量。 最后通过比例环节后生成子模块电容电压平衡的微调量 uΔxi。

图4 电容电压局部控制

2.2 隔离级DC／DC换流器的控制策略

中间隔离级 DC ／DC 变换器的作用有两个［14］：一是实现一次侧系统和二次侧系统的电气隔离， 二是实现电压等级变换。这里采用移相全桥控制，通过PI控制低压侧直流电压udc的稳定来控制移相角ddc，如图5 所示。

图5 移相全桥控制

2.3 输出级DC／AC换流器的控制策略

低压输出级的控制目标是为牵引负载提供稳定的交流电压。 这里提出一种基于双电压环的控制策略，如图6 所示。 外环为交流电压有效值控制环，内环为交流电压瞬时值控制环。

图6 输出级控制策略框图

在电压外环，单相交流电压的有效值UN与参考值比较，误差信号经PI 控制器调节后与标准正弦信号sin ωt 相乘，作为内环的参考值。

在电压内环，单相交流电压的瞬时值uN与外环电压参考值比较，误差信号经PR 调节器后作为电压调制波与三角载波比较，产生PWM 信号。

3 仿真分析

为验证本文所提出的基于PET 结构的新型牵引供电系统的正确性和有效性， 在PSCAD/EMTDC中搭建了图1 所示的系统结构模型进行仿真验证。输入级采用12 个H 桥进行级联，接入110 kV 电力系统。 隔离级采用移相全桥控制，变比k 取6，高压侧各H 桥模块直流电压为6 kV，电容值为3 mF，低压侧直流电压为1 kV，电容值为12 mF。 输出级采用定交流电压控制，输出27.5 kV 为牵引负载供电。 牵引负载为交直交型机车负载，负载功率为5 MW。

如图7、图8 所示，基于PET 结构的交直交变电所可直接挂网运行，省去了降压变压器；电网侧三相电压、电流同相位，功率因数为1；由于采用载波移相控制，电网电流接近正弦。 高压侧各模块电容电压平衡，但由于单相牵引负载特性，直流电容电压存在明显的二次脉动， 与前述理论分析一致，如图 9 所示。 从图10、图11 可以看出，交直交变电所无需升压变压器， 可直接输出27.5 kV 为牵引负载供电，且输出电压、电流相位一致，波形接近正弦， 能够满足牵引负载单位功率因数的需求。

图7 电力系统侧三相电压

图8 电力系统侧三相电流

图9 高压侧H 桥模块直流电压

图10 牵引网电压

图11 牵引网电流

4 结束语

本文提出一种基于PET 结构的新型牵引供电系统交直交变电所结构方案， 可同时取消输入及输出变压器。 最后通过仿真验证了该结构方案的可行性和有效性。