基于MMC_STATCOM的動車組再生制動工況下牽引網(wǎng)穩(wěn)壓方案研究

雷杭州 章葉心

1.成都交大許繼電氣有限責任公司，中國·四川 成都 611731

2.西南交通大學電氣工程學院，中國·四川 成都 611756

1 引言

再生制動是指高速動車組在減速運行過程中，牽引電動機轉(zhuǎn)為發(fā)電機，并將多余的電能反饋回牽引網(wǎng)的過程[1]。在此過程中，再生制動能量通過逆變器、中間直流環(huán)節(jié)、整流器及車載變壓器直接返送至牽引供電系統(tǒng)，這可能會引起牽引網(wǎng)電壓的抬升[2]。其中，牽引網(wǎng)的供電電壓水平與動車組的安全運行息息相關(guān)。例如，2014年1月起，在中國西安局北環(huán)線某牽引所供電臂范圍內(nèi)，由于牽引網(wǎng)電壓超出供電安全水平，引發(fā)機車自動降低功率，造成機車牽引失流停車達14 次，極大影響了鐵路的生產(chǎn)運輸秩序[3]。因此，有必要對動車組再生制動工況下的牽引穩(wěn)壓方案進行研究。

目前，中國和其他國家針對再生制動能量造成牽引網(wǎng)電壓抬升這一現(xiàn)象，通常采用優(yōu)化牽引供電系統(tǒng)或加設(shè)補償裝置進行治理。采用同相牽引供電的方式對再生制動造成的網(wǎng)壓抬升進行抑制，但抑制效果受系統(tǒng)容量及牽引變壓器容量的限制[4]。分別采用雙邊供電的方式和加設(shè)再生能量釋放裝置的方式，分析結(jié)果表明采用雙邊供電方式在一定程度上能降低動車組所在供電臂的牽引網(wǎng)電壓，但抑制效果較為有限；加設(shè)再生能量釋放裝置較雙邊供電方式抑制效果更好[5]。法國Evron 牽引變電站安裝的STATCOM 設(shè)備，可綜合改善牽引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，且存在動態(tài)響應迅速、占地面積小、安全性高等優(yōu)勢，但仍依賴于大容量的工頻變壓器，安裝地點受限且投入成本較高[6]。

針對現(xiàn)有研究的不足，結(jié)合基于模塊化多電平變換器（Modular Multilevel Converter，MMC）的STATCOM 裝置[7]具有拓撲結(jié)構(gòu)簡潔、電平數(shù)可調(diào)、可綜合治理電能質(zhì)量等優(yōu)點，論文嘗試采用基于MMC_STATCOM 的穩(wěn)壓方案對動車組再生制動能量導致的牽引網(wǎng)壓抬升進行抑制。

2 MMC_STATCOM 裝置并聯(lián)補償拓撲結(jié)構(gòu)

MMC_STATCOM 裝置并聯(lián)補償拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖中，us為網(wǎng)側(cè)電壓，is為網(wǎng)側(cè)電流，Ls為網(wǎng)側(cè)電感，Rs為網(wǎng)側(cè)電阻。MMC_STATCOM 中各相的上、下橋臂結(jié)構(gòu)一致，均由n個串聯(lián)子模塊與橋臂電感L0組成。其中，每個串聯(lián)子模塊均包含2 個IGBT 和直流電容。對于單相半橋臂，n個串聯(lián)子模塊可輸出0、UC、2UC……nUC的電壓（即n+1 個電平），為保證系統(tǒng)可獲得最大直流電壓率及穩(wěn)定的直流電壓，MMC_STATCOM 中各相的上、下橋臂的串聯(lián)子模塊需遵循對稱互補投入的原則。

圖1 MMC_STATCOM 并聯(lián)補償拓撲結(jié)構(gòu)

3 MMC_STATCOM 主電路參數(shù)計算

3.1 子模塊數(shù)目

根據(jù)MMC_STATCOM 工作原理可知，子模塊數(shù)n與直流側(cè)電壓Udc滿足：

式中，UC為子模塊電容平均電壓。

定義MMC_STATCOM 的電壓調(diào)制比m為：

聯(lián)合式（1）、式（2）可得：

其中，子模塊中IGBT 器件型式選用6500V/600A 規(guī)格，為保證電力電子器件的安全，在電壓計算中預留出1.3 的裕度值，可求出子模塊平均電壓UC=6.5kV/1.3=5kV，代入式（3）得：

為使主電路產(chǎn)生零電平，子模塊數(shù)應為偶數(shù)，故取n=8。

此時，直流側(cè)電壓等級為：

3.2 子模塊電容參數(shù)

取圖1中任一橋臂j進行分析，其單橋臂等效電路如圖2所示。

圖2 MMC_STATCOM 單橋臂等效電路

定義MMC_STATCOM 輸出的電壓、電流調(diào)制比分別為：

式中，ej為j相內(nèi)部電動勢，Is為交流輸出線電流峰值。

根據(jù)圖2所示的單橋臂等效電路可得：

式中，ω0為基波角頻率，φ為負載功率因數(shù)角。子模塊電容平均儲能值為：

式中，C0為子模塊電容值。

理想情況下，各橋臂的能量瞬時值應和子模塊的電容儲能相等，可推算得子模塊電容參數(shù)計算式：

式中，取裝置額定功率Ps=4MW，子模塊數(shù)n=8，子模塊電容平均電壓UC=5kV，輸出功率因數(shù)cosφ=0.95，可得：

子模塊電容參數(shù)的具體取值可根據(jù)仿真過程中MMC_STATCOM 輸出電壓調(diào)制深度進行相應調(diào)整。

3.3 橋臂電感參數(shù)

定義橋臂環(huán)流中二倍頻電壓峰值為Uzm，二倍頻電流峰值為Izm，可得上、下橋臂的電壓、電流為：

此時j相橋臂的總瞬時功率為：

j相橋臂級聯(lián)的子模塊總電容儲能為：

忽略直流分量及高階分量的影響，j相橋臂的電容儲能二倍頻分量幅值應等于該橋臂總能量的二倍頻分量幅值，整理得：

式中，橋臂環(huán)流電流峰值Izm按經(jīng)驗值取為30A。結(jié)合子模塊電容參數(shù)C0的計算結(jié)果，可推得橋臂電感參數(shù)L0計算式如下：

3.4 LC 濾波電路參數(shù)

定義Usm為交流輸出相電壓usj的峰值，Ism為交流輸出線電流isj的峰值，則橋臂環(huán)流izj滿足：

直流側(cè)電流idc為：

假定上、下橋臂平均分配直流電流idc，可得環(huán)流電流izj的有功分量為：

結(jié)合式（16），可得橋臂環(huán)流的無功分量為：

當LC 電路發(fā)生諧振時，滿足：

結(jié)合式（19）可得：

將濾波電容電壓uC的波動幅值限制在額定電壓的10%內(nèi)，可得C取值范圍為：

此時濾波電感參數(shù)為：

4 車-網(wǎng)并聯(lián)補償模型

4.1 MMC_STATCOM 仿真模型

4.1.1 子模塊電容電壓控制策略

沿用將穩(wěn)壓控制策略疊加到子模塊調(diào)制的思路，對子模塊電容電壓進行控制。該控制方法主要包括電容電壓的穩(wěn)壓控制、均壓控制及調(diào)制波的合成，如圖3所示。

圖3 子模塊電容電壓控制框圖

4.1.2 并網(wǎng)協(xié)調(diào)控制策略

為滿足MMC_STATCOM 能較好控制并網(wǎng)運行時系統(tǒng)功率因數(shù)及無功功率的要求，選用dq 坐標系下有功無功解耦控制策略。

4.1.3 MMC_STATCOM 模型驗證

令MMC_STATCOM 工作于理想電源下，測試其動態(tài)補償性能。設(shè)置初始負載為20Ω，在2s 時投入電阻值20Ω、電感值80mH 的阻感負載，仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4 MMC_STATCOM 仿真結(jié)果

圖4中，由于采用PI 控制器進行調(diào)節(jié)，直流側(cè)電壓存在一定超調(diào)，于0.3s 左右穩(wěn)定在40kV±200V，滿足式（5）中計算所得的直流電壓等級；2s 時投入阻感性負載，直流側(cè)電壓可快速調(diào)節(jié)至穩(wěn)態(tài)，負載側(cè)電壓、電流可在0.1s 內(nèi)快速恢復同相工作狀態(tài)，動態(tài)響應較好，驗證了基于dq 坐標系有功無功解耦控制方法的有效性。

4.2 車-網(wǎng)并聯(lián)補償仿真模型

MMC_STATCOM 裝置按圖1拓撲結(jié)構(gòu)接入車-網(wǎng)模型。主變壓器的接線方式采用V/x 接線，額定容量為2×（20+20）MVA，變比為220 ∶27.5 ∶27.5；自耦變壓器額定容量為25MVA，變比為1 ∶1。車-網(wǎng)仿真模型參數(shù)如表1所示。

表1 車-網(wǎng)仿真模型電氣參數(shù)

5 車-網(wǎng)并聯(lián)補償仿真分析

設(shè)置模型目標速度指令ω*：0～1s，電機啟動并牽引加速至210.25rad/s；1s～3s，電機轉(zhuǎn)子維持在210.25rad/s，為制動提供準備條件；3s 時進入制動工況，目標速度指令下調(diào)為0rad/s ；電機負載保持為500N·m。其中，仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 投入MMC_STATCOM 前后車-網(wǎng)聯(lián)合仿真結(jié)果

由圖5可知，原車-網(wǎng)模型制動工況下，接觸網(wǎng)壓峰值UTmax=42.80kV，超出安全電壓峰值42.42kV（有效值30kV）的范圍；投入MMC_STATCOM 后，UTmax基本穩(wěn)定在39.88kV（有效值28.2kV）的范圍內(nèi)，滿足牽引網(wǎng)電壓安全要求。

6 結(jié)論

動車組進入制動工況時，產(chǎn)生的再生制動能量可能會對牽引網(wǎng)供電安全造成威脅。針對這一問題，論文建立MMC_STATCOM 模型，對車-網(wǎng)系統(tǒng)電壓抬升進行抑制，得到結(jié)論如下：

①接觸網(wǎng)電壓、動車組中間直流環(huán)節(jié)電壓、整流器輸入電壓波動范圍均減小；

②動車組中間直流環(huán)節(jié)電壓恢復穩(wěn)態(tài)的響應時間縮短。

綜上，該方案可有效改善制動工況下車-網(wǎng)系統(tǒng)相關(guān)電氣量的不穩(wěn)定現(xiàn)象[8]。