電氣化鐵路列車柔性不斷電過分相系統(tǒng)及其控制策略

黃 毅 胡海濤 王翼云 葛銀波 谷禹涵

電氣化鐵路列車柔性不斷電過分相系統(tǒng)及其控制策略

黃 毅1胡海濤1王翼云1葛銀波1谷禹涵2

（1. 西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 成都 611756 2. 中國鐵路太原局集團有限公司 太原 030013）

針對現(xiàn)有電氣化鐵路柔性過分相技術(shù)存在的變流設(shè)備容量需求大、弓網(wǎng)帶電流分?jǐn)嘁鹑蓟〉葐栴}，提出一種列車柔性不斷電過分相系統(tǒng)及其控制策略。該系統(tǒng)通過背靠背變流器連接電分相兩側(cè)的供電臂，單相逆變器從背靠背變流器的直流側(cè)引出并串接移相變壓器后連接至中性線，該結(jié)構(gòu)可有效降低逆變器等變流設(shè)備的容量，以實現(xiàn)列車過分相全過程不斷電、無過電壓與不拉弧。首先，詳細(xì)分析所提系統(tǒng)的工作原理；隨后，提出相應(yīng)的電壓柔性切換、功率主動調(diào)整的控制策略；然后，通過Simulink仿真和RT-Lab硬件在環(huán)實驗，驗證了該系統(tǒng)與控制策略的有效性；最后，結(jié)合電氣化鐵路的實際情況，分析所提方案在不同應(yīng)用場景下的變流設(shè)備容量需求，并給出了應(yīng)用建議。

電氣化鐵路 電分相 柔性過分相 功率調(diào)整 移相變壓器

0 引言

近年來，電氣化鐵路的高速化、重載化發(fā)展對牽引供電系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性提出了更高要求。我國電氣化鐵路采用的是單相工頻交流供電方式，其中的電分相環(huán)節(jié)會造成供電斷點。目前列車采用的斷電過分相方式[1]一方面會導(dǎo)致運行速度損失，制約列車的高速重載運行，造成系統(tǒng)運能損失[2]；另一方面，列車斷電過電分相過程中會引發(fā)暫態(tài)過電壓、過電流及弓網(wǎng)燃弧的現(xiàn)象，損壞車載設(shè)備和供電設(shè)備，威脅列車的安全、可靠運行[3-4]。

針對過分相問題，現(xiàn)有解決方案主要有不斷電過分相技術(shù)[5]、同相供電技術(shù)[6-7]以及中壓直流牽引供電技術(shù)[8]。其中，同相供電技術(shù)與中壓直流牽引供電技術(shù)都需對現(xiàn)有牽引供電系統(tǒng)進行大規(guī)模改造，不利于在既有線路上進行推廣應(yīng)用。因此，在不改變既有牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上研究列車不斷電過分相技術(shù)，對于實現(xiàn)列車的高速、重載運行，充分發(fā)揮既有線路運能，具有重大的現(xiàn)實意義。理想的過分相技術(shù)應(yīng)具備如下功能：①列車全程不斷電，實現(xiàn)無速度損失；②列車受電弓電壓不突變、弓網(wǎng)無電流分?jǐn)?，避免暫態(tài)過電壓和弓網(wǎng)燃弧問題。

為此，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種列車不斷電過分相技術(shù)，主要可分為開關(guān)式自動過分相和柔性式自動過分相兩類。其中，開關(guān)式通過機械開關(guān)或電子開關(guān)的快速投切，實現(xiàn)中性線上的電壓切換，以此實現(xiàn)列車的不斷電過分相。然而，機械開關(guān)難于精確控制分/合閘的相位，導(dǎo)致過電壓、過電流、電弧等暫態(tài)問題，并且還存在開關(guān)切換時間長、開關(guān)壽命短等問題[9-10]；電子開關(guān)可精確控制分/合閘相位，切換時間較短[11-12]，但依然存在斷電過程，也無法解決弓網(wǎng)帶電流分?jǐn)鄬?dǎo)致的拉弧問題[13]。

柔性式自動過分相利用變流設(shè)備將電能從供電臂傳輸?shù)街行詤^(qū)，保障列車過分相全過程不斷電，并能抑制暫態(tài)問題。研究者提出了基于傳統(tǒng)背靠背變流器方案[14]和基于兩相式模塊化多電平變換器（Moduar Multilevel Converter, MMC）[15]方案，利用電壓變頻移相實現(xiàn)了列車不間斷供電。在此基礎(chǔ)上，文獻(xiàn)[16]采用三相式MMC提高裝置可靠性。而文獻(xiàn)[17]利用功率控制解決弓網(wǎng)帶電流分?jǐn)鄬?dǎo)致的拉弧問題。但是，為匹配列車運行功率，上述方案所需的變流設(shè)備容量極大，為此，變流設(shè)備串接變壓器向中性區(qū)供電的方案被提出[18-19]，此類方案可有效減少變流器容量，節(jié)省系統(tǒng)投資成本。但此類方案僅關(guān)注中性線電壓控制以實現(xiàn)不間斷供電，未考慮不斷電過分相時弓網(wǎng)大電流分?jǐn)鄦栴}，因此無法完全解決過電壓、電弧等暫態(tài)問題。

為此，本文提出一種基于背靠背變流器（Back- To-Back Converter, BTBC）的柔性不斷電過分相系統(tǒng)（Flexible Uninterrupted Phase-separation-passing System, FUPS），利用移相變壓器（Phase-shifting Transformer, PT）降低了變流設(shè)備容量；以實現(xiàn)列車過分相全程不斷電與弓網(wǎng)無電流分?jǐn)酁槟繕?biāo)，結(jié)合列車過分相時弓網(wǎng)接觸過程，提出了相應(yīng)的中性線電壓控制策略與系統(tǒng)輸出功率調(diào)整控制策略；并結(jié)合電氣化鐵路的特點，針對可能的應(yīng)用場景，探討了該系統(tǒng)的適用性。

1 列車過分相過程介紹

圖1所示為我國電氣化鐵路常用的六跨錨段關(guān)節(jié)式電分相，其包含6個跨距，每跨距離為40～60m；其中，支柱4兩側(cè)絕緣子之間被稱為無電區(qū)，約22m；支柱2和支柱6絕緣子之間被稱為中性區(qū)。

列車過分相時，在OA段、FG段，受電弓僅與相應(yīng)供電臂的接觸線接觸；在AB、EF段，受電弓同時與供電臂接觸線、中性線接觸，此段距離約8～10m[12]；BE段列車受電弓僅與中性線接觸，理論上無電；但實際上，列車在CD段受電弓與供電臂的間距才滿足絕緣要求，因此CD段被稱為等效無電區(qū)，約35m。

在列車從O點駛向A點過程中，帶高壓的受電弓與無電的中性線（實際上中性線有感應(yīng)電壓，約12kV）距離逐漸減小，兩者間高壓電場擊穿空氣絕緣，導(dǎo)致過電壓、電弧等暫態(tài)問題[20-21]，在DE段也有此問題。在B點時，受電弓與供電臂a分離，在不斷電過分相方式下，正常取流的列車導(dǎo)致弓網(wǎng)間存在大電流流通，弓、網(wǎng)分離時可能導(dǎo)致過電壓、電弧等暫態(tài)問題[22]，在F點時同樣面臨此問題。

2 FUPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

2.1 FUPS結(jié)構(gòu)

柔性不斷電過分相系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作過程如圖2所示，其主要由變流設(shè)備（BTBC和單相逆變器）和多臺變壓器構(gòu)成。BTBC的左側(cè)變流器VSC-L、右側(cè)變流器VSC-R共用直流環(huán)節(jié)，兩變流器的交流端口分別接入隔離變壓器T1、T2的低壓側(cè)；T1、T2高壓側(cè)端子分別與相應(yīng)供電臂、鋼軌相連。單相逆變器的直流端口接入BTBC直流環(huán)節(jié)，交流端口接入隔離變壓器T3的低壓側(cè)；T3的高壓側(cè)端子分別與中性線、移相變壓器PT的n端子相連。移相變壓器的a、b端子分別與供電臂a、供電臂b相連。移相變壓器n-G端口輸出電壓為a-G、β-G端口交流電壓矢量和的一半。

圖2 柔性不斷電過分相系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作過程

此外，MO～MG分別為安裝在O～G點的地面測量傳感器（組），MO包括位置傳感器和速度傳感器，MA～MG為位置傳感器。

2.2 工作原理

FUPS的工作原理如圖2所示，圖中，L為列車視在功率，af、bf和NS分別為供電臂a、供電臂b和FUPS供應(yīng)給列車的功率；a、b和NS分別為供電臂a、供電臂b和中性線電壓。假設(shè)列車從O點過分相，系統(tǒng)工作過程可分為七個階段：

階段Ⅰ：MO檢測到列車進入OA段運行，控制FUPS輸出電壓跟蹤供電臂a電壓，使中性線電壓與供電臂a電壓一致，避免臨近A點時發(fā)生高壓擊穿絕緣引起暫態(tài)問題。

階段Ⅱ：MA檢測到列車時，F(xiàn)UPS開始輸出功率；在列車駛到B點前，F(xiàn)UPS輸出功率增加到列車所需功率，使得受電弓與供電臂a在B點分離時無電流傳輸，避免弓、網(wǎng)帶電流分?jǐn)喽饡簯B(tài)問題；同時，中性線電壓與供電臂a保持一致。

階段Ⅲ：MB檢測到列車進入BC段運行，F(xiàn)UPS為列車供電，中性線電壓與供電臂a保持一致。

階段Ⅳ：列車進入CD段，MC觸發(fā)FUPS調(diào)節(jié)輸出電壓，使中性線電壓向供電臂b電壓柔性切換；列車正常取流，F(xiàn)UPS為其供電。

階段Ⅴ：MD檢測到列車進入DE段，F(xiàn)UPS工作狀態(tài)不變；此時，中性線電壓與供電臂b相同，防止臨近E點高壓擊穿絕緣引起暫態(tài)問題。

階段Ⅵ：列車駛?cè)隕點后，ME觸發(fā)FUPS減少輸出功率，列車從僅由FUPS供電，向僅由供電臂b供電切換；在F點，弓、網(wǎng)（中性線）分離時不傳輸電流，避免帶電流分?jǐn)嘁鸬臅簯B(tài)問題。

階段Ⅶ：MF檢測到列車后，F(xiàn)UPS不輸出功率，輸出電壓跟隨供電臂b電壓；待列車駛出G點后，MG觸發(fā)FUPS進入待機狀態(tài)。

由于過分相時間較短，列車速度變化不大（最大運行加速度小于0.5m/s2[23]），上述各階段的動作時長可由分相區(qū)各區(qū)段長度數(shù)據(jù)、MO檢測到的列車速度數(shù)據(jù)估算，并考慮一定的時間裕度得到。

通過上述工作過程，F(xiàn)UPS可實現(xiàn)列車過分相全過程中完全無斷電，并且有效避免過電壓、電弧等暫態(tài)問題。

3 控制策略

在列車過分相全過程中，F(xiàn)UPS需根據(jù)列車的位置，主動控制輸出電壓與功率，實現(xiàn)列車完全無斷電、無暫態(tài)問題過分相目標(biāo)。圖3所示為所提的FUPS總體控制框圖，主要包含了中性線電壓控制、系統(tǒng)功率控制與底層變流設(shè)備控制三個部分。

圖3 FUPS總體控制框圖

3.1 中性線電壓控制

根據(jù)FUPS的工作原理，列車過分相時中性線上電壓目標(biāo)值為

其中

中性線電壓合成相量如圖4所示，F(xiàn)UPS輸出電壓由PT和逆變器電壓合成。逆變器參考電壓為

3.2 系統(tǒng)功率控制

圖5所示為列車過分相時功率流示意圖，列車功率由兩供電臂和中性線共同提供，即

式中，為列車復(fù)功率，，為功率因數(shù)角；、分別為供電臂a、b與受電弓間傳輸?shù)膹?fù)功率，、；為FUPS輸出的復(fù)功率，。

1）逆變器參考功率

FUPS輸出功率由PT與逆變器共同提供，即

為使FUPS輸出功率滿足式（7），過分相過程中，逆變器有功、無功參考功率表達(dá)式見表1。

表1 逆變器有功、無功參考功率表達(dá)式

Tab.1 Reference active and reactive power of inverter

2）BTBC參考功率

逆變器所需的有功功率由BTBC兩側(cè)變流器共同提供，則BTBC的功率參考值應(yīng)為

3.3 變流設(shè)備控制

圖6 BTBC控制框圖

逆變器需精確控制中性線上電壓，并嚴(yán)格按需輸出有功、無功功率。因此，本文采用如圖7所示基于準(zhǔn)比例諧振（Quasi-Proportional-Resonant, QPR）的雙閉環(huán)控制策略[25]，對其交流側(cè)電壓、電流都進行閉環(huán)控制，以實現(xiàn)快速、精確的控制效果。

圖7 逆變器控制框圖

4 仿真與實驗驗證

4.1 仿真證明

4.1.1 仿真參數(shù)

為驗證所提系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制方案的有效性，本文根據(jù)電氣化鐵路常用的V/v牽引變壓器型牽引變電所，在Matlab/Simulink環(huán)境中，搭建了FUPS的仿真模型。其中，電分相區(qū)采用六跨式結(jié)構(gòu)，仿真模型具體參數(shù)分別見表2和表3。

仿真過程中假設(shè)：過分相列車以時速300km/h勻速通過分相區(qū)，運行于單位功率因數(shù)，功率為6 400kW；列車于0.5s時從A點開始過分相，約于0.62s、0.9s、1.33s、1.61s、1.73s分別到達(dá)B、C、D、E、F點；此外，不考慮時間裕度。

表2 牽引供電系統(tǒng)參數(shù)

Tab.2 Simulation parameters of traction power supply system

表3 FUPS仿真參數(shù)

Tab.3 Simulation parameters of FUPS

4.1.2 仿真結(jié)果

1）中性線輸出電壓

圖8為全過程中性線電壓與兩側(cè)供電臂電壓波形。0.9s前，中性線電壓與供電臂a電壓波形重合，滿足階段Ⅰ～Ⅲ的電壓控制要求；0.9～1.33s，中性線電壓幅值不變、相位平滑向供電臂b變化，滿足階段Ⅳ控制要求；1.33s之后，中性線電壓與供電臂b電壓波形重合，滿足階段Ⅴ～Ⅶ電壓控制要求。綜上所述，中性線電壓滿足不斷電過分相要求，驗證了電壓控制策略的有效性。

圖8 中性線與兩側(cè)供電臂電壓波形

2）系統(tǒng)功率交互

圖9所示為列車過分相過程中系統(tǒng)各環(huán)節(jié)功率流交互與FUPS各部分傳輸功率結(jié)果。由圖9a可知，全過程功率交互情況與圖2所示原理相符：0.5s前，F(xiàn)UPS運行于階段Ⅰ，列車受電弓僅從供電臂a獲取功率；0.5～0.62s之間為階段Ⅱ，F(xiàn)UPS出力逐漸增加、供電臂a出力逐漸減小；在0.62s時，列車功率全部由中性線提供，供電臂a的輸出功率為0，即傳輸電流為0，進而有效避免由弓網(wǎng)帶電流分?jǐn)鄬?dǎo)致的暫態(tài)問題；0.62～1.61s之間為階段Ⅲ～Ⅴ，僅FUPS為列車供電；1.61s時階段Ⅵ開始，中性線出力逐漸下降，列車功率逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)橛晒╇姳踒提供；到1.73s時，中性線輸出功率降為0，即弓網(wǎng)間傳輸?shù)碾娏鳛?；1.73s后進入階段Ⅶ，列車功率完全由供電臂b提供，F(xiàn)UPS不提供功率。

具體地，F(xiàn)UPS變流設(shè)備輸出的有功功率曲線如圖9b所示。由圖可知，移相變壓器承擔(dān)了大部分輸出功率，使得逆變器的輸出有功功率較小，其最大值為1.6MW，僅為負(fù)荷有功功率的1/4；BTBC兩側(cè)變流器各承擔(dān)逆變器輸出功率的一半。

綜上所述，過分相全過程中，F(xiàn)UPS能夠完全按需輸出所需功率，實現(xiàn)列車的全過程不斷電過分相與弓網(wǎng)無電流分?jǐn)?，驗證了系統(tǒng)功率控制策略的有效性；同時也證明，移相變壓器可有效減小變流設(shè)備輸出功率。

4.2 實驗驗證

為進一步驗證FUPS控制策略的有效性和可行性，搭建基于TMS320C28346 DSP控制器和RT-Lab實時仿真器的硬件在環(huán)（Hardware In Loop, HIL）實驗平臺。將主電路模型在RT-Lab OP5700 HIL Box中搭建，控制策略在DSP中實現(xiàn)，兩者間的實時信息交互通過轉(zhuǎn)接板和接口板卡實現(xiàn)，實驗波形通過Keysight DSOX3024T示波器監(jiān)測記錄。得到的實驗結(jié)果如下：

實驗電壓波形如圖10所示，圖10a～圖10c為電壓移相過程中供電臂與中性線電壓波形，圖10d為逆變器輸出電壓波形。由實驗波形可知，中性線電壓實現(xiàn)了由a向b的平滑切換，逆變器輸出電壓變化過程與原理分析一致，驗證了電壓控制策略的有效性與可行性。

實驗過程供電臂與FUPS輸出電流、功率波形如圖11a、圖11b所示，逆變器、PT傳輸功率曲線如圖11c所示。由結(jié)果可知，F(xiàn)UPS可嚴(yán)格按需輸出功率，實現(xiàn)了列車全程不斷電、弓網(wǎng)無電流分?jǐn)噙^分相的目標(biāo)，功率控制策略的可行性、有效性得到了驗證。

5 FUPS適用性分析

5.1 應(yīng)用于變電所處電分相

圖12 變電所場景變流設(shè)備傳輸最大功率曲線

5.2 應(yīng)用于分區(qū)所

圖13 分區(qū)所場景變流設(shè)備傳輸最大功率曲線

6 結(jié)論

本文提出了一種包含移相變壓器的電氣化鐵路列車柔性不斷電過分相系統(tǒng)，可有效減少系統(tǒng)中逆變器、BTBC設(shè)備容量；同時，根據(jù)列車過分相時的弓網(wǎng)接觸過程，針對該系統(tǒng)提出了包含中性線電壓調(diào)整與系統(tǒng)輸出功率調(diào)整的控制策略。仿真與實驗結(jié)果表明，所提方案可實現(xiàn)列車過分相全過程不斷電與弓網(wǎng)無電流分?jǐn)?，進而可有效避免過電壓、電弧等暫態(tài)問題的發(fā)生，為充分發(fā)揮電氣化鐵路運能、提升系統(tǒng)可靠性提供保障。此外，通過分析所提FUPS在不同應(yīng)用場景下的變流設(shè)備容量需求，探討了其適用性，結(jié)果表明，該系統(tǒng)比較適用于兩側(cè)供電臂電壓相位差較小的電分相，如V/v（V/x）接線牽引變壓器的牽引變電所和所有的分區(qū)所。

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Flexible Uninterrupted Phase-Separation Passing System and Its Control Strategy for Electrified Railway Trains

11112

（1. College of Electrical Engineering Southwest Jiaotong University Chengdu 611756 China 2. Taiyuan China Railway Taiyuan Group Co. Ltd Taiyuan 030013 China）

Existing flexible phase-separation passing technologies for electrified railways face problems including large capacity requirements for converters and arcing caused by the separation with current between pantograph and contact wire. Thus, this paper proposed a more practical flexible uninterrupted phase-separation passing system and its control strategy. The proposed system connects the power phases on both sides of the phase-separation through a back-to-back converter. The single-phase inverter is drawn from the DC link of the back-to-back converter and connected with a phase-shifting transformer in series to maintain the voltage on the neutral wire. The connected phase-shifting transformer can effectively reduce the capacity of converters. With the goal of passing the phase-separation without power interruption, overvoltage and arcing, the working principle of the proposed system is analyzed in detail, and a control strategy with flexible voltage transition and power adjustment ability is proposed. Next, the effectiveness of the proposed system and control strategy is verified by the Matlab/Simulink-based simulation and the RT-Lab-based hardware in the loop experiment. Finally, the required capacity of the converters in the proposed system is analyzed, according to the practical operation scenarios of electric railways. Based on the analyzed results, some application suggestions of the proposed system are advised.

Electrified railway, phase-separation, uninterrupted phase-separation passing, power adjustment, phase-shifting transformer

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210874

TM922.3

國家自然科學(xué)基金（52077179）、四川省杰出青年科技基金（2021JDJQ0032）和中國國家鐵路集團有限公司科技研究開發(fā)計劃（N2020G021）資助項目。

2021-06-15

2021-07-28

黃 毅 男，1997年生，博士研究生，研究方向為電氣化鐵路“源網(wǎng)車儲”一體化供電。E-mail: huangyizero@foxmail.com

胡海濤 男，1987年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為牽引供電系統(tǒng)穩(wěn)定性與供電品質(zhì)。E-mail: hht@swjtu.edu.cn（通信作者）

（編輯 陳 誠）