袁佳歆 倪 周 肖非然 閔永智

（1. 武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院 武漢 430072 2. 蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院 蘭州 730070）

0 引言

由于高鐵機(jī)車(chē)為單相負(fù)荷，牽引變壓器一般采用輪流換相的連接方式緩解牽引供電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)造成的不平衡問(wèn)題。然而，牽引變電所之間采用相序輪換會(huì)使兩個(gè)相鄰供電臂之間存在很大的電壓相位差。若兩者直接相連，將引起短路現(xiàn)象導(dǎo)致?tīng)恳W(wǎng)和受電弓熔斷等危害，因此兩個(gè)供電臂之間設(shè)置一個(gè)電分相區(qū)。

目前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于機(jī)車(chē)通電分相區(qū)的方案主要為斷電過(guò)分相與不停電過(guò)分相兩種方式。斷電過(guò)分相的方式雖然具有方案簡(jiǎn)單和造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，但是會(huì)給牽引網(wǎng)和機(jī)車(chē)帶來(lái)過(guò)電壓與過(guò)電流的沖擊，且列車(chē)速度受到損失[1]。不停電過(guò)分相方式主要可分為機(jī)械開(kāi)關(guān)地面自動(dòng)過(guò)分相、電力電子開(kāi)關(guān)自動(dòng)過(guò)分相與柔性地面自動(dòng)過(guò)分相三種方式[2]。機(jī)械開(kāi)關(guān)過(guò)分相的方式是利用真空開(kāi)關(guān)的快速投切，從而實(shí)現(xiàn)列車(chē)的不停電過(guò)分相，但是存在真空開(kāi)關(guān)動(dòng)作次數(shù)有限、失電時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)和在投切過(guò)程中仍會(huì)有過(guò)電壓與過(guò)電流[3]等問(wèn)題。電力電子開(kāi)關(guān)自動(dòng)過(guò)分相具有響應(yīng)速度快和分合閘時(shí)間可控的特點(diǎn)[4-5]，能有效降低開(kāi)關(guān)的失電時(shí)間至 5ms[4]，但不能解決過(guò)電壓和過(guò)電流問(wèn)題。柔性地面自動(dòng)過(guò)分相系統(tǒng)是基于大功率電力電子器件構(gòu)成的電能變換裝置實(shí)現(xiàn)能量從供電臂向分相區(qū)的轉(zhuǎn)移[6-8]，并且在分相區(qū)供電時(shí)平滑改變輸出電壓的相位，不會(huì)出現(xiàn)突變，避免了過(guò)電壓和過(guò)電流。例如文獻(xiàn)[7]提出了基于背靠背逆變器的過(guò)分相裝置，該方案雖能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)車(chē)不停電過(guò)分相，但需要額外增設(shè)高壓大容量變壓器，導(dǎo)致安裝空間較大[8]，另外未考慮機(jī)車(chē)在過(guò)分相過(guò)程中負(fù)荷的變化特性以及引起的電壓波動(dòng)問(wèn)題。

文獻(xiàn)[9-10]提出了一種基于兩相式模塊化多電平變換器（Modular Multilevel Converter, MMC）拓?fù)洳煌ｋ娺^(guò)分相裝置及其控制策略，無(wú)需通過(guò)高壓大容量變壓器接入電網(wǎng)，并且輸出電壓波形質(zhì)量較好。由于兩相式MMC拓?fù)渲粡囊粋?cè)牽引線路取電供給分相區(qū)，導(dǎo)致供電容錯(cuò)性低，另外當(dāng)機(jī)車(chē)進(jìn)出分相區(qū)時(shí)，還是會(huì)有負(fù)荷突變，導(dǎo)致?tīng)恳€路末端電壓波動(dòng)較大。

為進(jìn)一步提高不停電過(guò)分相系統(tǒng)的可靠性和改善牽引供電網(wǎng)末端電壓波動(dòng)，本文提出了一種基于三相MMC的分相區(qū)不停電過(guò)分相系統(tǒng)及其控制策略。該方法可保證機(jī)車(chē)不停電通過(guò)分相區(qū)且負(fù)荷線性變化。本文研究了電壓暫降的變化特點(diǎn)，介紹了不停電過(guò)分相系統(tǒng)（Uninterrupted Power Transfer,UPT）的原理及相應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析了UPT的電流傳輸特性，提出了基于不同狀況下UPT的控制策略，并通過(guò)仿真算例和小容量的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文所提出拓?fù)浼翱刂撇呗缘目尚行院陀行浴?/p>

1 UPT的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及補(bǔ)償原理

1.1 UPT的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在牽引供電系統(tǒng)中，一次側(cè)三相電壓經(jīng)過(guò)牽引變壓器會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)楣╇姳鄣膬上嚯妷?。為了避免相鄰兩供電臂的直接相連而導(dǎo)致短路事故的發(fā)生，在兩供電臂之間存在一個(gè)不帶電的電分相環(huán)節(jié)，主要利用空氣絕緣錨段來(lái)隔絕相鄰供電臂的電氣連接。當(dāng)機(jī)車(chē)過(guò)分相時(shí)，受電弓直接連在不帶電的中性段上，會(huì)依靠慣性惰行通過(guò)分相區(qū)。

不斷電過(guò)分相裝置 UPT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意如圖 1所示。補(bǔ)償裝置采用三相MMC結(jié)構(gòu)[11-12]，包括六個(gè)橋臂和一條直流支撐電容支路，每個(gè)橋臂由N個(gè)子模塊及一個(gè)電感串聯(lián)而成。其中，每個(gè)子模塊可以看成是一個(gè)半橋型的DC-AC變換器，采用三相MMC可以省去變壓器的成本及安裝空間[13]。、分別為三相電網(wǎng)的相電流，Iα和Iβ分別為兩個(gè)供電臂的負(fù)載電流，iu、iv和iw分別為三相變換器的輸出電流。

圖1 UPT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 The topology diagram of the UPT

在列車(chē)移相過(guò)程中，分相區(qū)電壓為

因此，在整個(gè)機(jī)車(chē)運(yùn)行的過(guò)程中，分相區(qū)上的電壓幅值不變，實(shí)現(xiàn)了相角由α側(cè)供電臂上-30°至β側(cè)供電臂上-90°的變化。

普通列車(chē)組采用的是單弓過(guò)分相方式，而重聯(lián)動(dòng)車(chē)組是雙弓過(guò)分相方式。一般中性段長(zhǎng)度為400～800m，由于要考慮雙弓過(guò)分相，因此允許重聯(lián)機(jī)車(chē)組運(yùn)行的中性段區(qū)間至少要600m。為了保證雙弓重聯(lián)機(jī)車(chē)實(shí)現(xiàn)不斷電過(guò)分相，本文提出如下雙弓過(guò)分相方法：首先，當(dāng)機(jī)車(chē)接近和進(jìn)入分相區(qū)時(shí)，不停電過(guò)分相系統(tǒng)在分相區(qū)中性段發(fā)出與來(lái)車(chē)側(cè)同幅值和相位的電壓；其次，當(dāng)兩個(gè)受電弓完全進(jìn)入分相區(qū)后，不停電過(guò)分相系統(tǒng)開(kāi)始平滑調(diào)節(jié)輸出電壓的相位直至與另一個(gè)供電臂的相位相同；最后，當(dāng)機(jī)車(chē)完全離開(kāi)分相區(qū)后，不停電過(guò)分相系統(tǒng)停止工作。

1.2 UPT裝置原理分析

圖2 UPT等效電路Fig.2 Equivalent circuit of UPT

UPT等效電路如圖2所示。在不影響分析結(jié)論的情況下，對(duì)電路模型進(jìn)行簡(jiǎn)化分析。假設(shè)公共側(cè)直流母線電壓恒定且上橋臂和下橋臂電容電壓相等，主網(wǎng)側(cè)電流在上橋臂和下橋臂中平均分配，主電路中的元件均為無(wú)損耗的理想元件。

對(duì)于三相中性點(diǎn)，根據(jù)基爾霍夫第一定律可以得到

假設(shè)兩側(cè)供電臂向分相區(qū)傳送的總功率為P，且供電臂α傳送的功率為P1=kP，則供電臂β傳送的功率為P2=(1-k)P，考慮機(jī)車(chē)在t0時(shí)刻由供電臂α進(jìn)入分相區(qū)，則有

此時(shí)有

三相環(huán)流可分別表示為

結(jié)合式（4）～式（6）可知，三相MMC上、下橋臂電流為

通過(guò)式（7）、式（8）可知，當(dāng)保持兩側(cè)供電臂向分相區(qū)傳送的總有功功率與 MMC模塊直流側(cè)電壓比值一定時(shí)，u相的上下橋臂上的電流與供電臂α側(cè)電流成正比，與時(shí)間成反比；w相的上、下橋臂上的電流與供電臂β側(cè)電流成正比，與時(shí)間成正比；v相的上、下橋臂上的電流與兩側(cè)供電臂電流之和成正比。由此可知，為了保證列車(chē)在經(jīng)過(guò)分相區(qū)時(shí)負(fù)荷線性變化，應(yīng)保證兩供電臂的電流之和連續(xù)變化。

2 UPT無(wú)功補(bǔ)償分析

2.1 牽引網(wǎng)末端電壓波動(dòng)分析

在機(jī)車(chē)從分相區(qū)進(jìn)入供電臂的瞬間，可將其看成沖擊性的大功率阻感負(fù)荷瞬間突然接入電網(wǎng)，將引起系統(tǒng)末端電壓的暫降[14]。

由于考慮上下行全并聯(lián)的牽引網(wǎng)系統(tǒng)中包括多條平行的線路，為了保證其完整的電氣分布特性，考慮對(duì)牽引網(wǎng)進(jìn)行R次切割，從而建立如圖3所示的牽引網(wǎng)的鏈?zhǔn)诫娐纺Ｐ汀?/p>

圖3 牽引網(wǎng)鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)切面圖Fig.3 Sectional drawing of chain structure of traction network

由圖3可知，系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣Y0為

假設(shè)牽引網(wǎng)導(dǎo)線數(shù)量為p，建立如圖 4所示的π型p導(dǎo)體線路。根據(jù)電磁場(chǎng)理論可以得到π型p導(dǎo)體線路的分布阻抗矩陣Z為

此時(shí)π型p導(dǎo)體線路的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣Y/2為

圖4 π型p導(dǎo)體線路Fig.4 π-type p-conductor lines

由于機(jī)車(chē)是并聯(lián)接入牽引網(wǎng)中，故機(jī)車(chē)的接入對(duì)分布阻抗矩陣沒(méi)有影響，但是會(huì)引起一邊的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的變化?？紤]一輛機(jī)車(chē)分別接在i、j兩條線路上，其導(dǎo)納為yij，且運(yùn)行于切面K，此時(shí)π型p線路的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的修改增量為

此時(shí)機(jī)車(chē)的導(dǎo)納將引起系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣中YK矩陣的變化。同理，考慮有q輛機(jī)車(chē)在電路中運(yùn)行，由于電路的線性化，可直接用疊加定理進(jìn)行計(jì)算分析，即機(jī)車(chē)的接入對(duì)系統(tǒng)等效節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣的影響同樣將分別體現(xiàn)在所接線路與所在切面上，而并不會(huì)影響系統(tǒng)的分布阻抗矩陣。

假設(shè)切面電流為I，節(jié)點(diǎn)電壓為U，考慮加入機(jī)車(chē)之后的系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣為0′Y，建立整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)電壓方程為

經(jīng)過(guò)計(jì)算分析可知，機(jī)車(chē)在進(jìn)入供電臂的瞬間，將引起牽引網(wǎng)末端電壓下降。當(dāng)機(jī)車(chē)在牽引網(wǎng)中不斷運(yùn)行時(shí)，其電壓會(huì)有一定的抬升。在考慮上、下行線上各有三輛機(jī)車(chē)滿額工作的極限情況下，末端電壓下降比較大。

2.2 電流無(wú)功分量分析

由于供電臂之間的分相區(qū)距離較短，忽略其阻抗。機(jī)車(chē)在從分相區(qū)進(jìn)入供電臂的過(guò)程中，考慮利用過(guò)分相裝置發(fā)出無(wú)功功率從而維持末端電壓的穩(wěn)定。此時(shí)電壓損耗滿足

其中，首端的有功功率Ps和無(wú)功功率Qs分別滿足

式中，Pm、Qm分別為高鐵機(jī)車(chē)的有功功率與無(wú)功功率。

若要完全補(bǔ)償這部分電壓損耗，過(guò)分相裝置所發(fā)出的無(wú)功功率需滿足

無(wú)功電流滿足

3 有功電流傳輸特性分析

相鄰兩牽引變電站采用輪流換相的方式接入電網(wǎng)。牽引變壓器為高速鐵路常用的Vx牽引變壓器，為2×27.5 kV牽引供電方式，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且相對(duì)于其他類(lèi)型的牽引變壓器利用率較高。兩牽引變電站之間通過(guò)分相區(qū)進(jìn)行隔離。

不停電過(guò)分相裝置原理圖如圖5所示。假設(shè)分相區(qū)從α側(cè)供電臂吸收的有功電流為，從β側(cè)供電臂吸收的有功電流為，在t0時(shí)刻機(jī)車(chē)由α側(cè)供電臂恰好駛?cè)敕窒鄥^(qū)，機(jī)車(chē)過(guò)分相的總耗時(shí)為T(mén)。為了保證機(jī)車(chē)在通過(guò)分相區(qū)時(shí)負(fù)荷特性的線性平滑調(diào)節(jié)，分相區(qū)從兩側(cè)供電臂單位時(shí)間內(nèi)吸收的電流變化特性如圖6所示。對(duì)機(jī)車(chē)從α側(cè)供電臂駛向β側(cè)供電臂，經(jīng)過(guò)分相區(qū)的整個(gè)過(guò)程的有功電流傳輸過(guò)程進(jìn)行分析。

圖5 不停電過(guò)分相裝置原理圖Fig.5 Schematic diagram of the uninterrupted phaseseparation passing device

圖6 機(jī)車(chē)過(guò)分相的負(fù)荷有功電流特性曲線Fig.6 Load active current characteristic curve of locomotive phase-separation passing

供電臂α向分相區(qū)傳輸?shù)挠泄﹄娏鳚M足

供電臂α向分相區(qū)傳輸?shù)挠泄﹄娏髑€如圖 7所示。

圖7 供電臂α向分相區(qū)傳輸?shù)挠泄﹄娏髑€Fig.7 Active current curve of power supply from arm α to neutral section

供電臂β向分相區(qū)傳輸?shù)挠泄﹄娏鳚M足

供電臂 β向分相區(qū)傳輸?shù)挠泄﹄娏髑€如圖 8所示。

圖8 供電臂β向分相區(qū)傳輸?shù)挠泄﹄娏髑€Fig. 8 Active current curve of power supply from arm β to neutral section

假設(shè)過(guò)分相裝置的三個(gè)端口中，A端口與α側(cè)供電臂相連，B端口與β側(cè)供電臂相連，C端口與分相區(qū)相連，三個(gè)端口輸出的有功電流分別為則傳遞的電流滿足表1。

表1 過(guò)分相裝置各端口輸出有功電流Tab.1 Output active current of each port of the phaseseparation passing device

在機(jī)車(chē)通過(guò)分相區(qū)的過(guò)程中，α側(cè)供電臂上的有功電流線性減小，β側(cè)供電臂上的有功電流線性增大。當(dāng)供電臂上傳輸?shù)挠泄﹄娏饕欢〞r(shí)，分相區(qū)上吸收的電流總和保持不變，使得機(jī)車(chē)能在不停電惰行的條件下，通過(guò)分相區(qū)無(wú)速度損失。

4 控制策略

UPT的控制策略框圖如圖9所示?？紤]列車(chē)從α側(cè)供電臂駛向β側(cè)供電臂，經(jīng)過(guò)分相區(qū)的整個(gè)過(guò)程，通過(guò)三相 MMC的 u、v、w三相與中性點(diǎn)配合，可實(shí)現(xiàn)分相控制[15-16]，在列車(chē)由α側(cè)供電臂經(jīng)過(guò)分相區(qū)通往β側(cè)供電臂的整個(gè)過(guò)程中，u相逆變器與 w相逆變器均控制交流電流，分別吸收 α側(cè)供電臂和β側(cè)供電臂的有功功率，且將其轉(zhuǎn)移至v相變流器。v相變流器根據(jù)電壓的移相特性輸出基波電壓與電流，并為在分相區(qū)中運(yùn)行的機(jī)車(chē)提供功率。u相逆變器吸收并轉(zhuǎn)移至 v相變流器的有功功率線性減小，w相逆變器吸收并轉(zhuǎn)移至 v相變流器的有功功率線性增加，而兩者之和維持一定。在機(jī)車(chē)從分相區(qū)駛向供電臂的時(shí)候，通過(guò)變流器發(fā)出無(wú)功電流維持機(jī)車(chē)電壓的穩(wěn)定不變，其控制策略框圖如圖10和圖11所示。

圖9 UPT控制策略框圖Fig.9 Block diagram of UPT control strategy

圖10 實(shí)際參考電流信號(hào)生成框圖Fig.10 Actual reference current signal block diagram

圖11 UPT控制系統(tǒng)框圖Fig.11 UPT control system

在機(jī)車(chē)過(guò)分相的過(guò)程中，UPT應(yīng)該滿足兩個(gè)目標(biāo)[16-17]：①機(jī)車(chē)通過(guò)分相區(qū)的過(guò)程中，從兩側(cè)供電臂吸收的有功電流均線性變化，且總和保持一定；②在機(jī)車(chē)過(guò)分相時(shí)，機(jī)車(chē)電壓幅值保持一定，相位發(fā)生移相變化。

4.1 有功控制策略

機(jī)車(chē)在過(guò)分相的過(guò)程中從兩側(cè)供電臂吸收的有功電流總和保持一定，α側(cè)供電臂輸出的有功電流線性減小，而β側(cè)供電臂輸出的有功電流線性增加。利用直流電壓參考信號(hào)與實(shí)測(cè)信號(hào)的比較，經(jīng)過(guò)PI控制器與兩側(cè)供電臂電壓同步參考信號(hào)的作用[18]，得到直流電壓信號(hào)并將其用于供電臂電流的調(diào)節(jié)，α側(cè)供電臂有功參考電流即為α側(cè)供電臂的輸出有功電流[19-20]，即

假設(shè)α側(cè)供電臂實(shí)際輸出有功電流與參考有功電流比值為μ（0＜μ＜1），故可得α側(cè)供電臂實(shí)際輸出有功電流表達(dá)式為

利用 β側(cè)供電臂輸出的有功電流補(bǔ)償 α側(cè)供電臂的實(shí)際輸出有功電流與有功參考電流之間的差值，即

β側(cè)供電臂輸出的有功參考電流為

由式（22）～式（25）可知，系統(tǒng)總的傳遞有功電流包括α側(cè)供電臂輸出有功電流與β側(cè)供電臂輸出有功電流兩部分，其中，α側(cè)供電臂的有功參考電流為 α側(cè)供電臂輸出有功電流的理論計(jì)算值，β 側(cè)供電臂的有功參考電流為兩側(cè)總的輸出有功電流與α側(cè)供電臂實(shí)際輸出有功電流的電流差值。

4.2 無(wú)功控制策略

裝置所發(fā)出的無(wú)功電流來(lái)維持機(jī)車(chē)進(jìn)入供電臂時(shí)所引起的電壓暫降[21-22]。機(jī)車(chē)在過(guò)分相的過(guò)程中，公共直流側(cè)母線電壓保持穩(wěn)定，即通過(guò)直流電壓的控制，維持機(jī)車(chē)電壓的穩(wěn)定。利用所得到的實(shí)際參考電壓信號(hào)，對(duì)實(shí)測(cè)無(wú)功電流信號(hào)進(jìn)行滯環(huán)電流跟蹤控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)參考電流信號(hào)的快速跟蹤與實(shí)際輸出電流信號(hào)的迅速調(diào)節(jié)。

β側(cè)供電臂輸出的無(wú)功參考電流表達(dá)式為

4.3 裝置控制策略

系統(tǒng)總的傳遞有功電流包括α側(cè)供電臂輸出電流與 β 側(cè)供電臂輸出電流兩部分，其中，α 側(cè)供電臂的參考電流為 α 側(cè)供電臂輸出電流的理論計(jì)算值，β 側(cè)供電臂的參考電流為兩側(cè)總的輸出電流與α側(cè)供電臂實(shí)際輸出電流的電流差值。兩端供電臂輸出電流協(xié)同控制，最終完成機(jī)車(chē)不停電、不降功過(guò)分相[23-24]。

在機(jī)車(chē)過(guò)分相時(shí)，需要實(shí)現(xiàn)對(duì)參考電流的快速跟蹤控制，而UPT具有很快的響應(yīng)速度，能在一個(gè)周波內(nèi)快速響應(yīng)，因此考慮UPT控制系統(tǒng)采用滯環(huán)電流控制[25-26]。其中，α側(cè)供電臂的參考電流為

β側(cè)供電臂的參考電流為

5 UPT的仿真與實(shí)驗(yàn)

5.1 仿真條件

高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的電氣仿真參數(shù)及傳輸線參數(shù)分別見(jiàn)表2和表3。

表2 仿真模型參數(shù)Tab.2 Parameters of simulation model

表3 傳輸線參數(shù)Tab.3 Parameters of traction network transmission lines

為了驗(yàn)證所提出的 UPT的工作特性與控制策略的有效性，本文利用 Matlab建立機(jī)車(chē)過(guò)分相的仿真模型?？紤]機(jī)車(chē)在0.265s從α側(cè)供電臂剛開(kāi)始進(jìn)入分相區(qū)，在0.5s從分相區(qū)剛開(kāi)始進(jìn)入β側(cè)供電臂。分析單輛機(jī)車(chē)在經(jīng)過(guò)分相區(qū)的過(guò)程中，機(jī)車(chē)電壓變化曲線以及過(guò)分相裝置輸出電流變化曲線的仿真特性。

5.2 仿真分析

5.2.1 機(jī)車(chē)電壓特性仿真分析

1）基于傳統(tǒng)兩相式MMC的機(jī)車(chē)過(guò)分相電壓特性

當(dāng)機(jī)車(chē)基于兩相式MMC過(guò)分相時(shí)，假設(shè)機(jī)車(chē)從α側(cè)供電臂駛向β側(cè)供電臂，在整個(gè)過(guò)程中，能量完全由α側(cè)供電臂提供。

上、下行全并聯(lián)運(yùn)行下末端電壓變化特性如圖12所示。當(dāng)機(jī)車(chē)在分相區(qū)中運(yùn)行時(shí)，牽引網(wǎng)末端電壓為 25.28kV，此時(shí)牽引網(wǎng)末端電壓在機(jī)車(chē)正常滿額運(yùn)行的電壓范圍之中；機(jī)車(chē)0.5s進(jìn)入供電臂的瞬間，電壓發(fā)生瞬時(shí)跌落，隨著機(jī)車(chē)的進(jìn)一步運(yùn)行，末端電壓有一定的抬升。此時(shí)牽引網(wǎng)末端電壓為23.7kV，下降比較大，機(jī)車(chē)將處于非滿額功率運(yùn)行。

圖12 上、下行全并聯(lián)運(yùn)行下末端電壓變化特性Fig.12 Variation characteristics of terminal voltage under up and down parallel operation

2）基于UPT的機(jī)車(chē)過(guò)分相電壓特性

當(dāng)機(jī)車(chē)從分相區(qū)進(jìn)入供電臂時(shí)，利用UPT發(fā)出無(wú)功電流從而補(bǔ)償機(jī)車(chē)負(fù)荷突然接入所引起的電壓缺額，補(bǔ)償電壓波形圖如圖13所示。在機(jī)車(chē)進(jìn)入分相區(qū)后，從兩側(cè)供電臂吸收的電流幅值和一定，分相區(qū)電流波形如圖14所示。

圖13 UPT補(bǔ)償電壓波形Fig.13 UPT compensation voltage waveform

圖14 分相區(qū)電流變化仿真分析Fig.14 Simulation analysis of current variation characteristics

從圖14可以看出，在高速列車(chē)通過(guò)分相區(qū)的整個(gè)過(guò)程中，機(jī)車(chē)上的電壓相位實(shí)現(xiàn)了從 α側(cè)供電臂駛向β側(cè)供電臂的連續(xù)轉(zhuǎn)變。由圖15a可知，機(jī)車(chē)在進(jìn)入分相區(qū)之后，分相區(qū)上的電流保持幅值恒定的良好正弦波形；由圖15b可知，機(jī)車(chē)在分相區(qū)上的電壓幅值與 α側(cè)供電臂及 β側(cè)供電臂上的電壓幅值相等。故在機(jī)車(chē)在從 α側(cè)牽引供電經(jīng)過(guò)分相區(qū)駛向 β側(cè)供電臂的過(guò)程中，機(jī)車(chē)上的電壓幅值不變，相位實(shí)現(xiàn)由α側(cè)供電臂電壓相位向β側(cè)供電臂電壓相位的連續(xù)平滑調(diào)節(jié)，與理論分析結(jié)果相同。

圖15 電壓變化特性仿真分析Fig.15 Simulation analysis of voltage variation characteristics

5.2.2 供電臂電流特性仿真分析

傳統(tǒng)的機(jī)車(chē)過(guò)分相方式是采用兩相式MMC裝置。裝置兩側(cè)的電流傳輸特性如圖16所示?？紤]機(jī)車(chē)一直滿額運(yùn)行，當(dāng)機(jī)車(chē)從分相區(qū)進(jìn)入β側(cè)供電臂時(shí)，兩側(cè)傳輸電流發(fā)生突變，α側(cè)供電臂電流突降為 0，β側(cè)供電臂電流突增為 491.2A，兩側(cè)電流幅值特性見(jiàn)表4。

圖16 基于傳統(tǒng)兩相式MMC的供電臂兩側(cè)電流波形Fig.16 Current waveforms on both sides of traction power supply arm based on traditional two-phase MMC

基于UPT的供電臂兩側(cè)電流波形如圖17所示。從圖17可以看出，高速列車(chē)在通過(guò)分相區(qū)的整個(gè)過(guò)程中，在α側(cè)供電臂上運(yùn)行時(shí)，α側(cè)供電臂電流幅值最大，此后該電流幅值線性減小，當(dāng)機(jī)車(chē)進(jìn)入β側(cè)供電臂時(shí)，該電流幅值減至0；當(dāng)機(jī)車(chē)在α側(cè)供電臂上運(yùn)行時(shí)，β側(cè)供電臂電流幅值為0，此后該電流線性增大，當(dāng)機(jī)車(chē)進(jìn)入β側(cè)供電臂時(shí)，β側(cè)供電臂上的電流達(dá)到最大。同時(shí)，兩側(cè)供電臂上電流之和幅值保持一定，為491.2A，與理論結(jié)果分析特性相同。

表4 傳統(tǒng)過(guò)分相裝置電流幅值的仿真數(shù)據(jù)Tab.4 Simulation data of current amplitude of traditional phase-separation passing device

圖17 基于UPT的供電臂兩側(cè)電流波形Fig.17 Current waveforms on both sides of traction power supply arm based on UPT

表5 UPT電流幅值的仿真數(shù)據(jù)Tab.5 Simulation data of current amplitude of UPT

與傳統(tǒng)式過(guò)分相裝置相比，UPT能保障機(jī)車(chē)在過(guò)分相時(shí)，分相區(qū)從兩側(cè)吸收的電流實(shí)時(shí)線性變化，但是總和仍然保持為491.2 A不變。

5.3 實(shí)驗(yàn)分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證 UPT的有效性和優(yōu)點(diǎn)，搭建了小容量的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖18所示。主變壓器匝數(shù)比為380V:220V，額定功率為10kV·A，MMC容量為2kvar。負(fù)載位于一個(gè)電源臂中，其容量為800W，耦合電感為10 mH。子模塊由兩個(gè)1 200V 50A IGBT和一個(gè)450V、2 200μF電容組成，MMC的開(kāi)關(guān)頻率為 10kHz，調(diào)制比為0.85。通過(guò)開(kāi)關(guān)的投切來(lái)模擬機(jī)車(chē)過(guò)分相的過(guò)程。采用TI公司的TMS320F2812 DSP作為UPT系統(tǒng)的控制器來(lái)輸出控制信號(hào)，且所有控制程序都在DSP中運(yùn)行。

圖18 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.18 The experiment platform

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖19～圖21所示。

圖19 供電臂有功電流波形Fig.19 Active current waveform of traction arm

圖20 末端電壓變化波形Fig.20 Terminal voltage variation waveform

圖21 機(jī)車(chē)過(guò)分相時(shí)分相區(qū)與兩側(cè)供電臂電壓波形Fig.21 Voltage waveforms of neutral section and traction arms on both sides of locomotive phase-separation passing

從圖20可以看出，本文提出的UPT可以在機(jī)車(chē)過(guò)分相情況下保證兩側(cè)供電臂電流線性變化，且其電流和保持為3.42A不變，證明了其有效性。圖21表明，機(jī)車(chē)在過(guò)分相進(jìn)入供電臂時(shí)，將引起的電壓跌落。圖 22表明，UPT能保證機(jī)車(chē)在過(guò)分相的過(guò)程中，電壓波形保持幅值為 311V的正弦變化且相位實(shí)現(xiàn)了由α側(cè)供電臂相位至β側(cè)供電臂相位的變化，裝置對(duì)機(jī)車(chē)突然接入所引起的電壓跌落進(jìn)行了補(bǔ)償，進(jìn)一步證明了UPT的優(yōu)點(diǎn)。

6 結(jié)論

本文提出了一種分相區(qū)不停電過(guò)分相系統(tǒng)UPT，對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無(wú)功補(bǔ)償特性與電流傳輸特性進(jìn)行了分析，并研究了UPT的控制策略。結(jié)論如下：

1）UPT能使機(jī)車(chē)負(fù)荷不停電地通過(guò)分相區(qū)且負(fù)荷線性變化。在經(jīng)過(guò)分相區(qū)的過(guò)程中，UPT能保證機(jī)車(chē)電壓發(fā)生移相變化。

2）通過(guò) UPT發(fā)出無(wú)功電流，解決了機(jī)車(chē)過(guò)分相的末端電壓波動(dòng)問(wèn)題。

3）提出了UPT的控制策略，具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。通過(guò)Matlab仿真驗(yàn)證了UPT能使機(jī)車(chē)不停電、不降功地通過(guò)分相區(qū)，同時(shí)能保證負(fù)荷線性變化。搭建了小容量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)機(jī)車(chē)通過(guò)過(guò)分相時(shí)的系統(tǒng)電流變化特性進(jìn)行了硬件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的有效性及可實(shí)施性。