周京華，閆天樂，章小衛(wèi)，陳亞愛

（北京市變頻技術(shù)工程技術(shù)研究中心（北方工業(yè)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院），北京 100144）

我國電氣化鐵路牽引供電制式為單相工頻交流制，一般采用平衡變壓器，其一次側(cè)接入三相電網(wǎng)，二次側(cè)兩供電臂輸出27.5 kV單相交流電壓為牽引網(wǎng)供電。隨著鐵路交-直-交型機(jī)車的全面使用，牽引供電系統(tǒng)存在的問題主要為影響電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的負(fù)序問題和制約機(jī)車運(yùn)力的電分相問題[1-4]。針對(duì)上述問題，常用的解決手段包括：①通過相序輪換策略，將各牽引變電所牽引變壓器一次側(cè)輪換接入電力系統(tǒng)不同相，從整體上減小因牽引負(fù)荷導(dǎo)致電網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生的負(fù)序分量[5-6]；②通過各種混合補(bǔ)償裝置或有源補(bǔ)償器，例如，靜止無功發(fā)生器、鐵路功率調(diào)節(jié)器等，平衡牽引變壓器兩臂潮流，治理三相不平衡并提高牽引變壓器利用率[7-10]；③通過各種過分相及雙邊供電等技術(shù)，降低列車過分相時(shí)引發(fā)的速度損失和電壓沖擊[11-12]。

上述方式只能從某一方面緩解牽引供電系統(tǒng)存在的問題，無法從根本上徹底解決單相牽引供電系統(tǒng)存在的不足。參考德國單相低頻交流制的同相供電模式，文獻(xiàn)[4]提出了單相工頻模式的“理想”同相供電系統(tǒng)，在牽引變電所通過三相交流-直流-單相交流的電力電子變換實(shí)現(xiàn)同相供電，牽引網(wǎng)和公共電網(wǎng)之間只交換有功，三相負(fù)荷平衡，全線供電電壓統(tǒng)一，實(shí)現(xiàn)貫通供電，徹底解決負(fù)序問題并取消電分相。

為了在當(dāng)前器件耐壓水平和通流能力下，滿足牽引網(wǎng)高壓大功率的供電需求，對(duì)同相供電的研究分為兩種技術(shù)方法：一種方法采用被動(dòng)補(bǔ)償?shù)慕M合式同相供電，利用匹配變壓器將同相補(bǔ)償裝置接入三相電網(wǎng)，通過有功補(bǔ)償?shù)姆绞浇鉀Q負(fù)序問題，保證牽引變電所內(nèi)的供電電壓相位一致，但牽引變電所間的分相區(qū)仍然存在，限制了列車速度和運(yùn)載力[13]，無法實(shí)現(xiàn)全線貫通；另一種方法則采用交-直-交電力電子變換實(shí)現(xiàn)貫通式同相供電，通過鉗位式3電平或5電平結(jié)構(gòu)提高交-直-交變換器的耐壓等級(jí)和容量，但電容電壓均衡問題嚴(yán)重，變換器耐壓和容量提升有限[14]，仍需工頻變壓器進(jìn)行電壓匹配。為進(jìn)一步提高電壓和功率等級(jí)，省去工頻升壓變壓器，直接形成牽引網(wǎng)電壓，級(jí)聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)逐漸應(yīng)用于貫通式同相供電中。

級(jí)聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)將低壓小功率器件經(jīng)過模塊級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)高壓、大功率直接變換，彌補(bǔ)了器件耐壓和容量的不足[15]，對(duì)公共電網(wǎng)電能質(zhì)量主動(dòng)治理，實(shí)現(xiàn)貫通式同相供電，成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

本文以多電平同相供電裝置為主線，結(jié)合最新研究成果，按照?qǐng)D1所示分類，依次闡述不同類型拓?fù)涞奶攸c(diǎn)，并針對(duì)性地介紹相應(yīng)的控制技術(shù)；同時(shí)歸納總結(jié)各類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)和仍需深入研究的方向，并在可再生能源高比例接入電網(wǎng)的背景下，提出未來電氣化鐵路與新能源結(jié)合的可行架構(gòu)。

圖1 多電平同相供電裝置分類Fig.1 Classification of multi-level cophase power supply devices

1 基于工頻變壓器的單元級(jí)聯(lián)多電平拓?fù)渑c控制

含工頻變壓器的單元級(jí)聯(lián)多電平拓?fù)渫ㄟ^工頻變壓器將三相電網(wǎng)電壓轉(zhuǎn)化為若干與功率單元相匹配的獨(dú)立交流低電壓，通過功率單元整流、逆變完成三相交流到單相交流的變換，功率單元的單相輸出側(cè)通過串聯(lián)形成牽引網(wǎng)供電電壓，直接為牽引網(wǎng)供電。

文獻(xiàn)[16]基于三相多繞組變壓器，以二極管鉗位的交-直-交3電平變換器為功率單元，提出一種輸入并聯(lián)、輸出串并聯(lián)的多電平同相供電裝置，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中，多繞組變壓器一次側(cè)接入電網(wǎng)，二次側(cè)每個(gè)繞組接1個(gè)功率單元，完成三相整流和單相逆變過程。該裝置的輸出分為2個(gè)串聯(lián)模組，模組內(nèi)功率單元串聯(lián)直接輸出27.5 kV的牽引網(wǎng)電壓，將2個(gè)串聯(lián)模組并聯(lián)可提高同相供電裝置輸出功率以滿足牽引負(fù)荷的功率需要。

圖2 輸入并聯(lián)、輸出串并聯(lián)的同相供電裝置結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of cophase power supply device with input parallel and output series-parallel

在控制方式上，功率單元整流側(cè)采用變換器常規(guī)的電流解耦控制，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)運(yùn)行和直流電壓的穩(wěn)定，解決牽引網(wǎng)帶來的負(fù)序問題，保證逆變側(cè)獲得穩(wěn)定的輸入；逆變側(cè)采用雙閉環(huán)與下垂控制相結(jié)合的共享同步信號(hào)控制策略，如圖3所示。由圖3可以看出，考慮到牽引網(wǎng)負(fù)載波動(dòng)性較強(qiáng)，采用電壓電流雙閉環(huán)控制，使裝置提供穩(wěn)定輸出；考慮到2個(gè)并聯(lián)模塊運(yùn)行中輸出電壓幅值相位不可避免的存在差異，形成并聯(lián)環(huán)流，通過下垂控制調(diào)節(jié)并聯(lián)模組輸出有功無功，校正模組的輸出電壓，并統(tǒng)一下發(fā)同步信號(hào)，實(shí)現(xiàn)并聯(lián)模組的頻率同步，從而消除并聯(lián)環(huán)流，提高裝置供電容量。文獻(xiàn)[17]針對(duì)電氣化鐵路供電三相輸入、單相輸出的特點(diǎn)，將切分變壓器一次側(cè)繞組與110 kV三相公共電網(wǎng)連接，二次側(cè)繞組的每一相電壓切分為若干個(gè)獨(dú)立的低電壓。這些獨(dú)立電壓分別經(jīng)單相H-H結(jié)構(gòu)的功率單元，串聯(lián)疊加形成單相交流電壓，實(shí)現(xiàn)無輸出變壓器的27.5 kV供電電壓直接輸出，完成三相-單相的對(duì)稱變換，從而主動(dòng)解決牽引供電系統(tǒng)中的電能質(zhì)量問題，徹底取消電分相環(huán)節(jié)。采用切分變壓器的同相供電系統(tǒng)如圖4所示，由圖4可以看出，在功率單元整流側(cè)的控制中，電流內(nèi)環(huán)引入直流母線電壓全前饋、變壓器二次電壓全前饋，電壓外環(huán)引入直流母線電流全前饋，從而改善了同相供電系統(tǒng)功率單元的瞬態(tài)響應(yīng)與單相H橋網(wǎng)側(cè)輸入電流的波形質(zhì)量。逆變側(cè)則通過電壓有效值外環(huán)，電壓瞬時(shí)值內(nèi)環(huán)保證輸出電壓滿足牽引網(wǎng)電壓穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)的要求[18]。

圖3 雙閉環(huán)與下垂控制相結(jié)合的共享同步信號(hào)控制Fig.3 Shared synchronization signal control with combination of double closed-loops and droop control

圖4 采用切分變壓器的同相供電系統(tǒng)Fig.4 Cophase power supply system using split transformer

文獻(xiàn)[19]將3個(gè)相同的單相多繞組變壓器高壓側(cè)連接成Y型接入電網(wǎng)，單相變壓器的每個(gè)二次繞組連接1個(gè)H-H功率單元，進(jìn)行交-直-交變換，每相的功率單元輸出串聯(lián)疊加形成單相27.5 kV供電電壓，三相輸出并聯(lián)增加供電容量，以提高牽引變電所的供電距離，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。為解決實(shí)際應(yīng)用中因信號(hào)采集設(shè)備過多導(dǎo)致的裝置尺寸大、成本高的問題，變壓器每相只在二次側(cè)添加1個(gè)采集繞組進(jìn)行電壓采樣，實(shí)現(xiàn)多繞組變壓器二次繞組連接的所有PWM整流器電壓信號(hào)的統(tǒng)一采集，減少因采集設(shè)備運(yùn)行參數(shù)不一致給控制帶來的問題。

圖5 輸入采用多重化結(jié)構(gòu)的同相供電裝置Fig.5 Cophase power supply device with multi-input structure

在控制方式上，由于機(jī)車運(yùn)行中涉及啟動(dòng)、停車、加速、減速，負(fù)荷沖擊性很強(qiáng)，會(huì)導(dǎo)致整流側(cè)直流電流突變，因此，在直流電壓和電源電流雙閉環(huán)控制中引入直流電流前饋，提高直流電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，如圖6（a）所示。圖6（b）給出了單相逆變器控制框圖，由圖6（b）可以看出，逆變輸出包括電壓控制和并聯(lián)均流控制。電壓控制采用有效值瞬時(shí)值雙閉環(huán)控制，該裝置輸出電壓經(jīng)低通濾波LPF（low?pass filter）和有效值計(jì)算環(huán)節(jié) RMS（root mean square）形成電壓雙閉環(huán)的反饋信號(hào)，牽引網(wǎng)電壓通過鎖相環(huán)PLL（phase lock loop）得到電壓瞬時(shí)值的給定信號(hào)，有效值外環(huán)用于降低穩(wěn)態(tài)誤差，瞬時(shí)值內(nèi)環(huán)用于提升電壓波形質(zhì)量和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)；均流控制將三相輸出電流平均值作為給定，通過準(zhǔn)比例諧振Q-PR（quasi-proportion resonant）控制器實(shí)現(xiàn)環(huán)流的消除。

圖6 裝置整流側(cè)和逆變側(cè)控制框圖Fig.6 Control block diagram on rectifier and inverter sides of the device

文獻(xiàn)[20]提出一種基于移相變壓器的單元級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，如圖7所示。圖7中，2臺(tái)移相變壓器并聯(lián)接入電網(wǎng)，每臺(tái)變壓器含2個(gè)二次繞組，每個(gè)繞組連接4個(gè)相同的三相不控整流電路，整流輸出經(jīng)過電容與單相H橋逆變相連，共形成16個(gè)變換單元。其中，整流側(cè)由于移相變壓器的使用，將輸入側(cè)諧波降低到24脈波水平[21]，輸出側(cè)串聯(lián)形成27.5 kV牽引網(wǎng)電壓。裝置逆變側(cè)通過載波移相調(diào)制方式，實(shí)現(xiàn)較高的等效開關(guān)頻率，避免電容電壓不均衡，保障牽引網(wǎng)的供電質(zhì)量[22]。由于器件開關(guān)頻率較低，可以采用GTO等器件代替IGBT來減少開關(guān)損耗。為了適應(yīng)不控整流直流電壓不可調(diào)不穩(wěn)定的特點(diǎn)，逆變側(cè)采用電壓有效值和瞬時(shí)值雙閉環(huán)控制，有效改善裝置中直流電壓變化對(duì)輸出供電電壓的影響，實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引網(wǎng)穩(wěn)定的電壓支撐。該拓?fù)洳捎昧瞬豢卣?，電路結(jié)構(gòu)簡單、器件成本較低，經(jīng)濟(jì)性較為突出，整流側(cè)無需控制簡化了裝置的復(fù)雜度；其不足在于不控整流不具備四象限運(yùn)行能力，再生制動(dòng)工況下能量不能反饋到電網(wǎng)。但隨著機(jī)車行駛密度的增大和牽引網(wǎng)的貫通，回饋的能量大大減少，這種拓?fù)涑杀镜?、控制簡單的?yōu)勢(shì)將會(huì)更加明顯。

圖7 采用不控整流電路的同相供電裝置Fig.7 Cophase power supply device using uncontrolled rectifier circuit

采用工頻變壓器供電的多電平同相供電裝置在結(jié)構(gòu)和控制上均較為成熟，應(yīng)用較多，工頻變壓器的應(yīng)用使得整個(gè)系統(tǒng)可靠性更高，且功率單元一般不存在電容電壓均衡的問題，輸入側(cè)無需串聯(lián)，輸出側(cè)無需升壓變壓器直接形成牽引網(wǎng)供電電壓。裝置的不足在于多繞組變壓器、切分變壓器、移相變壓器結(jié)構(gòu)復(fù)雜和制造成本高，以及工頻變壓器固有的占地面積大、效率低等問題。

2 基于中（高）頻變壓器的單元級(jí)聯(lián)多電平拓?fù)渑c控制

為了解決工頻變壓器體積大、質(zhì)量重的缺點(diǎn)，可通過DC/DC變換將中（高）頻變壓器引入同相供電裝置，代替工頻變壓器并起隔離的作用，實(shí)現(xiàn)電壓和功率的靈活控制，提高電能質(zhì)量[23]。

這類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由輸入整流器、含中（高）頻變壓器的隔離DC/DC變換器和輸出逆變器組成，與采用工頻變壓器實(shí)現(xiàn)裝置隔離的結(jié)構(gòu)相比，中（高）頻變壓器的效率高、體積小，大幅減少了同相供電裝置需要的感性元件數(shù)量，這種通過電力電子變換和中、高頻變壓器替代工頻變壓器的結(jié)構(gòu)，通常也被稱為電力電子變壓器PET（power electronic trans?former）[24-26]。PET最初用于組合式同相供電的補(bǔ)償裝置，其直接與牽引變壓器2個(gè)供電臂相連，平衡2個(gè)供電臂之間有功，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)側(cè)三相平衡，并取消牽引變電所內(nèi)的電分相[27]。

隨著技術(shù)的發(fā)展和牽引網(wǎng)的需要，這類拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)逐步應(yīng)用于貫通式同相供電技術(shù)中[28-30]，由于省去工頻降壓變壓器，裝置整流側(cè)采用串聯(lián)的方式直接接入三相電網(wǎng)，逆變側(cè)同樣采用串聯(lián)方式直接輸出27.5 kV供電電壓，中間隔離DC/DC變換器起到電壓等級(jí)變換與隔離的功能。

為了不改變傳統(tǒng)牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)，同時(shí)兼顧貫通式同相供電，文獻(xiàn)[28]在傳統(tǒng)牽引變壓器的2個(gè)輸出端分別連接1臺(tái)單相-單相PET，2臺(tái)PET經(jīng)過電能變換后，并聯(lián)為牽引網(wǎng)供電。單相-單相PET由輸入側(cè)級(jí)聯(lián)H橋、高頻諧振DC/DC隔離變換器和輸出側(cè)級(jí)聯(lián)H橋構(gòu)成，如圖8所示。由圖8（a）可以看出，拓?fù)涞耐怀鎏攸c(diǎn)在于其僅需在傳統(tǒng)牽引變電所增加2臺(tái)單相PET，即可實(shí)現(xiàn)同相供電，變電所整體結(jié)構(gòu)不變，降低重復(fù)投資；同時(shí)，2臺(tái)供電PET中若1臺(tái)故障，另1臺(tái)可以正常運(yùn)行，牽引變電所降額輸出而不停電，即使2臺(tái)同時(shí)出現(xiàn)故障，變電所也可以恢復(fù)到傳統(tǒng)的分相供電，最大程度保障機(jī)車負(fù)荷的運(yùn)行，供電可靠性很高。

圖8 基于平衡變壓器和PET的同相供電裝置Fig.8 Cophase power supply device based on balance transformer and PET

在控制方式上，2臺(tái)單相PET輸入輸出均采用載波移相SPWM調(diào)制CPS-SPWM（carrier phase shift-SPWM），以較低的開關(guān)頻率實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的電壓電流波形。輸入整流側(cè)控制裝置的電流和電容電壓，使裝置實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行且不同模塊電容電壓仍可均衡。DC/DC變換中，高頻變壓器兩側(cè)漏感與諧振電容形成串聯(lián)諧振，諧振頻率與兩側(cè)半橋變換器開關(guān)頻率相同，以50%占空比開環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)開關(guān)器件的零電流關(guān)斷，大幅降低系統(tǒng)損耗。逆變輸出側(cè)，2臺(tái)裝置控制方式有所不同，第1臺(tái)采用開環(huán)控制，固定輸出為27.5 kV牽引網(wǎng)電壓；另1臺(tái)采用電流跟蹤控制，將第1臺(tái)的輸出電流作為第2臺(tái)裝置的電流給定，保證2臺(tái)PET輸出功率一致，實(shí)現(xiàn)正常運(yùn)行時(shí)牽引變壓器高壓側(cè)三相電流保持平衡，無負(fù)序分量，該控制策略框圖如圖9所示。

圖9 2臺(tái)PET輸出側(cè)控制策略框圖（j=1，2）Fig.9 Block diagram of control strategy on output side of two PETs（j=1，2）

文獻(xiàn)[29]詳細(xì)分析了采用三相-單相PET供電的牽引網(wǎng)潮流，牽引變電所采用中性點(diǎn)鉗位的3電平結(jié)構(gòu)作為基本變換單元，整流器采用3組單相3電平全橋串聯(lián)的方式分別連接到三相電網(wǎng)，中間隔離DC/DC變換器采用基于中頻變壓器MFT（medi?um frequency transformer）的二極管鉗位3電平半橋雙向DC/DC電路，逆變側(cè)與整流側(cè)結(jié)構(gòu)相同，級(jí)聯(lián)的整流模塊為后級(jí)DC/DC模塊提供獨(dú)立電源，DC/DC輸出端三相間并聯(lián)消除因單相整流模塊帶來的二次紋波[31]，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖10所示。

圖10 采用中頻變壓器隔離的3電平三相-單相變換裝置Fig.10 Three-level three-phase-single-phase conversion device using MFT isolation

在控制方式上，裝置的整流側(cè)通過dq解耦控制實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行，DC/DC變換采用雙邊3電平控制，控制框圖如圖11所示。由圖11可知，閉環(huán)控制將電壓給定值與實(shí)際值做差后，經(jīng)PI控制求得移相比Dφ并計(jì)算雙邊3電平移相占空比D1和D2，從而減小運(yùn)行中流過中頻變壓器電感電流，有效降低輕載下DC/DC模塊的損耗。

圖11 DC/DC變換器控制框圖Fig.11 Control block diagram of DC/DC converter

文獻(xiàn)[30]將3組級(jí)聯(lián)的H橋整流器以星型連接方式直接接入電網(wǎng)，每組整流器直流輸出連接一組雙有源橋DAB（dual active bridge）結(jié)構(gòu)的DC/DC變換器進(jìn)行降壓，每組DC/DC輸出經(jīng)過一組全橋逆變輸出單相交流，單相交流采用串聯(lián)方式實(shí)現(xiàn)直接掛網(wǎng)輸出，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖12所示。由圖12可以看出，該拓?fù)涞奶攸c(diǎn)在于每相級(jí)聯(lián)單元之間僅在輸出時(shí)進(jìn)行級(jí)聯(lián)，更好地保證了級(jí)聯(lián)單元工作的獨(dú)立性。相較于圖8和圖10的兩種拓?fù)?，DAB結(jié)構(gòu)提高了DC/DC變換器的容量，更好地滿足鐵路負(fù)荷大功率的需求，另外裝置中的變換器均以H橋?yàn)榛窘Y(jié)構(gòu)，更利于模塊化。

圖12 基于級(jí)聯(lián)H橋的三級(jí)式三相-單相變換裝置Fig.12 Three-stage three-phase-single-phase conversion device based on cascaded H-bridge

在控制方式上，此裝置整流部分采用有功-無功解耦電容電壓均衡控制，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)運(yùn)行，保持各模塊直流電壓的穩(wěn)定。DC/DC采用移相全橋控制，一方面實(shí)現(xiàn)電壓等級(jí)的改變，另一方面實(shí)現(xiàn)高低壓的隔離。為了提供牽引網(wǎng)穩(wěn)定的交流電壓，單相逆變輸出側(cè)采用雙電壓環(huán)的控制策略保障牽引網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。與圖8和圖10兩種拓?fù)涞目刂品绞较啾?，同相供電裝置容量更大，不需要考慮多臺(tái)裝置并聯(lián)運(yùn)行問題，簡化了單相供電側(cè)的控制策略，同時(shí)DAB變換結(jié)構(gòu)相較于半橋DC/DC具備零電壓開關(guān)特性，移相控制簡單，從而使整體裝置的控制策略大大簡化，更好的適應(yīng)牽引機(jī)車工況變化。

含中（高）頻變壓器的單元級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，通過PET取消了工頻變壓器，提高了裝置的效率，節(jié)約了占地，DC/DC隔離一般結(jié)合軟開關(guān)技術(shù)，降低開關(guān)損耗[32]，但由于增加了一次DC/DC變換，將會(huì)導(dǎo)致裝置控制方式較為復(fù)雜，同時(shí)使用電力電子器件直接連接到電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性仍需要進(jìn)一步的討論和驗(yàn)證。

3 MMC拓?fù)渑c控制

單元級(jí)聯(lián)型多電平拓?fù)涓鞴β蕟卧枰?dú)立的直流供電電源，一般通過多繞組隔離變壓器整流或級(jí)聯(lián)模塊直接并網(wǎng)整流得到，系統(tǒng)復(fù)雜程度和成本較高。因此，模塊化多電平變換器MMC（modular multilevel converter）具有公共直流母線，無需進(jìn)行直流側(cè)濾波，可靠性高，系統(tǒng)成本低，同時(shí)保留了傳統(tǒng)多電平變換器開關(guān)頻率低、損耗小等優(yōu)點(diǎn)，在電能質(zhì)量治理、大功率傳動(dòng)等方面有很好的應(yīng)用前景[33-34]。

MMC拓?fù)湓谕喙╇婎I(lǐng)域最初同樣用于組合式同相供電，作為有源補(bǔ)償器APC（active power compensator）或潮流控制器PFC（power flow control?ler）補(bǔ)償系統(tǒng)的負(fù)序分量，利用MMC多電平高電壓的優(yōu)勢(shì)省去裝置兩端的降壓變壓器直接與供電臂相連[35-36]，從而節(jié)約投資，減小占地。隨著MMC拓?fù)浜驼{(diào)制方式的不斷完善，以及貫通式供電的需要，MMC開始用于貫通式同相供電，并且衍生出多種相適應(yīng)的變換器結(jié)構(gòu)。

文獻(xiàn)[37]采用半橋型MMC實(shí)現(xiàn)三相交流-直流-單相交流變換，三相側(cè)通過降壓變壓器從電網(wǎng)側(cè)取電，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性，單相側(cè)子模塊級(jí)聯(lián)實(shí)現(xiàn)波形高度正弦化無需濾波裝置直掛于牽引網(wǎng)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖13所示。為了滿足牽引網(wǎng)對(duì)電壓質(zhì)量的要求，裝置采用一種改進(jìn)型最近電平調(diào)制NLM（nearest level modulation），通過在上、下橋臂參考電壓中同時(shí)加入1個(gè)偏移量，使上、下橋臂階梯波階躍時(shí)刻錯(cuò)開一定角度，從而在1個(gè)調(diào)制波周期內(nèi)，輸出電壓電平提高一倍，大大改善波形質(zhì)量。

圖13 基于MMC三相單相變換器的貫通供電系統(tǒng)Fig.13 Through-type power supply system based on MMC three-phase single-phase converter

為了解決應(yīng)用于同相供電的MMC結(jié)構(gòu)中電容電壓不均衡的問題，文獻(xiàn)[38]研究了適用于較多模塊的電容電壓均衡的并行排序算法，結(jié)合現(xiàn)場可編程邏輯門陣列FPGA（field programmable gate array）并行處理的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算時(shí)間縮短且不隨模塊的增多而增加的目標(biāo)，提升了電容電壓均衡速度，使裝置能更好地適應(yīng)牽引負(fù)載的隨機(jī)性、波動(dòng)性。

上述用于同相供電的MMC拓?fù)錇锳C/DC/AC結(jié)構(gòu)，通過整流和逆變側(cè)的能量交互實(shí)現(xiàn)三相電網(wǎng)與單相牽引網(wǎng)的解耦。但隨著對(duì)MMC研究的深入，適用于同相供電的直接AC/AC型MMC拓?fù)浔惶岢?，其具有高功率密度、高器件利用率、成本低等?yōu)勢(shì)[39-40]。

應(yīng)用于貫通式同相供電的直接AC/AC型MMC拓?fù)湫枰獙⑷喙ゎl交流電直接變換為單相工頻交流電，而常用的直接AC/AC變換的全橋6橋臂MMC拓?fù)鋺?yīng)用于同頻變換時(shí)，除了特定的幾個(gè)工作點(diǎn)外，其他工況均需要在輸入側(cè)注入無功功率，才能保證橋臂間的能量均衡[41]，這會(huì)降低電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)。為了解決這個(gè)問題，文獻(xiàn)[42]提出一種全橋7橋臂的MMC拓?fù)?，在全?橋臂拓?fù)涞幕A(chǔ)上，單相輸出側(cè)增加了1個(gè)旁路橋臂進(jìn)行輔助調(diào)節(jié)，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖14所示。由圖14可知，通過旁路橋臂對(duì)單相輸出端口進(jìn)行無功調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)2個(gè)交流端口的無功解耦，不再需要犧牲網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)或注入共模電壓來調(diào)節(jié)橋臂能量平衡，避免了因缺少無功環(huán)流導(dǎo)致的系統(tǒng)不穩(wěn)定[43]。

圖14 全橋7橋臂MMC同頻直接AC/AC變換器Fig.14 Full-bridge seven-arm MMC same-frequency direct AC/AC converter

對(duì)于7橋臂的MMC控制可分為網(wǎng)側(cè)控制、環(huán)流控制和旁路橋臂控制，其控制框圖如圖15所示。電網(wǎng)側(cè)采用同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的dq解耦控制，加入基于卡爾曼估值器的低通濾波以獲得更好的控制性能，實(shí)現(xiàn)橋臂中的能量保持在額定值和系統(tǒng)單位功率因數(shù)運(yùn)行。環(huán)流控制實(shí)現(xiàn)橋臂能量的平均分布，通過控制環(huán)流的d軸分量實(shí)現(xiàn)三相間能量均衡，通過控制環(huán)流的q軸分量消除上、下橋臂間的能量差異，在控制環(huán)路引入上、下橋臂間電容電壓的和、差增強(qiáng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。旁路橋臂控制涉及橋臂電容電壓平均值和支路電流d、q軸分量，通過閉環(huán)控制，使橋臂輸出裝置所需無功功率維持其并聯(lián)運(yùn)行所需能量。

圖15 7橋臂MMC控制框圖Fig.15 Control block diagram of seven-arm MMC

基于MMC的多端柔性直流MTDC（muti-termi?nal direct current）輸電系統(tǒng)具備長距離輸電和多落點(diǎn)受電的特點(diǎn)，適合作為長距離貫通式同相牽引供電架構(gòu)[44]。文獻(xiàn)[45-47]將其引入牽引供電系統(tǒng)，在公共電網(wǎng)和牽引網(wǎng)之間建立一條高壓直流線路用于全線公共的三相-單相解耦，公共電網(wǎng)經(jīng)過三相MMC整流接入直流線路，牽引網(wǎng)通過單相MMC接入直流線路，整流逆變側(cè)可采用半橋或全橋式MMC拓?fù)?，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖16所示。

圖16 基于MMC-MTDC的同相供電系統(tǒng)Fig.16 Cophase power supply system based on MMC-MTDC

在控制方法上，文獻(xiàn)[45]在三相整流側(cè)電壓電流雙環(huán)控制中均引入前饋環(huán)節(jié)提升響應(yīng)速度，在單相逆變側(cè)，為了解決每個(gè)供電區(qū)間的負(fù)載變化對(duì)鎖相環(huán)的強(qiáng)烈干擾，采用無鎖相環(huán)的直接功率控制結(jié)構(gòu)，從而在不需要對(duì)輸出電壓鎖相的前提下實(shí)現(xiàn)變換器同步。文獻(xiàn)[46]提出一種基于虛擬同步坐標(biāo)系統(tǒng)下的單相全橋MMC逆變器的控制方式，采用全通濾波器構(gòu)造虛擬正交量，通過交流電壓控制和輸出相位給定將輸出逆變器輸出電壓、電容電流和負(fù)載電流三者結(jié)合建立雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。所提系統(tǒng)中直流線路的電壓穩(wěn)定對(duì)牽引網(wǎng)側(cè)供電質(zhì)量十分關(guān)鍵，因此根據(jù)三相MMC穩(wěn)態(tài)瞬時(shí)功率之和與直流電壓成平方關(guān)系，在整流側(cè)采用一種基于直流電壓平方的下垂控制策略，可以更好的穩(wěn)定直流電壓[47]。

MMC用于AC/DC/AC的間接變換時(shí)，無需獨(dú)立直流電源，具備公共直流母線，在貫通式同相供電裝置中優(yōu)勢(shì)明顯，因此在后續(xù)的研究中應(yīng)加以利用，同時(shí)要注意不同子模塊中電容選擇的經(jīng)濟(jì)性[48]。直接AC/AC同頻變換的拓?fù)涔β拭芏?、器件利用率更高，但工作時(shí)存在橋臂能量平衡和網(wǎng)側(cè)無功補(bǔ)償?shù)膯栴}，需要結(jié)合牽引供電的特點(diǎn)進(jìn)行更加深入研究。基于MMC-MTDC的同相供電裝置結(jié)構(gòu)具有容量大、電壓等級(jí)高和端口多的優(yōu)勢(shì)，逆變側(cè)、整流側(cè)無需使用升、降壓變壓器，額外建設(shè)的直流母線雖然增加了投資，但也使同相供電系統(tǒng)引入了直流端口，其對(duì)于分布式能源的靈活接入和牽引網(wǎng)應(yīng)用的拓展有很大的幫助[49]。

綜上，將多電平同相供電裝置拓?fù)渑c控制方式分類總結(jié)在表1中，以便后續(xù)深入研究和工程建設(shè)需要。就目前多電平同相供電裝置的發(fā)展情況來看，各類裝置的拓?fù)浜涂刂品绞饺孕璨粩鄡?yōu)化和完善，從而更好地應(yīng)用于實(shí)際牽引變電所改造中。

表1 多電平同相供電裝置拓?fù)鋵?duì)比和控制方式總結(jié)Tab.1 Comparison among topologies of multi-level cophase power supply devices and summary of their control methods

（1）基于工頻變壓器的單元級(jí)聯(lián)拓?fù)渲校嗬@組變壓器、移相變壓器及切分變壓器的二次側(cè)繞組數(shù)量多、接線方式復(fù)雜，變壓器效率低，需要提高工頻變壓器的制作工藝、優(yōu)化接線方式并降低損耗，從而增強(qiáng)這類拓?fù)涞母偁幜Α?/p>

（2）基于中（高）頻變壓器的單元級(jí)聯(lián)拓?fù)浣?jīng)過3次電能變換實(shí)現(xiàn)三相/單相過程，控制策略較為復(fù)雜，可提高各變換級(jí)的聯(lián)系，增強(qiáng)控制算法的整體性。另外，由于缺少工頻變壓器，功率單元通過串聯(lián)方式直接接入電網(wǎng)，這種方法的經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)行的可靠性還需要深入評(píng)估。

（3）MMC進(jìn)行交-直-交變換不需要多個(gè)獨(dú)立的供電電源，避免了多繞組變壓器的使用，但需要更多的電容和信號(hào)采集設(shè)備，如何優(yōu)化不同子模塊電容大小，降低控制的復(fù)雜程度，增強(qiáng)系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)側(cè)電壓不平衡工況的適應(yīng)性等，均需要繼續(xù)深入的研究；對(duì)于直接AC/AC三相-單相同頻變換的結(jié)構(gòu)，如何減小橋臂電流應(yīng)力，降低電容電壓的基頻波動(dòng)需要進(jìn)一步研究。結(jié)合MTDC技術(shù)的供電方式為牽引供電架構(gòu)提供了很好發(fā)展思路，通過建設(shè)直流母線為新能源和儲(chǔ)能裝置的接入帶來了便利，由此會(huì)帶來的額外建設(shè)成本，需要進(jìn)一步評(píng)估。

（4）使用電力電子變換裝置為牽引網(wǎng)供電的過程中，單相逆變側(cè)不可避免的會(huì)在直流母線上疊加2次諧波，在閉環(huán)控制下，調(diào)制信號(hào)中會(huì)引入高次諧波分量，導(dǎo)致牽引供電系統(tǒng)向三相電網(wǎng)注入高次諧波電流，這是采用電力電子變換方式實(shí)現(xiàn)單相供電裝置所共同面對(duì)的難題。

4 新能源混合多端同相供電系統(tǒng)

為加快建設(shè)交通強(qiáng)國，構(gòu)建現(xiàn)代化高質(zhì)量國家綜合立體交通網(wǎng)，中共中央、國務(wù)院印發(fā)了《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》，按照交通運(yùn)輸部的解讀，其中一條重要的工作原則是“創(chuàng)新智慧、安全綠色”[50]。因此，融合新能源發(fā)電推進(jìn)交通綠色化、電氣化進(jìn)程，擴(kuò)功能，降排放，結(jié)合先進(jìn)信息技術(shù)，是未來鐵路網(wǎng)發(fā)展的方向[51]。

電氣化鐵路能耗大、線路長，非常適合沿線新能源的就近消納[52]，但新能源的接入會(huì)很大程度上改變?cè)袪恳W(wǎng)架構(gòu)，同時(shí)風(fēng)電、光伏的波動(dòng)性、間歇性，與牽引負(fù)荷的沖擊性、隨機(jī)性疊加形成雙重不確定性，給牽引網(wǎng)的供電質(zhì)量和新能源消納程度帶來極大挑戰(zhàn)[53]。為此，構(gòu)想一種有效融合新能源的牽引網(wǎng)架構(gòu)，即如圖17所示的新能源混合多端同相供電系統(tǒng)，從而促進(jìn)未來新能源發(fā)電和牽引網(wǎng)的高質(zhì)量融合，有力推動(dòng)電氣化鐵路的綠色可持續(xù)發(fā)展。

圖17 新能源混合多端同相供電系統(tǒng)Fig.17 New energy hybrid multi-terminal cophase power supply system

由圖17可知：①為了鐵路沿線新能源靈活方便接入，牽引網(wǎng)采用MTDC結(jié)構(gòu)，全線引入直流輸電線路，依靠多電平同相供電裝置高效靈活的能量變換優(yōu)勢(shì)，促進(jìn)鐵路新能源的利用率；②為了更好地保障牽引網(wǎng)供電質(zhì)量和新能源消納程度，結(jié)合人工智能優(yōu)化算法，進(jìn)行負(fù)荷預(yù)測(cè)和發(fā)電預(yù)測(cè)，利用儲(chǔ)能將電能從時(shí)間維度轉(zhuǎn)換到空間維度，同時(shí)合理分解可再生能源合同電量[54]，促進(jìn)我國電力市場化的發(fā)展，提高資源合理分配和利用；③為了更準(zhǔn)確及時(shí)利用負(fù)荷預(yù)測(cè)信息和電價(jià)信息調(diào)節(jié)變換器的輸入輸出，以5G為依托，構(gòu)建強(qiáng)有力的高速通信網(wǎng)，同時(shí)結(jié)合云計(jì)算終端實(shí)現(xiàn)大規(guī)模信息的快速計(jì)算，提高整個(gè)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性。

新能源混合多端同相供電系統(tǒng)的建設(shè)可分階段進(jìn)行。①現(xiàn)階段，建設(shè)重點(diǎn)集中在多電平同相供電裝置的引入和牽引網(wǎng)結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型；改造既有牽引變電所供電結(jié)構(gòu)，形成以全電力電子變換為基礎(chǔ)的供電方式，推進(jìn)牽引網(wǎng)的全線貫通；調(diào)研鐵路沿線的新能源富集狀況，初步確定沿線新能源接入點(diǎn)和容量；強(qiáng)化鐵路調(diào)度和供電系統(tǒng)的信息傳遞，結(jié)合新能源的發(fā)電預(yù)測(cè)和機(jī)車的負(fù)荷預(yù)測(cè)，增強(qiáng)牽引供電系統(tǒng)中新能源發(fā)電的消納能力。②下一階段，建立便于新能源接入的直流母線，接入沿線分布式新能源電站，配合儲(chǔ)能裝置，形成融合新能源的MTDC牽引供電架構(gòu)；隨著5G技術(shù)更加成熟，利用其高速通信的優(yōu)勢(shì)，采用較成熟的人工智能算法，結(jié)合電價(jià)信息、負(fù)荷預(yù)測(cè)和發(fā)電預(yù)測(cè)，以新能源消納率、公共電網(wǎng)和牽引網(wǎng)電能質(zhì)量、供電成本為優(yōu)化目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)新能源混合多端同相供電系統(tǒng)最優(yōu)運(yùn)行。

5 結(jié)語

本文將目前級(jí)聯(lián)多電平同相供電裝置細(xì)分為3類，分別闡述了各類裝置的主要拓?fù)浜拖鄳?yīng)的控制方式，對(duì)比了3類裝置的特點(diǎn)并有針對(duì)性地指出后續(xù)研究的重點(diǎn)。結(jié)合多電平高壓大功率變換、人工智能算法、5G高速通訊等技術(shù)，構(gòu)想了未來新能源與同相供電結(jié)合的新架構(gòu)，即新能源混合多端同相供電系統(tǒng)，并從發(fā)展途徑的角度給出了近期和遠(yuǎn)期的建設(shè)重點(diǎn)和目標(biāo)。

新能源混合多端同相供電系統(tǒng)，作為一種集貫通同相供電、新能源消納、電力系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行為一體的新型架構(gòu)，其有利于牽引供電系統(tǒng)、微電網(wǎng)系統(tǒng)和電力系統(tǒng)的互聯(lián)互通，值得結(jié)合新一代先進(jìn)技術(shù)深入探討。