基于超级电容的交直交牵引供电系统及控制策略

陈铁， 张会颖*， 李咸善， 陈卫东

(1.三峡大学电气与新能源学院， 宜昌 443002； 2. 梯级水电站运行与控制湖北省重点实验室， 宜昌 443002)

传统电气化铁路采用异相供电方式，存在无功、谐波、负序等电能质量问题和电分相问题，不仅影响电网的正常运行[1-3]，还会造成列车间断取流，引起速度和牵引力的损失，降低能量利用率。平衡牵引变压器[4-5]、无源和有源补偿、铁路功率调节器(railway static power conditioner， RPC)[6-8]以及基于有源补偿器(active power compensator， APC)的同相供电装置[9-10]虽然能在一定程度上缓解电能质量问题，但无法彻底取消分相区，实现牵引网全线贯通。

贯通式同相供电系统通过电力电子变换装置直接将三相电能转换为同相位、同幅值的单相电，确保由不同牵引变电所供电的牵引网各分段母线电压同相位，从而彻底取消分相区。文献[11-12]提出了一种基于单相-单相AC/DC/AC电力电子变压器(power electronic transformer， PET)的同相供电系统，牵引变压器的二次侧分别通过一套PET并联在牵引网上，两台PET输入、输出功率需要保持一致，否则会在牵引网侧引起环流，严重时可能损害功率器件。文献[13]中提出了一种基于三相-单相AC /DC /AC型变换器的同相供电系统。该系统输入侧变流器级联直挂三相电网，输出侧采用级联结构直挂牵引网，由于电网的高电压等级，需要大量的高耐压、大电流的功率器件，成本过高，可行性不强。文献[14-17]中提出基于模块化多电平变流器(modular multilevel converter， MMC)的同相供电系统，但MMC结构在运行过程中存在环流，控制复杂，在电气化铁路实际应用中存在困难，且无法在原变电所基础上进行同相供电改造。此外三相-单相结构可靠性低，在该结构故障时，会造成整个牵引变电所停运，容错性能差。

牵引负荷具有随机性、冲击性的特点。在发车较密集的时候，从电网中吸收功率多；发车较稀疏的时候，吸收的功率较少，剧烈的功率波动会对电网侧形成功率冲击[18-20]。不仅会增大变压器和电力电子装置的设计容量，也会对功率器件的安全运行造成影响。但目前贯通式同相供电系统在此方面的研究鲜有报道。

超级电容充放电快，循环寿命长，可以快速匹配负荷功率的波动[21-22]，更适合电气化铁路的负荷特点。在直流母线处引出储能单元接口，并联超级电容，利用其快速储能、释能的特性，在负荷高峰时放电、负荷低谷时充电，使电网输出功率相对平缓，并降低变压器和背靠背变换器的容量需求以及变电所的运行费用，对于维持供电系统的稳定有重要作用[23]。

基于上述因素，现提出基于超级电容的交直交牵引供电系统及控制策略。系统主要包括交直交供电单元和储能单元，交直交单元由接于斯科特变压器副边绕组的两套整流器和为牵引网供电的一套逆变器组成。两套整流器直流环节并联，形成公共直流母线。超级电容作为储能装置，通过Buck/Boost变换器连接至公共直流母线。相比于上述贯通式同相供电系统，希望本系统结构更加灵活，控制策略更容易实现。通过仿真实验说明，本方案的有效性。

1 储能式交直交牵引供电系统结构及原理

1.1 系统构成

在电气化铁路中，电力机车和动车组作为单相负载，产生的负序电流会对电力系统的运行造成影响。为尽可能地减少进入电力系统的负序电流，电气化铁路普遍实行换相连接，并设置电分相环节。本文中提出的储能式交直交牵引供电系统在治理电气化铁路电能质量的同时取消分相区，并在直流母线上并联储能系统，实现削峰填谷，系统示意如图1所示。

牵引变压器选取Scott变压器。交直交系统中，在Scott变压器的两个副边绕组分别通过降压变压器连接一套脉宽调制(pulse width mod-ulation， PWM)整流器。PWM整流器可通过控制网侧电流锁定网侧电压，实现高功率因数运行。降压变压器采用多重化结构，可采用载波移相调制策略降低网侧谐波含量。该交直交系统除可解决电气化铁路的无功和谐波问题外，还可解决负序电流问题。由于交直交系统逆变侧采用PWM变换器，则输出电压可控，因此可彻底取消分相区，实现牵引网全线贯通。

该系统相比基于三相-单相交直交变流器的同相供电系统，牵引变压器副边绕组分别接入两台单相整流装置，其整流部分的结构更简单，功率器件的容量降低、数量减少，有利于减少装置的成本，且两台整流装置并列供电，一个装置故障不会影响另一个装置的工作，运行可靠性更好。将两台PWM整流器的直流端并联，通过一个逆变端口与牵引网相连，相比同时并联两套单相-单相PET的同相供电系统，该系统在牵引网侧不会形成环流，只需控制一台逆变器的输出即可实现对牵引网电压的稳定控制，控制更易实现。此外，形成了公共直流端口，便于储能系统接入，灵活性也有所增强。

AC/DC为整流器；DC/AC为逆变器；SC为超级电容装置图1 基于超级电容的储能式交直交牵引供电系统示意图Fig.1 The schematic diagram of super capacitor energy storage-based AC-DC-AC traction power supply system

1.2 交直交系统解决负序电流的原理

IA、IB、IC分别为变压器原边三相电流；IM、IT分别为变压器 副边电流；UM、UN分别为变压器副边电压图2 Scott变压器接线示意图Fig.2 The wiring diagram of Scott transformer

Scott原边电压和次边电压电流向量图分别如图3(a)、图3(b)所示。若Scott变压器原边三相电流分别为IA、IB、IC，则根据磁势平衡原理，可得

(1)

假设两供电臂负载功率因数角相等，负荷电流幅值相等时，即IT=I，IM=I∠90°，代入式(1)可得

(2)

UAB、UBC 、UCA分别为变压器原边线电压图3 Scott变压器原边电压和次边电压电流向量图[19]Fig.3 The vectors of primary voltage and secondary voltage and current of Scott transformer[19]

式中：KM为M座变压器变比，KM=W1/W2。从式(2)中可以看出，当两供电臂负载电流大小相等，相位相差90°时，原边三相电流对称，消除了负序电流。对于拓扑结构来说，从图1中可以看出，两套整流器直流环节并联，只要采用相同结构、控制策略及参数，即可获得幅值相同的网侧电流。同时，控制两套整流器网侧电流锁定网侧电压，使网侧电流相位相差90°，即可消除负序电流。

1.3 利用超级电容削峰填谷

电气化铁路负荷随机性强，从文献[19]中图3可以看到，1 h牵引负荷功率在-15～60 MW，呈现出剧烈波动的特性。轻载时，牵引负荷从电网吸收功率较小；重载时，牵引负荷从电网吸收功率较大。因此运行中，会造成电网输出功率频繁波动，在电网供电相对薄弱的地区会影响电网的稳定运行。超级电容功率密度高，充放电性能好、时间短，能够响应短时大功率机车的随机波动。在直流环节并联超级电容装置，在轻载时，工作于充电状态，在重载工况下，工作于放电状态，可实现能量的循环利用以及削峰填谷，实现电网功率的平稳输出。同时，降低供电系统对设备容量要求，进而减少最大需量电费或牵引变压器容量电费，取得良好的经济效益。

2 储能式交直交牵引供电系统控制策略

2.1 整体控制方案

系统控制方案包括交直交系统的控制和储能系统的控制。交直交系统包括连接于Scott变压器副边绕组的两个PWM整流器和输出侧逆变器。PWM整流器选用直流电压外环、网侧电流内环的双环控制策略，在稳定直流环节电压的同时解决电气化铁路无功、谐波和负序等电能质量问题。输出侧逆变器控制输出电压的幅值和相位，为牵引负荷供电，同时取消分相区，实现牵引网全线贯通。在储能系统中，设定充电和放电阈值，通过控制DC/DC变换器，实现充放电，缓解电网输出功率的波动，实现削峰填谷。控制系统的整体框架如图4所示。

图4 储能式交直交牵引供电系统整体控制框架图Fig.4 The integral control framework of energy storage-based AC/DC/AC traction power supply system

2.2 交直交系统控制策略

2.2.1 输入侧PWM整流器控制策略

输入侧PWM整流器在保证稳定能量传输的同时治理电能质量，控制目标为：①稳定的直流电压；②平衡的网侧三相电流；③高功率因数运行；④低谐波含量。根据控制目标，其控制策略主要包括两部分：直流电压控制和网侧电流控制。因而，可采用直流电压外环，网侧电流内环的双环控制策略；采用载波移相正弦脉宽调制(carrier-phase-shift sinusoidal pulse width modulation， CPS-SPWM)，降低网侧谐波含量，控制框图如图5所示。

1)直流电压控制

整流器控制直流环节电压跟踪参考值，以实现能量的可靠传输。通过采集系统获取直流电压瞬时值，其与直流电压参考值的差值送入比例积分(proportional integral，PI) 控制器来控制直流电压。

直流电压控制环节采用PI控制器，传递函数为

(3)

式(3)中：KP、KI分别为比例积分控制器的比例系数、积分系数；s为阻尼比。

由式(3)可得其幅值增益为

(4)

式(4)中：ω为系统频率。当ω=0时，API=∞，PI控制器可以实现直流量的无静差跟踪。

单相PWM整流器在能量传输过程中，直流环节存在二倍频脉动。使用低通滤波器来减小直流电压中的二倍频分量，其截止频率应低于100 Hz。然而，过低的截止频率则会降低系统的动态性能。通常情况下，截止频率应不低于50 Hz。采用巴特沃斯二阶低通滤波器，传递函数为

(5)

式(5)中：ζ=0.707；ω0为截止频率。

2)网侧电流控制

在网侧电流控制环节中，PI控制器的输出作为网侧电流控制内环的幅值参考。从1.2节分析可知，当Scott变压器两供电臂负载电流大小相等，相位相差90°时，原边三相电流对称。因此，采用锁相环(phase-lock-loop， PLL)来锁定Scott变压器副边绕

udcref、udc分别为直流电压的参考值、瞬时值；uN、iN分别为网侧电压、电流；iNref、INref分别为网侧电流的瞬时值、幅值；LPF为低通滤波模块；PLL为锁相环；PI为比例积分控制器；Q-PR为准比例谐振控制器；CPS-SPWM为 载波相移正弦脉宽调制图5 交直交系统PWM整流器控制策略Fig.5 The control strategy of PWM rectifier in AC-DC-AC system

组电压的相位，实现副边电流相位相差90°，消除负序电流，达到网侧三相电流平衡。

网侧电流控制环节采用准比例谐振控制器(quasi-proportional resonance， Q-PR)，因为其可以实现交流量的无静差控制。表达式为

(6)

式(6)中：KP为比例系数；ω0和Kr分别为目标谐振频率和谐振增益；ωc为截止频率。Q-PR控制器是由PR控制器演化过来的，PR控制器的表达式为

由式(6)可得其幅值增益为

(7)

当ω=ω0时，APR=∞。理论上，PR控制器可以实现交流量的无静差跟踪。然而，PR控制器在目标频率处带宽太窄，对频率波动太敏感，鲁棒性差。因此，加入了参数ωc，增加了目标频率处的带宽，当频率出现微小波动时，仍可保持较大增益，且降低了实现难度。假设电网频率最大波动为0.8 Hz，则ωc=2×0.8×π=5，ω0=100π。

网侧电流控制环节的输出与网侧电压的差值作为调制波，基于输入侧采用多重化结构，采用CPS-SPWM调制策略输出开关器件的脉冲。

2.2.2 输出侧逆变器控制策略

逆变侧的任务是取消分相区，同时为牵引负荷提供稳定的电压，外特性需表现为电压源。因此，需要控制输出电压。针对非线性负载，采用电压有效值外环，瞬时值内环的双环控制策略，控制输出电压的幅值和相位，实现控制目标。控制框图如图6所示。

在输出电压有效值环中，将输出电压滤波后求取有效值，和有效值参考值进行比较，差值送入PI控制器。PI控制器输出作为输出电压瞬时值环的幅值给定，乘以锁相环后作为输出电压瞬时值环参考值，与滤波后的输出电压进行比较，差值进入准比例谐振控制器，得到调制波。同样，由于输出侧采用级联结构，采用CPS-SPWM调制策略获得开关器件的触发脉冲。逆变侧控制中，由控制系统给定有效值参考值和相位信息。

分别为逆变器输出电压有效值参考值、实际值；uout为 逆变器输出电压图6 交直交系统逆变器控制策略Fig.6 The control strategy of inverter in AC-DC-AC system

2.3 储能系统控制策略

储能系统中，超级电容作为储能装置，通过Buck/Boost变换器连接至直流母线进行充放电。拓扑结构如图7所示。

假定储能放电为正方向，充电为负方向。储能系统控制策略如图8所示。在图8中，用储能功率参考值Pref除以超级电容电压端Usc得出储能充放电电流的参考值Iscref，与储能充放电实际电流Isc作差送入PI控制器，进行调制得出开关器件的脉冲。

超级电容的充放电控制是以负荷功率为依据进行的。根据系统容量和牵引负荷设置充电阈值Pmin和放电阈值Pmax，以及储能装置充电最大值Pcmax和放电最大值Pdmax。并且考虑超级电容的荷电状态(state of charge， SOC)，当SOC处于正常范围内可以充放电，否则储能待机。当牵引负荷小于Pmin时，储能系统进行充电，储存电能，充电参考值为负载功率与充电阈值的差值和充电最大值两者的最大值；当牵引负荷大于Pmax时，储能系统进行放电，补偿负荷功率，放电参考值为负载功率与放电阈值的差值和放电最大值两者的最小值，使电网输出功率稳定在一个平稳的区间，实现削峰填谷。储能系统控制流程图如图9所示。

Csc为超级电容器等效电容；R为等效内阻；Usc为超级电容端电压； Udc为直流母线电压；T1、T2为双向变换器；L为调相电感图7 储能系统拓扑图Fig.7 The topology diagram of energy storage system

图8 储能系统控制策略Fig.8 The control strategy of energy storage system

图9 储能系统控制流程图Fig.9 The control flow chart of energy storage system

3 仿真验证

为验证本方案的可行性与有效性，在MATLAB/Simulink中搭建了仿真模型。采用Scott牵引变压器，原边电压110 kV，副边电压27.5 kV，整流器网侧电压950 V，直流环节电压1 900 V，逆变器输出电压27.5 kV，超级电容初始SOC设置为80%。设置充电阈值为8 MW，放电阈值9 MW，放电和充电功率最大值为10 MW。0.2 s投入牵引负荷，1 s牵引负荷由8 MW增加为12 MW，2 s由12 MW减小为8 MW，3 s由8 MW减小为4 MW，4 s由4 MW增加为8 MW，仿真时间为5 s。

图10所示为牵引负荷处于轻载、重载工况下，储能系统通过充、放电控制，实现牵引负荷削峰填谷，从而达到稳定网侧输出功率的效果。如图10(a)所示，1 s时，牵引负荷功率增大，大于放电阈值，储能系统进行放电。3 s时，牵引负荷功率减小，小于充电阈值，储能系统进行充电。如图10(b)所示，超级电容的充放电能够适应并跟随负荷功率的变化，充放电功率满足控制要求。如图10(c)所示，在不加入储能系统时，电网输出功率在4～12 MW波动，加入储能系统后，通过储能系统的充放电，电网输出功率稳定在8～9 MW。负载功率突变时，利用储能装置可以缓冲负荷功率快速波动对电网的能量冲击。加入储能后，没有明显的负荷波峰、波谷，电网出力相对均衡。

图10 储能系统仿真波形Fig.10 The simulation waveforms of energy storage system

图11(a)为系统网侧三相电流波形图，图11(b)为网侧A相的电网电压、电流波形图，图11(c)、图11(d)为输出侧电压波形图，为了便于显示，将图11(b)中网侧电压幅值缩小为原值的0.5倍，网侧电流幅值扩大为原值的100倍。可以看出，网侧三相电流对称，即消除负序分量；电流能够锁定电压相位，实现高功率因数运行；且三相电流波形正弦度较好，谐波含量小，可以综合解决无功、谐波和负序问题。输出端电压呈现阶梯波，有效值稳定在27.5 kV，正弦度好，可为负载提供良好的电能。直流电压在稳态时能够稳定在1 900 V，保证了能量的可靠传输。

对比文献[11-17]中的仿真和实验结果可以看出，该系统达到了同等的电能质量治理效果，消除了负序、谐波、无功对电网的影响，能够提供给机车可靠的电能，且具有取消分相区的能力。此外，该系统在直流母线上并联了超级电容装置，通过储能系统的充放电，在牵引负荷功率频繁波动时，电网侧输出功率在稳态时始终可稳定在阈值范围内，很好地缓解了牵引负荷的功率波动对电网的冲击。

图11 系统输入输出仿真波形Fig.11 The simulation waveforms of the input and output

4 结论

提出一种基于超级电容储能的多端口交直交牵引供电系统及控制策略，该系统相比于已有的贯通式同相供电系统，结构更加灵活，控制相对简单。在MATLAB/Simulink中进行了仿真验证，得到以下结论。

(1)所提出的多端口交直交变流器的拓扑，用两台单相整流器分别与牵引变压器二次侧相连，相比三相-单相交直交变流器，其结构更简单、运行可靠性更高、功率元件的容量更小。在直流母线处并联，通过一个逆变端口与牵引网相连，在牵引网侧不会产生环流。形成公共直流端口，便于储能系统接入，灵活性也有所增强。

(2) 该系统可以确保电网侧三相电流对称且波形正弦度良好，消除负序影响，降低谐波含量；电网侧电流锁定电压相位，实现高功率因数运行；控制输出电压同幅值、同相位。综上，该系统在有效治理电能质量问题的同时，具有取消分相区的能力，实现全线贯通。

(3) 此外，引出了公共直流母线，在母线上并联超级电容，可以平抑电网的输出功率波动，降低了牵引负荷的功率波动对功率器件的冲击，使电网的出力更加均衡，有利于电网削峰填谷。