同相供电装置的并联控制策略优化

图8-24 两台同相供电装置并联电路图

为解决电分相问题，基于电力电子变换的同相供电装置必然面临逆变器的并联分流问题。通过多台同相供电系统分布式并联，实现根据线路阻抗自动分流，并有效抑制线路环流，降低传输消耗，进而实现就近供电。

为了更好地理解同相供电装置的并联控制策略，首先要清楚电力牵引机车与供电系统的关系。图8-24所示为两台同相供电装置并联电路，其中CS₁代表同相供电装置，图中同时考虑了机车负载和线路阻抗。

现假设在起始状态下，接触网没有电压，并由一台同相供电装置CS₁为线路供电，CS₁并网点电压u_O1的频率、相位及幅值的设定值均由远程控制中心提供。由于线路阻抗的影响，在距离u_O1很远的接触网末端，接触网电压u_O2的相位和幅值较之CS₁并网点电压u_O1都会发生变化。显然，图中虚线框内部分为二端口网络，为简化分析，可将这部分电路简化为T型负载电路。

事实上，电气化铁路上有多台电力机车运行，应有多台同相供电装置并联运行，图8-25所示为两台同相供电装置并联等效电路。

图8-25 两台同相供电装置并联等效电路图

与单台同相供电装置并网等效电路相比，在图8-25中，同相供电装置CS₂并网点电压为u_O2，根据上述假设，并网点电压u_O1和u_O2的频率、相位及幅值的设定值均由远程控制中心提供。这样可以继续向两端延长接触网，为更远处的机车负载供电，承担更多的线路压降。每台同相供电装置的输出电感作用为增加环流阻抗，提高并网点输出电压正弦度。

图8-26 两台同相供电装置并联等效模型

当两台同相供电装置例如CS₁和CS₂的并网点电压u_O1、u_O2相等，可将u_O1、u_O2视为短接，此时可将图8-25所示的等效电路简化为图8-26所示的等效模型。

如图8-26所示，并网电压u_O1、u_O2之间的两段线路阻抗（即线路阻抗1）相当于并联后串联在机车负载前的阻抗，此时线路中无环流。与此同时，两台同相供电装置CS₁、CS₂对中间段机车阻抗的输出电流i_s1、i_s2，由两段线路阻抗按并联法则自动分流，因此机车距离供电装置越近，该装置供电越多，实现就近供电。

由于接触网中作为负载的机车快速移动，工况切换频繁，且单相系统功率分解和谐波补偿较复杂，因此常用的电流源并联分流控制策略难以在该场合应用。

由上述分析可见，电力机车的供电系统为分布式供电，而针对同相供电的分布式并联控制目标，所采用的控制策略，应使各并联同相供电系统并网点电压呈理想电压源外特性，且相位、频率、幅值实时一致，从而实现支撑接触网电压、延长供电线路、抑制环流以及就近供电的目标；同时并联的各同相供电系统使用同一控制策略，无主从区别，任意一台系统故障时可冗余处理，该段接触网由其两侧的同相供电系统供电。(www.xing528.com)

图8-27所示为并联同相供电装置的输出电压瞬时值进行闭环控制框图。

图8-27 电压瞬时值闭环控制框图

在图8-27中，u_O-ref为输出电压瞬时值给定，G_uo（s）为电压瞬时值闭环调节器，两台同相供电装置具有相同的电压给定和调节器，为表示两台级联逆变器在调制环节中存在实际物理差异，加入误差传递函数G_er1（s）与G_er2（s）。虚线框内的部分为并联系统物理模型。

选择在中心频率处具有高增益的准PR调节器，作为电压瞬时值闭环调节器G_uo（s），可对并联环流起到有效的抑制作用。但是在物理实现中，准PR调节器很难对中心频率的增益达到无穷大，从而造成输出电压瞬时值存在微小的幅值误差。同时，两台同相供电装置相距几十公里，通信系统难以实现电压瞬时值给定的同步下发。因此，有必要加入输出电压有效值外环，以完全消除输出电压幅值误差，并且上位系统仅需下发输出电压幅值给定即可。

同相供电系统逆变侧双闭环物理模型如图8-28所示。

图8-28 同相供电系统逆变侧双闭环控制框图

在图8-28中，U_O-ref为有效值外环给定，两台同相供电装置的给定相同，均为27500V。U_O1与U_O2为由RMS模块求得的实际输出电压有效值。有效值外环采用PI调节器，由于其含有直流信号内模，可对有效值达到无静差跟踪效果。同时加入有效值前馈，前馈系数为正弦信号幅值与有效值之比2，从而减轻PI调节器的负担，使其仅用于幅值微调。PPS为GPS发出的秒脉冲信号，由PLL-G锁相模块对其进行分频，并输出50Hz正弦标幺信号。

综上所述，该控制策略具有以下特点：

①通过高增益电压瞬时值调节器、电压有效值外环、i_o前馈以及减小调制失真等措施，有效抑制系统环流，并使同相供电系统并网点电压接近理想电压源外特性；

②可实现无互连线控制。所有同相供电装置采用同一个幅值给定，且相位给定由全球同步GPS接收，因此并联系统中无需引入控制量的交互。

③采用载波移相的级联多电平调制策略，输出电压正弦度高；

④并联系统无主从之分，故障系统可随时退网且线路不掉电。