高速铁路新型同相贯通供电方案及其仿真研究
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第 ３８卷 第 １期 ２ ０ １ ６年 １月
பைடு நூலகம்
铁 道 学 报 Ｊ０ＵＲＮＡＬ ０Ｆ ＴＨＥ ＣＨ ＩＮＡ ＲＡＩＬＷ ＡＹ Ｓ０ＣＩＥＴＹ
Ｖ ｏｌ＿３８ Ｎｏ．１ Ｊａｎｕａｒｙ ２０１６
文 章 编 号 ：１００１—８３６０（２０１６）０１—００２８—０７
高速铁路新 型 同相贯通供 电方案及其 仿真研 究
陈 民武 ， 蒋 汶 兵 ， 王 旭 光 ， 孙 小 凯
（西 南 交 通 大 学 电气 工 程 学 院 ，四川 成 都 ６１００３１）
摘 要 ：为解 决 高速 铁路 牵 引 供 电 系 统 存 在 的 以负 序 为 主 的 电 能 质 量 问 题 和 过 分 相 问 题 ，提 出 了 一 种 基 于 模 块 化 和 背 靠 背 结 构 功 率 变 换 器 的 同相 贯 通 供 电 方 案 ，在 电 网侧 采 用 级联 Ｈ 桥 链 式 拓 扑 ，易 于 电 压 和 容 量 的 扩 展 ；在 牵 引 侧 采 用 并 联 多 重 化 拓 扑 ，结 合 单 相 变 压 器 串联 输 出 ，适 应 了 ＡＴ供 电 方 式 的 要 求 ；采 用 功 率 模 块 动 态 旁 路 和 恢 复 技 术 ，保 证 了供 电 可靠 性 ；通 过 优 化 变换 器 控制 策 略 ，实 现 了功 率 双 向 流 动 和 平 衡 变 换 ，抑 制 了 直流 侧 电 压 脉 动 引 起 的 谐 波 畸 变 。仿 真 结 果 表 明 ，上 述 拓 扑 的可 行 性 和 控 制 策 略 的 正确 性 。 关 键 词 ：高速 铁 路 ；功 率 变 换 ；链 式 结 构 ；多 重 化 ；控 制 策 略 中 图 分 类 号 ：Ｕ２３３．５１ 文 献 标 志 码 ：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／Ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—８３６０．２０１６．０１．００５
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｓｃｈｅｍ ｅ ａｎｄ Ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｎｅｗ Ｃｏ－ｐｈａｓｅ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｔｒａｃｔｉｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｈ ｉｇｈ··ｓｐｅｅｄ Ｒａｉｌｗａｙ
ＣＨ ＥＮ Ｍ ｉｎｗ ｕ， ＪＩＡＮＧ Ｗ ｅｎｂｉｎｇ， Ｗ ＡＮＧ Ｘｕｇｕａｎｇ， ＳＵＮ Ｘｉａｏｋａｉ
投运 了铁路 静止 功率 调节 装置 （Ｒａｉｌｗａｙ Ｓｔａｔｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ，ＲＰＣ）ｌ１ ，我 国也 在 上 海 南 翔 牵 引 变 电所
投入 了类 似有 源 补 偿 装 置Ｉ２］，虽 然 实 现 了 电 能质 量 的
牵 引供 电系 统 电能质 量 问题和 动 车组过 电分 相 问 题是 既 有单 相工 频供 电模 式 下 的 “痼 疾 ”，而 高 压 大功
率 电力 电子技 术 的 日益成 熟及其 在 电力 系统 中的广泛 应用 ，为 从根本 上 解 决 上述 问题 提 供 了有 效 途 径 。 日
本首 次在 东北 新 干线 的新 沼宫 内和新 八户 牵 引变 电所
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｌａｒｇｅｌｙ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｈａｓｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｐｏｗ ｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｒａｉｌｗ ａｙ，ａ ｎｅｗ ｃｏ—ｐｈａｓｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｂａｃｋ ｔｏ ｂａｃｋ ａｎｄ ｍ ｏｄｕｌａｒ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ． Ｃａｓｃａｄｅ Ｈ—ｂｒｉｄｇｅ ｃｈａｉｎ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｇｒｉｄ ｓｉｄｅ ｏｆ ｐｏｗ ｅｒ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｈｅｌｐｆｕｌ ｔｏ ｔｈｅ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｏｆ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｃａｐａｃｉｔｙ．Ｐａｒａｌｌｅｌ ｍ ｕｌｔｉ—ｍ ｏｄｕｌｅ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｓｉｄｅ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ｃｏｍ ｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｓｉｎｇｌｅ— ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｅｒ ｏｕｔｐｕｔ ｉｎ ｓｅｒｉｅｓ， ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ＡＴ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｍ ｏｄｅ． Ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｗ ａｓ ｉｍ ｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ｐｏｗｅｒ ｍｏｄｕｌｅ ｄｙｎａｍ ｉｃ ｂｙｐａｓｓ ａｎｄ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ． Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｔｈｅ ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｐｏｗｅｒ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｂａｌａｎｃｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｕｐｐｒｅｓｓｅｄｔｈｅ ｈａｒｍ ｏｎｉｃ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ＤＣ ｓｉｄｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｒａｉｌｗａｙ；ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ａｔｉｏｎ；ｃｈａｉｎ ｔｏｐｏｌｏｇｙ；ｍ ｕｌｔｉ—ｍ ｏｄｕｌｅ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ
பைடு நூலகம்
铁 道 学 报 Ｊ０ＵＲＮＡＬ ０Ｆ ＴＨＥ ＣＨ ＩＮＡ ＲＡＩＬＷ ＡＹ Ｓ０ＣＩＥＴＹ
Ｖ ｏｌ＿３８ Ｎｏ．１ Ｊａｎｕａｒｙ ２０１６
文 章 编 号 ：１００１—８３６０（２０１６）０１—００２８—０７
高速铁路新 型 同相贯通供 电方案及其 仿真研 究
陈 民武 ， 蒋 汶 兵 ， 王 旭 光 ， 孙 小 凯
（西 南 交 通 大 学 电气 工 程 学 院 ，四川 成 都 ６１００３１）
摘 要 ：为解 决 高速 铁路 牵 引 供 电 系 统 存 在 的 以负 序 为 主 的 电 能 质 量 问 题 和 过 分 相 问 题 ，提 出 了 一 种 基 于 模 块 化 和 背 靠 背 结 构 功 率 变 换 器 的 同相 贯 通 供 电 方 案 ，在 电 网侧 采 用 级联 Ｈ 桥 链 式 拓 扑 ，易 于 电 压 和 容 量 的 扩 展 ；在 牵 引 侧 采 用 并 联 多 重 化 拓 扑 ，结 合 单 相 变 压 器 串联 输 出 ，适 应 了 ＡＴ供 电 方 式 的 要 求 ；采 用 功 率 模 块 动 态 旁 路 和 恢 复 技 术 ，保 证 了供 电 可靠 性 ；通 过 优 化 变换 器 控制 策 略 ，实 现 了功 率 双 向 流 动 和 平 衡 变 换 ，抑 制 了 直流 侧 电 压 脉 动 引 起 的 谐 波 畸 变 。仿 真 结 果 表 明 ，上 述 拓 扑 的可 行 性 和 控 制 策 略 的 正确 性 。 关 键 词 ：高速 铁 路 ；功 率 变 换 ；链 式 结 构 ；多 重 化 ；控 制 策 略 中 图 分 类 号 ：Ｕ２３３．５１ 文 献 标 志 码 ：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／Ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—８３６０．２０１６．０１．００５
Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｓｃｈｅｍ ｅ ａｎｄ Ｓｉｍ ｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｎｅｗ Ｃｏ－ｐｈａｓｅ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｔｒａｃｔｉｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｈ ｉｇｈ··ｓｐｅｅｄ Ｒａｉｌｗａｙ
ＣＨ ＥＮ Ｍ ｉｎｗ ｕ， ＪＩＡＮＧ Ｗ ｅｎｂｉｎｇ， Ｗ ＡＮＧ Ｘｕｇｕａｎｇ， ＳＵＮ Ｘｉａｏｋａｉ
投运 了铁路 静止 功率 调节 装置 （Ｒａｉｌｗａｙ Ｓｔａｔｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｅｒ，ＲＰＣ）ｌ１ ，我 国也 在 上 海 南 翔 牵 引 变 电所
投入 了类 似有 源 补 偿 装 置Ｉ２］，虽 然 实 现 了 电 能质 量 的
牵 引供 电系 统 电能质 量 问题和 动 车组过 电分 相 问 题是 既 有单 相工 频供 电模 式 下 的 “痼 疾 ”，而 高 压 大功
率 电力 电子技 术 的 日益成 熟及其 在 电力 系统 中的广泛 应用 ，为 从根本 上 解 决 上述 问题 提 供 了有 效 途 径 。 日
本首 次在 东北 新 干线 的新 沼宫 内和新 八户 牵 引变 电所
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｗｅｓｔ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ ６１００３１，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｑｕａｌｉｔｙ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｌａｒｇｅｌｙ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｈａｓｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｉｎ ｔｈｅ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｐｏｗ ｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｒａｉｌｗ ａｙ，ａ ｎｅｗ ｃｏ—ｐｈａｓｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｂａｃｋ ｔｏ ｂａｃｋ ａｎｄ ｍ ｏｄｕｌａｒ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ． Ｃａｓｃａｄｅ Ｈ—ｂｒｉｄｇｅ ｃｈａｉｎ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｇｒｉｄ ｓｉｄｅ ｏｆ ｐｏｗ ｅｒ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ｗｈｉｃｈ ｗａｓ ｈｅｌｐｆｕｌ ｔｏ ｔｈｅ ｅｘｐａｎｓｉｏｎ ｏｆ ｖｏｌｔａｇｅ ａｎｄ ｃａｐａｃｉｔｙ．Ｐａｒａｌｌｅｌ ｍ ｕｌｔｉ—ｍ ｏｄｕｌｅ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ｗａｓ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｓｉｄｅ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ｃｏｍ ｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｓｉｎｇｌｅ— ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ｅｒ ｏｕｔｐｕｔ ｉｎ ｓｅｒｉｅｓ， ｗｈｉｃｈ ｉｓ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ＡＴ ｔｒａｃｔｉｏｎ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｍ ｏｄｅ． Ｔｈｅ ｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｗ ａｓ ｉｍ ｐｒｏｖｅｄ ｂｙ ｐｏｗｅｒ ｍｏｄｕｌｅ ｄｙｎａｍ ｉｃ ｂｙｐａｓｓ ａｎｄ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ． Ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ ｒｅａｌｉｚｅｄ ｔｈｅ ｂｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ ｐｏｗｅｒ ｆｌｏｗ ａｎｄ ｂａｌａｎｃｅ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ａｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｕｐｐｒｅｓｓｅｄｔｈｅ ｈａｒｍ ｏｎｉｃ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ＤＣ ｓｉｄｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｆｌｕｃｔｕａｔｉｏｎ． Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｏｐｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ—ｓｐｅｅｄ ｒａｉｌｗａｙ；ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ａｔｉｏｎ；ｃｈａｉｎ ｔｏｐｏｌｏｇｙ；ｍ ｕｌｔｉ—ｍ ｏｄｕｌｅ；ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ