图1 六跨锚段关节式电分相示意图
Fig.1 Diagram of six-span articulated phase-separation
摘要 针对现有电气化铁路柔性过分相技术存在的变流设备容量需求大、弓网带电流分断引起燃弧等问题，提出一种列车柔性不断电过分相系统及其控制策略。该系统通过背靠背变流器连接电分相两侧的供电臂，单相逆变器从背靠背变流器的直流侧引出并串接移相变压器后连接至中性线，该结构可有效降低逆变器等变流设备的容量，以实现列车过分相全过程不断电、无过电压与不拉弧。首先，详细分析所提系统的工作原理；随后，提出相应的电压柔性切换、功率主动调整的控制策略；然后，通过Simulink仿真和RT-Lab硬件在环实验，验证了该系统与控制策略的有效性；最后，结合电气化铁路的实际情况，分析所提方案在不同应用场景下的变流设备容量需求，并给出了应用建议。
关键词：电气化铁路 电分相 柔性过分相 功率调整 移相变压器
近年来，电气化铁路的高速化、重载化发展对牵引供电系统的可靠性与稳定性提出了更高要求。我国电气化铁路采用的是单相工频交流供电方式，其中的电分相环节会造成供电断点。目前列车采用的断电过分相方式[1]一方面会导致运行速度损失，制约列车的高速重载运行，造成系统运能损失[2]；另一方面，列车断电过电分相过程中会引发暂态过电压、过电流及弓网燃弧的现象，损坏车载设备和供电设备，威胁列车的安全、可靠运行[3-4]。
针对过分相问题，现有解决方案主要有不断电过分相技术[5]、同相供电技术[6-7]以及中压直流牵引供电技术[8]。其中，同相供电技术与中压直流牵引供电技术都需对现有牵引供电系统进行大规模改造，不利于在既有线路上进行推广应用。因此，在不改变既有牵引供电系统结构的基础上研究列车不断电过分相技术，对于实现列车的高速、重载运行，充分发挥既有线路运能，具有重大的现实意义。理想的过分相技术应具备如下功能：①列车全程不断电，实现无速度损失；②列车受电弓电压不突变、弓网无电流分断，避免暂态过电压和弓网燃弧问题。
为此，国内外学者提出了多种列车不断电过分相技术，主要可分为开关式自动过分相和柔性式自动过分相两类。其中，开关式通过机械开关或电子开关的快速投切，实现中性线上的电压切换，以此实现列车的不断电过分相。然而，机械开关难于精确控制分/合闸的相位，导致过电压、过电流、电弧等暂态问题，并且还存在开关切换时间长、开关寿命短等问题[9-10]；电子开关可精确控制分/合闸相位，切换时间较短[11-12]，但依然存在断电过程，也无法解决弓网带电流分断导致的拉弧问题[13]。
柔性式自动过分相利用变流设备将电能从供电臂传输到中性区，保障列车过分相全过程不断电，并能抑制暂态问题。研究者提出了基于传统背靠背变流器方案[14]和基于两相式模块化多电平变换器（Moduar Multilevel Converter, MMC）[15]方案，利用电压变频移相实现了列车不间断供电。在此基础上，文献[16]采用三相式MMC提高装置可靠性。而文献[17]利用功率控制解决弓网带电流分断导致的拉弧问题。但是，为匹配列车运行功率，上述方案所需的变流设备容量极大，为此，变流设备串接变压器向中性区供电的方案被提出[18-19]，此类方案可有效减少变流器容量，节省系统投资成本。但此类方案仅关注中性线电压控制以实现不间断供电，未考虑不断电过分相时弓网大电流分断问题，因此无法完全解决过电压、电弧等暂态问题。
为此，本文提出一种基于背靠背变流器（Back- To-Back Converter, BTBC）的柔性不断电过分相系统（Flexible Uninterrupted Phase-separation-passing System, FUPS），利用移相变压器（Phase-shifting Transformer, PT）降低了变流设备容量；以实现列车过分相全程不断电与弓网无电流分断为目标，结合列车过分相时弓网接触过程，提出了相应的中性线电压控制策略与系统输出功率调整控制策略；并结合电气化铁路的特点，针对可能的应用场景，探讨了该系统的适用性。
图1所示为我国电气化铁路常用的六跨锚段关节式电分相，其包含6个跨距，每跨距离为40～60m；其中，支柱4两侧绝缘子之间被称为无电区，约22m；支柱2和支柱6绝缘子之间被称为中性区。
图1 六跨锚段关节式电分相示意图
Fig.1 Diagram of six-span articulated phase-separation
列车过分相时，在OA段、FG段，受电弓仅与相应供电臂的接触线接触；在AB、EF段，受电弓同时与供电臂接触线、中性线接触，此段距离约8～10m[12]；BE段列车受电弓仅与中性线接触，理论上无电；但实际上，列车在CD段受电弓与供电臂的间距才满足绝缘要求，因此CD段被称为等效无电区，约35m。
在列车从O点驶向A点过程中，带高压的受电弓与无电的中性线（实际上中性线有感应电压，约12kV）距离逐渐减小，两者间高压电场击穿空气绝缘，导致过电压、电弧等暂态问题[20-21]，在DE段也有此问题。在B点时，受电弓与供电臂a分离，在不断电过分相方式下，正常取流的列车导致弓网间存在大电流流通，弓、网分离时可能导致过电压、电弧等暂态问题[22]，在F点时同样面临此问题。
柔性不断电过分相系统结构及工作过程如图2所示，其主要由变流设备（BTBC和单相逆变器）和多台变压器构成。BTBC的左侧变流器VSC-L、右侧变流器VSC-R共用直流环节，两变流器的交流端口分别接入隔离变压器T1、T2的低压侧；T1、T2高压侧端子分别与相应供电臂、钢轨相连。单相逆变器的直流端口接入BTBC直流环节，交流端口接入隔离变压器T3的低压侧；T3的高压侧端子分别与中性线、移相变压器PT的n端子相连。移相变压器的a、b 端子分别与供电臂a、供电臂b相连。移相变压器n-G端口输出电压为a-G、β-G端口交流电压矢量和的一半。
图2 柔性不断电过分相系统结构及工作过程
Fig.2 Topology and working process of the FUPS
此外，MO～MG分别为安装在O～G点的地面测量传感器（组），MO包括位置传感器和速度传感器，MA～MG为位置传感器。
FUPS的工作原理如图2所示，图中，SL为列车视在功率，Saf、Sbf和SNS分别为供电臂a、供电臂b和FUPS供应给列车的功率；ua、ub和uNS分别为供电臂a、供电臂b和中性线电压。假设列车从O点过分相，系统工作过程可分为七个阶段：
阶段Ⅰ：MO检测到列车进入OA段运行，控制FUPS输出电压跟踪供电臂a电压，使中性线电压与供电臂a电压一致，避免临近A点时发生高压击穿绝缘引起暂态问题。
阶段Ⅱ：MA检测到列车时，FUPS开始输出功率；在列车驶到B点前，FUPS输出功率增加到列车所需功率，使得受电弓与供电臂a在B点分离时无电流传输，避免弓、网带电流分断而引起暂态问题；同时，中性线电压与供电臂a保持一致。
阶段Ⅲ：MB检测到列车进入BC段运行，FUPS为列车供电，中性线电压与供电臂a保持一致。
阶段Ⅳ：列车进入CD段，MC触发FUPS调节输出电压，使中性线电压向供电臂b电压柔性切换；列车正常取流，FUPS为其供电。
阶段Ⅴ：MD检测到列车进入DE段，FUPS工作状态不变；此时，中性线电压与供电臂b相同，防止临近E点高压击穿绝缘引起暂态问题。
阶段Ⅵ：列车驶入E点后，ME触发FUPS减少输出功率，列车从仅由FUPS供电，向仅由供电臂b供电切换；在F点，弓、网（中性线）分离时不传输电流，避免带电流分断引起的暂态问题。
阶段Ⅶ：MF检测到列车后，FUPS不输出功率，输出电压跟随供电臂b电压；待列车驶出G点后，MG触发FUPS进入待机状态。
由于过分相时间较短，列车速度变化不大（最大运行加速度小于0.5m/s2[23]），上述各阶段的动作时长可由分相区各区段长度数据、MO检测到的列车速度数据估算，并考虑一定的时间裕度得到。
通过上述工作过程，FUPS可实现列车过分相全过程中完全无断电，并且有效避免过电压、电弧等暂态问题。
在列车过分相全过程中，FUPS需根据列车的位置，主动控制输出电压与功率，实现列车完全无断电、无暂态问题过分相目标。图3所示为所提的FUPS总体控制框图，主要包含了中性线电压控制、系统功率控制与底层变流设备控制三个部分。
图3 FUPS总体控制框图
Fig.3 Control strategy of the FUPS
根据FUPS的工作原理，列车过分相时中性线上电压目标值为
（1）其中
（2）
式中，
、
分别为供电臂a电压幅值、相位；
、
分别为供电臂b电压幅值、相位。
在阶段Ⅳ中，需要实现中性线电压幅值、相位的同时由
向
平滑切换，即
（3）
（4）
式中，
为移相开始时刻，即列车到达C点时刻；
为列车到达D点时刻，为简化分析，此处为移相结束时刻（即不考虑工作阶段间的时间裕度，下文同此）。
中性线电压合成相量如图4所示，FUPS输出电压由PT和逆变器电压合成。逆变器参考电压为
（5）
图4 中性线电压合成相量
Fig.4 Diagram of combination about voltage phasors
图5所示为列车过分相时功率流示意图，列车功率由两供电臂和中性线共同提供，即
（6）式中，
为列车复功率，
，
为功率因数角；
、
分别为供电臂a、b与受电弓间传输的复功率，
、
；
为FUPS输出的复功率，
。
图5 过分相过程功率流示意图
Fig.5 Power flows’ diagram of phase-separation passing process
根据图2所示工作原理，为避免因弓网带电流分断而引起的暂态问题，需控制FUPS输出功率，在列车到达B点时，使
；在列车到达F点时，使
。全过程中FUPS的输出功率可表示为
（7）式中，
为与时间相关的系数，即
（8）
式中，
、
、
、
分别为阶段Ⅱ、Ⅲ、Ⅵ、Ⅶ的开始时刻，即列车驶过A、B、E、F处的时刻。
1）逆变器参考功率
FUPS输出功率由PT与逆变器共同提供，即
（9）式中，
为移相变压器n端口复功率，即a、b 端口复功率
、
之和；
为逆变器传输的功率。
为使FUPS输出功率满足式（7），过分相过程中，逆变器有功、无功参考功率表达式见表1。
表1 逆变器有功、无功参考功率表达式
Tab.1 Reference active and reactive power of inverter
t逆变器输出有功和无功表达式
表1中，
。
2）BTBC参考功率
逆变器所需的有功功率由BTBC两侧变流器共同提供，则BTBC的功率参考值应为
（10）式中，
、
分别为VSC-L、VSC-R的有功功率。
BTBC的主要功能为稳定直流环节电压、逆变器提供有功功率。本文采用基于DQ电流解耦的双闭环控制策略[24]，其控制框图如图6所示，主要包含直流电压控制、功率控制及DQ电流解耦控制三部分。图中，Udc为直流环节电压，iac、ibc分别为VSC-L、VSC-R电流；由于不控制无功，
、
为0。
图6 BTBC控制框图
Fig.6 Control diagram of BTBC
逆变器需精确控制中性线上电压，并严格按需输出有功、无功功率。因此，本文采用如图7所示基于准比例谐振（Quasi-Proportional-Resonant, QPR）的双闭环控制策略[25]，对其交流侧电压、电流都进行闭环控制，以实现快速、精确的控制效果。
图7 逆变器控制框图
Fig.7 Control diagram of inverter
4.1.1 仿真参数
为验证所提系统结构与控制方案的有效性，本文根据电气化铁路常用的V/v牵引变压器型牵引变电所，在Matlab/Simulink环境中，搭建了FUPS的仿真模型。其中，电分相区采用六跨式结构，仿真模型具体参数分别见表2和表3。
仿真过程中假设：过分相列车以时速300km/h匀速通过分相区，运行于单位功率因数，功率为6 400kW；列车于0.5s时从A点开始过分相，约于0.62s、0.9s、1.33s、1.61s、1.73s分别到达B、C、D、E、F点；此外，不考虑时间裕度。
表2 牵引供电系统参数
Tab.2 Simulation parameters of traction power supply system
参 数取 值 三相电源电压/kV220 V/v接线牵引变压器电压比/kVkV22027.5 分相区AB、EF段长/m9 BC、DE段长/m24 CD段长/m36
表3 FUPS仿真参数
Tab.3 Simulation parameters of FUPS
参 数取 值 T1, T2, T3电压比/kVkV27.51.5 BTBC交流侧电压(RMS)/kV1.5 直流侧电压/kV3.6 交流侧电感/mH1.4 直流侧电容/mF40 PTa、b绕组电压比/kVkV27.513.75 逆变器交流电压(RMS)/kV1.5 交流侧电感/mH1.5 BTBC控制器电压环比例增益1.5 积分增益25 电流环比例增益5 积分增益60 载波频率/kHz5 逆变器控制器电压环比例增益0.05 谐振增益5 电流环比例增益50 谐振增益60 电压环带宽/(rad/s)8 电流环带宽/(rad/s)5 载波频率/kHz5
4.1.2 仿真结果
1）中性线输出电压
图8为全过程中性线电压与两侧供电臂电压波形。0.9s前，中性线电压与供电臂a电压波形重合，满足阶段Ⅰ～Ⅲ的电压控制要求；0.9～1.33s，中性线电压幅值不变、相位平滑向供电臂b变化，满足阶段Ⅳ控制要求；1.33s之后，中性线电压与供电臂b电压波形重合，满足阶段Ⅴ～Ⅶ电压控制要求。综上所述，中性线电压满足不断电过分相要求，验证了电压控制策略的有效性。
图8 中性线与两侧供电臂电压波形
Fig.8 Voltage waveforms of neutral line and feeders
2）系统功率交互
图9所示为列车过分相过程中系统各环节功率流交互与FUPS各部分传输功率结果。由图9a可知，全过程功率交互情况与图2所示原理相符：0.5s前，FUPS运行于阶段Ⅰ，列车受电弓仅从供电臂a获取功率；0.5～0.62s之间为阶段Ⅱ，FUPS出力逐渐增加、供电臂a出力逐渐减小；在0.62s时，列车功率全部由中性线提供，供电臂a的输出功率为0，即传输电流为0，进而有效避免由弓网带电流分断导致的暂态问题；0.62～1.61s之间为阶段Ⅲ～Ⅴ，仅FUPS为列车供电；1.61s时阶段Ⅵ开始，中性线出力逐渐下降，列车功率逐渐转变为由供电臂b提供；到1.73s时，中性线输出功率降为0，即弓网间传输的电流为0；1.73s后进入阶段Ⅶ，列车功率完全由供电臂b提供，FUPS不提供功率。
具体地，FUPS变流设备输出的有功功率曲线如图9b所示。由图可知，移相变压器承担了大部分输出功率，使得逆变器的输出有功功率较小，其最大值为1.6MW，仅为负荷有功功率的1/4；BTBC两侧变流器各承担逆变器输出功率的一半。
图9 列车过分相过程系统功率曲线
Fig.9 Power curves in phase-separation passing process
综上所述，过分相全过程中，FUPS能够完全按需输出所需功率，实现列车的全过程不断电过分相与弓网无电流分断，验证了系统功率控制策略的有效性；同时也证明，移相变压器可有效减小变流设备输出功率。
为进一步验证FUPS控制策略的有效性和可行性，搭建基于TMS320C28346 DSP控制器和RT-Lab实时仿真器的硬件在环（Hardware In Loop, HIL）实验平台。将主电路模型在RT-Lab OP5700 HIL Box中搭建，控制策略在DSP中实现，两者间的实时信息交互通过转接板和接口板卡实现，实验波形通过Keysight DSOX3024T示波器监测记录。得到的实验结果如下：
实验电压波形如图10所示，图10a～图10c为电压移相过程中供电臂与中性线电压波形，图10d为逆变器输出电压波形。由实验波形可知，中性线电压实现了由ua向ub的平滑切换，逆变器输出电压变化过程与原理分析一致，验证了电压控制策略的有效性与可行性。
实验过程供电臂与FUPS输出电流、功率波形如图11a、图11b所示，逆变器、PT传输功率曲线如图11c所示。由结果可知，FUPS可严格按需输出功率，实现了列车全程不断电、弓网无电流分断过分相的目标，功率控制策略的可行性、有效性得到了验证。
图10 实验电压波形
Fig.10 Voltage waveforms of HIL experiment
图11 实验电流及功率波形
Fig.11 Experimental current and power waveforms
从表1可知，逆变器传输功率受分相区两侧电压幅值差
、相位差
以及列车功率因数cosj 影响。因此，本节针对电气化铁路中FUPS可能出现的应用场景，分析系统中各变流设备的容量需求，探讨本系统的适用性。
牵引变电所处的
由采用的牵引变压器类型决定。根据现有电气化铁路常用的牵引变压器类型，可将应用场景分为以下两类：①
，包括V/v接线、V/x接线牵引所；②
，即平衡接线牵引所，包括Scott、YNvd等接线方式。
假设两臂输出电压幅值相同，考察功率因数在0.9～1间变化时，逆变器输出的峰值视在功率、有功功率标幺值s、p（以SL为基准）的变化情况，变电所场景变流设备传输最大功率曲线如图12所示。当本系统应用于场景①时，逆变器输出最大视在功率为列车功率的1/2，输出有功功率由0.4(pu)降低到0.25(pu)，即表示逆变器的需求容量不受列车功率因数影响，需配置为最大列车视在功率
的1/2；BTBC的需求容量受列车功率因数影响，列车功率因数越高，所需容量越小，最小仅需
。
图12 变电所场景变流设备传输最大功率曲线
Fig.12 Maximum power curves of inverter in substation
当本系统应用于场景②时，逆变器的需求容量为0.707，BTBC的最小需求容量为
。
根据牵引供电系统供电要求，可认为空载时分区所处电分相两侧供电臂的电压幅值、相位均相同。但是，当有列车运行时，分区所处两供电臂电压幅值、相位皆会发生变化。为此，假设两侧供电臂电压的幅值、相位不同，选择以下场景进行分析：①
；②
；③
。
分区所场景变流设备传输最大功率曲线如图13所示。当FUPS应用于分区所时，两侧供电臂电压的幅值差、相位差越大，所需的变流设备容量越大。然而即使在场景③的较为苛刻条件下，逆变器的需求容量仍仅为0.252、BTBC的最小需求容量仅为
。
图13 分区所场景变流设备传输最大功率曲线
Fig.13 Maximum power curves of inverter in section post
结合上述分析结果可知，当所提FUPS应用于分区所处时，变流设备的需求容量小、适用性强；当所提FUPS应用于变电所处时，设备需求容量受变压器接线类型影响较大，在场景下，引入移相变压器可以有效地降低变流设备的容量需求，适用性较好；而在场景下，变流设备的需求容量仍然较大，移相变压器的引入不能有效降低变流设备的容量需求，适用性较差。此外，分析结果表明，所提结构更适用于高功率因数列车运营的线路。
本文提出了一种包含移相变压器的电气化铁路列车柔性不断电过分相系统，可有效减少系统中逆变器、BTBC设备容量；同时，根据列车过分相时的弓网接触过程，针对该系统提出了包含中性线电压调整与系统输出功率调整的控制策略。仿真与实验结果表明，所提方案可实现列车过分相全过程不断电与弓网无电流分断，进而可有效避免过电压、电弧等暂态问题的发生，为充分发挥电气化铁路运能、提升系统可靠性提供保障。此外，通过分析所提FUPS在不同应用场景下的变流设备容量需求，探讨了其适用性，结果表明，该系统比较适用于两侧供电臂电压相位差较小的电分相，如V/v（V/x）接线牵引变压器的牵引变电所和所有的分区所。
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Flexible Uninterrupted Phase-Separation Passing System and Its Control Strategy for Electrified Railway Trains
Abstract Existing flexible phase-separation passing technologies for electrified railways face problems including large capacity requirements for converters and arcing caused by the separation with current between pantograph and contact wire. Thus, this paper proposed a more practical flexible uninterrupted phase-separation passing system and its control strategy. The proposed system connects the power phases on both sides of the phase-separation through a back-to-back converter. The single-phase inverter is drawn from the DC link of the back-to-back converter and connected with a phase-shifting transformer in series to maintain the voltage on the neutral wire. The connected phase-shifting transformer can effectively reduce the capacity of converters. With the goal of passing the phase-separation without power interruption, overvoltage and arcing, the working principle of the proposed system is analyzed in detail, and a control strategy with flexible voltage transition and power adjustment ability is proposed. Next, the effectiveness of the proposed system and control strategy is verified by the Matlab/Simulink-based simulation and the RT-Lab-based hardware in the loop experiment. Finally, the required capacity of the converters in the proposed system is analyzed, according to the practical operation scenarios of electric railways. Based on the analyzed results, some application suggestions of the proposed system are advised.
keywords：Electrified railway, phase-separation, uninterrupted phase-separation passing, power adjustment, phase-shifting transformer
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210874
中图分类号：TM922.3
国家自然科学基金（52077179）、四川省杰出青年科技基金（2021JDJQ0032）和中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划（N2020G021）资助项目。
收稿日期 2021-06-15
改稿日期 2021-07-28
黄 毅 男，1997年生，博士研究生，研究方向为电气化铁路“源网车储”一体化供电。E-mail: huangyizero@foxmail.com
胡海涛 男，1987年生，教授，博士生导师，研究方向为牵引供电系统稳定性与供电品质。E-mail: hht@swjtu.edu.cn（通信作者）
（编辑 陈 诚）