模块化多电平变流器型中压直流牵引供电系统控制方法研究
西南交通大学电气工程学院、国家轨道交通电气化与自动化工程技术研究中心（西南交通大学）的研究人员葛银波、胡海涛等，在2018年第16期《电工技术学报》上撰文，针对当前交流电气化铁道存在的电能质量和过分相等问题，研究一种适用于高速铁路的模块化多电平变流器（MMC）型中压直流牵引供电系统（MVDC TPSS）。
针对系统运行控制问题，提出一种多牵引变电所（TSS）并联运行协调控制方法，用于抑制牵引网直流电压的波动，提高牵引网直流电压水平，使系统具备更高的可靠性与即插即用性能。从MMC的等效简化模型出发，建立MMC型牵引变电所的控制小信号模型，推导出牵引变电所输出电流与牵引网直流电压间的小信号传递函数，研究输出电流前馈控制对系统动态性能的影响，分析在牵引负荷移动时控制系统的稳定性。最后搭建详细仿真模型，模拟实际牵引供电系统的运行工况，验证所提控制方法的有效性。
目前我国高速铁路牵引供电系统采用单相工频交流供电制式，其主要面临着以负序为主的电能质量问题、电分相引起的列车速度损失和列车过分相时的车网电气暂态问题，这些问题制约着高速和重载电气化铁道的发展[1]。针对既有牵引供电系统存在的诸多问题，国内外学者提出了多种解决方案，并取得了一定的成果[2-7]。
自模块化多电平变流器被提出以来，凭借其电压和功率等级高、转换效率高等卓越性能得到了学术领域和工业领域的高度关注[6-9]。为了有效解决传统交流牵引供电系统存在的问题，模块化多电平变流器（Modular Multilevel Converter, MMC）技术被引入用于构建中压直流牵引供电系统[4]。
该系统利用三相MMC将交流电网的三相交流电变换成幅值相等的直流电再馈送至牵引网，实现牵引网全线贯通供电。直流供电制式下，系统中不存在频率、相位和无功环流等问题，使得系统的控制更简单、可靠性更高。
此外，还可以充分利用直流牵引供电系统的空间优势就近消纳铁路沿线丰富的可再生能源，实现对列车再生制动能量的回收利用，结合储能设备提高系统的能量利用率与稳定性[10]。因此，中压直流牵引供电系统对于革新既有交流牵引供电系统和促进牵引供电系统的绿色可持续发展具有重要的意义，可作为未来铁路发展的重要方向之一。
目前，中压直流牵引供电系统（Medium-Voltage Direct Current Traction Power Supply System, MVDC TPSS）还处于前瞻研究阶段，相关研究仅给出了其概念，论述了其结构与优点[2-7]。
该系统由多个直流牵引变电所共同维持牵引网直流电压的稳定，同时系统可接入储能设备和铁路沿线的可再生能源，这使得中压直流牵引供电系统成为一种跨大范围地理区域的特殊直流微电网。
如何协调牵引变电所、分布式可再生能源发电系统和储能系统等单元，以维持牵引网直流电压的稳定和系统能量供需平衡，是保证系统安全、高效运行的关键。
针对微网的运行控制问题，国内外研究机构开展了大量研究，如针对不同类型的直流母线电压波动，提出了基于前馈控制的抑制方法和基于母线电压补偿装置的抑制方法以维持直流电压稳定[11]；对于多电源并联运行问题，主要采用下垂控制或改进下垂控制完成分布式发电单元之间负荷电流的合理分配，实现系统中各单元稳定运行[12,13]；为进一步提高系统运行效率，实现系统最优运行，提出了基于无互连通信的运行控制技术和基于互连通信的分层运行控制体系[14]。然而，目前少有文献对中压直流牵引供电系统的运行控制问题进行研究。
本文针对MMC型中压直流牵引供电系统的运行控制问题，借鉴直流微电网的协调控制理论，在不考虑分布式可再生能源发电系统和储能系统的情况下，分析传统下垂控制应用于牵引供电系统中存在的缺陷，并对其进行改进，给出一种能适应牵引负荷随机波动性与快速移动性的多牵引变电所（Traction Substations, TSS）并联运行协调控制方法。
进一步地，建立牵引变电所控制小信号模型，推导出其输出电流与牵引网直流电压之间的小信号传递函数，研究输出电流前馈控制对系统动态性能的影响，在牵引负荷移动时，分析控制系统的稳定性。最后，通过仿真模拟实际牵引供电系统的运行工况，证明所提控制方法的有效性。
图1 中压直流牵引供电系统拓扑结构
图12 仿真系统结构图
本文针对MMC型中压直流牵引供电系统的运行控制问题，借鉴直流微电网协调控制理论，在不考虑分布式可再生能源发电系统和储能系统接入情况下，给出了一种能适应牵引负荷随机波动性与快速移动性的多牵引变电所并联运行协调控制方法，通过理论分析与仿真证明得到以下结论：
1）通过对比有、无输出电流前馈控制时牵引变电所输出电流与牵引网直流电压之间闭环传递函数的单位阶跃响应曲线与Simulink仿真结果，证明了引入输出电流前馈控制能有效抑制牵引网直流电压波动，改善系统动态响应。
2）当牵引变电所输出电压偏离额定值时，在无需牵引变电所间进行通信的情况下，电压补偿环节通过补偿电压环参考值，把直流牵引变电所下垂特性曲线进行平移，补偿输出电压跌落值，将牵引变电所输出电压维持在额定值附近。改善了牵引网电压水平、降低了牵引网线路损耗，保证了系统的安全稳定运行。