基于MMC的鐵路功率調(diào)節(jié)器方案對比

王之赫，童亦斌，荊龍，李金科，王衛(wèi)安，吳濤

（1.北京交通大學(xué)國家能源主動配電網(wǎng)技術(shù)研發(fā)中心，北京100044；2.南車株洲電力機(jī)車研究所有限公司，湖南株洲412001；3.華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，北京100045）

1 引言

鐵路牽引供電系統(tǒng)是直接接入高壓電力系統(tǒng)的特殊負(fù)荷，其具有非線性、不平衡性和波動性等特點(diǎn)，給公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量帶來嚴(yán)重影響［1-2］。

鐵路功率調(diào)節(jié)器（RPC）是由日本學(xué)者1993年提出的概念［3］，傳統(tǒng)的RPC 多采用兩電平電壓源型變換器（VSC），而在高壓大功率應(yīng)用領(lǐng)域，多電平變換器逐漸成為一種趨勢［4］。德國學(xué)者M(jìn)arquardt R.提出的模塊化多電平變換器（MMC）的拓?fù)洌?］可以直接應(yīng)用于中高壓大功率領(lǐng)域。

針對不同結(jié)構(gòu)的RPC，國內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了一定的研究。文獻(xiàn)［6］提出了一種基于半橋結(jié)構(gòu)的新型鐵路功率調(diào)節(jié)裝置；文獻(xiàn)［7］提出了一種基于MMC的背靠背連接結(jié)構(gòu)的兩相補(bǔ)償系統(tǒng)。

本文對多電平鐵路功率調(diào)節(jié)器（multilevel railway static power conditioner，MRPC）的原理進(jìn)行了闡述，以基于V/v 變壓器的AT（auto transformer）供電方式為應(yīng)用背景，對不同結(jié)構(gòu)的MRPC 進(jìn)行了分析和對比，最后通過RT-LAB實(shí)時仿真平臺，驗(yàn)證了3 橋臂MRPC 系統(tǒng)的補(bǔ)償效果。

2 MRPC系統(tǒng)介紹

2.1 MMC的工作原理

MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，通過控制開關(guān)器件的通斷狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)交流側(cè)多電平輸出［8］。

圖1 MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology structure of MMC

2.2 RPC的工作原理

本文中牽引供電補(bǔ)償系統(tǒng)可以分為V/v牽引供電系統(tǒng)和RPC補(bǔ)償系統(tǒng)兩個部分，結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 V/v變壓器和RPC組成的補(bǔ)償裝置Fig.2 Compensation device consisting of V/v transformer and RPC

RPC補(bǔ)償系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一個交直交背靠背結(jié)構(gòu)的變流器，交流側(cè)連接牽引變壓器二次側(cè)。其工作原理是通過開關(guān)變換，得到一個幅值和相位均可獨(dú)立調(diào)節(jié)的等效受控電壓源，進(jìn)而對接入點(diǎn)的無功電流、諧波電流實(shí)現(xiàn)獨(dú)立補(bǔ)償；同時，RPC通過直流側(cè)電容可以實(shí)現(xiàn)兩相有功功率的轉(zhuǎn)移。

3 MRPC方案對比

3.1 2橋臂MRPC方案設(shè)計

如圖3所示，2橋臂MRPC僅由T，M 2個橋臂組成，每個橋臂中點(diǎn)直接與自耦變壓器相連接。

該方案最大的特點(diǎn)是直流側(cè)支撐電容的中點(diǎn)與自耦變壓器的接地側(cè)連接，為功率流動提供通路。該結(jié)構(gòu)通過上、下橋臂電容交替?zhèn)鬏敼β?，所以直流?cè)電壓一般為4橋臂MRPC的2倍。

圖3 2橋臂MRPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.3 Topology of two-arm MRPC

以T相為例分析直流支撐電壓范圍，圖4a給出T 相上橋臂等效電路圖，相關(guān)參數(shù)下標(biāo)用p 表示；下橋臂相關(guān)參數(shù)下標(biāo)用n表示。

根據(jù)基爾霍夫電壓定律，直流側(cè)電壓值為

MMC調(diào)制方式為載波移相SPWM調(diào)制，其中：

根據(jù)載波移相SPWM調(diào)制原理可知：

交流側(cè)電流在上下橋臂之間平均分配，可得：

為了方便分析，假設(shè)T相功率因數(shù)為1，聯(lián)立上式得到T相上橋臂的矢量圖如圖4b所示。

圖4 2橋臂MRPC等效電路圖及矢量圖Fig.4 Equivalent circuit and vector diagram of two-arm MRPC

由矢量圖可以推導(dǎo)出：

聯(lián)立式（3）、式（5）得到直流電壓幅值的范圍：

3.2 4橋臂MRPC方案設(shè)計

如圖5所示，4橋臂MRPC中每相包含2個橋臂。由于T 相和M 相經(jīng)過自耦變壓器輸出，而變壓器的一側(cè)都與大地連接，所以4 橋臂MRPC 必須經(jīng)過隔離變壓器與自耦變壓器連接，為了便于各種拓?fù)涞谋容^，隔離變壓器變比設(shè)為1∶1。

圖5 4橋臂MRPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.5 Topology diagram of four-arm MRPC

以T相為例分析直流支撐電壓。圖6a為T相整個橋臂等效電路圖。

根據(jù)基爾霍夫電壓定律，直流側(cè)電壓值為

同理可得到T相橋臂的矢量圖如圖6b所示。

圖6 4橋臂MRPC等效電路圖及矢量圖Fig.6 Equivalent circuit and vector diagram of four-arm MRPC

由矢量圖可以推導(dǎo)出：

聯(lián)立式（3）、式（8）得到直流電壓幅值的范圍：

3.3 3橋臂MRPC方案設(shè)計

如圖7所示，3橋臂MRPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包含T，M和N 3個橋臂。3橋臂MRPC無需隔離變壓器，每個橋臂的中點(diǎn)直接與自耦變壓器相連接。

3 橋臂MRPC 的電流回路有3 種：直流側(cè)-T相-N 相，直流側(cè)-M 相-N 相，直流側(cè)-T 相-M相。為了獲取3橋臂MRPC系統(tǒng)直流側(cè)的電壓范圍，選取第3 種回路方式，圖8a 為該回路的等效電路。

圖7 3橋臂MRPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.7 Topology diagram of three-arm MRPC

根據(jù)基爾霍夫電壓定律，直流側(cè)電壓值為

同理可得到該回路的矢量圖如圖8b所示。

圖8 3橋臂MRPC等效電路圖及矢量圖Fig.8 Equivalent circuit and vector diagram of three-arm MRPC

由矢量圖可以推導(dǎo)出：

聯(lián)立式（3）、式（11）得到直流電壓幅值的范圍：

3.4 方案對比及3橋臂MRPC系統(tǒng)的優(yōu)勢

3 種MRPC 方案均可采用分相獨(dú)立控制，用M相穩(wěn)定直流側(cè)電壓，T相實(shí)現(xiàn)功率的雙向傳輸，從而平衡牽引變壓器低壓側(cè)兩相負(fù)荷的功率，消除電網(wǎng)的負(fù)序電流。具體優(yōu)缺點(diǎn)對比見表1。

2 橋臂MRPC 的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，不需要外接隔離變壓器；缺點(diǎn)是直流電壓要求最高，是4橋臂和3 橋臂MRPC 的2 倍，且控制比較復(fù)雜，尤其是穩(wěn)定直流側(cè)中點(diǎn)電壓的控制策略。

表1 MRPC方案對比表Tab.1 Comparision table of MRPC schemes

4 橋臂MRPC 的優(yōu)點(diǎn)是直流電壓要求低，但需要隔離變壓器，在大功率的供電系統(tǒng)中，隔離變壓器會大大增加系統(tǒng)成本。

相比于以上兩種拓?fù)洌? 橋臂MRPC 的優(yōu)點(diǎn)是直流電壓要求最低，且不需要隔離變壓器，以直流電壓要求及橋臂數(shù)量來估算子模塊的數(shù)量，3 橋臂MRPC 拓?fù)渥畹?，且整個裝置可以當(dāng)作一個三相系統(tǒng)進(jìn)行控制，控制方法更加靈活。綜上，3橋臂MRPC拓?fù)鋬?yōu)點(diǎn)更為突出，更適用于基于V/v 牽引變壓器的鐵路牽引供電系統(tǒng)，故選用3橋臂MRPC作為研究拓?fù)洹?/p>

4 RT-LAB實(shí)時仿真驗(yàn)證

搭建了基于RT-LAB的3橋臂MRPC實(shí)時仿真平臺。設(shè)定系統(tǒng)中V/v變壓器容量為60 MW，各相母線上容量為30 MW，MMC 級數(shù)為20，由前文分析計算出直流側(cè)電壓：Udc≥50 kV，通過仿真驗(yàn)證了3橋臂MRPC的有功功率傳輸及無功補(bǔ)償效果。

4.1 負(fù)載有功不平衡補(bǔ)償工況

工況參數(shù)：M相負(fù)載，P=18 MW，Q=0 Mvar；T相負(fù)載，P=1 MW，Q=0 Mvar。10 s時MRPC投入工作，仿真波形如圖9所示。

圖9 MRPC系統(tǒng)有功功率補(bǔ)償仿真波形圖Fig.9 Simulation results of active power compensation

圖9a為MMC輸出的補(bǔ)償電流波形；圖9b為V/v 變壓器低壓側(cè)電流波形；圖9c 為電網(wǎng)側(cè)電流波形。3 橋臂MRPC 投入工作之后，平衡兩相有功功率，調(diào)節(jié)后V/v變壓器低壓側(cè)兩相不平衡電流消失，網(wǎng)側(cè)三相不平衡電流消失。得出結(jié)論：3橋臂MRPC系統(tǒng)具有平衡負(fù)載有功功率的作用。

4.2 負(fù)載無功不平衡補(bǔ)償工況

工況參數(shù)為：M 相負(fù)載，P=8 MW，感性無功QL=10 Mvar；T 相負(fù)載，P=8 MW，容性無功QC=1 Mvar。10 s時MRPC投入工作，仿真波形如圖10所示。

圖10 MRPC系統(tǒng)無功功率補(bǔ)償仿真波形圖Fig.10 Simulation results waveforms of reactive power compensation

圖10a為MMC輸出的補(bǔ)償電流波形；圖10b為V/v變壓器低壓側(cè)電流波形；圖10c為電網(wǎng)側(cè)電流波形。3橋臂MRPC投入工作之后，補(bǔ)償系統(tǒng)的無功功率，補(bǔ)償后V/v變壓器低壓側(cè)兩相不平衡電流消失，網(wǎng)側(cè)三相不平衡電流消失。圖10d為網(wǎng)側(cè)A相電壓電流波形，為了便于觀察將電壓幅值縮小為原來的1/200，可以看出MRPC 投入后，補(bǔ)償系統(tǒng)的無功功率，功率因數(shù)變?yōu)?。得出結(jié)論：3橋臂MRPC具有補(bǔ)償系統(tǒng)無功功率的作用。

5 結(jié)論

本文針對3 種MRPC 方案進(jìn)行了詳細(xì)的分析和對比。通過理論分析，對系統(tǒng)直流電壓的要求、子模塊的數(shù)量、是否需要隔離變壓器以及控制復(fù)雜程度等方面，對3 種方案進(jìn)行了詳細(xì)的對比。最后得出3 橋臂MRPC 的優(yōu)勢，并通過RT-LAB 實(shí)時仿真驗(yàn)證了3 橋臂MRPC 的補(bǔ)償效果。

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