基于MMC的RPC環(huán)流抑制策略

楊欣

摘要：RPC能夠?qū)﹄姎饣F路中產(chǎn)生的負(fù)序和無功進(jìn)行就地綜合補(bǔ)償，適用于對(duì)高速鐵路突出的負(fù)序和諧波問題進(jìn)行綜合治理，但RPC受到器件性能的限制難以增大其容量從而影響RPC未來的發(fā)展。針對(duì)這一問題，有學(xué)者提出基于單相MMC的RPC綜合補(bǔ)償裝置（MRPC），MRPC提高了應(yīng)用的電壓等級(jí)，有利于適應(yīng)高壓大功率場(chǎng)合。但MRPC中的環(huán)流增大了系統(tǒng)損耗，影響了系統(tǒng)穩(wěn)定，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。針對(duì)這一問題，本文詳細(xì)推導(dǎo)了MRPC的數(shù)學(xué)模型；分析了環(huán)流形成的機(jī)理；最后提出了一種環(huán)流抑制策略。仿真結(jié)果表明，所提出的控制策略可以抑制MRPC中的環(huán)流改善其的控制性能，有利于MRPC的實(shí)際應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：MMC；RPC；環(huán)流

中圖分類號(hào)：TM761文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：RPC of electrified railway negative sequence and reactive in situ compensation， suitable for comprehensive management of highspeed railway prominent negative sequence harmonic problems， but RPC by limiting device performance to increase its capacity to affect the future development of the RPC. In view of this problem， some scholars put forward a single phase RPC based MMC integrated compensation device （MRPC） to improve the application of the voltage level， which is conducive to the high voltage and high power applications. But the circulation in MRPC increased the system loss， affect the stability of the system， may lead to serious system collapse. To solve this problem， in this paper， the mathematical model of MRPC is deduced in detail； analyzes the mechanism of the circulation； finally put forward a circulation suppression strategy. The simulation results show that the proposed control strategy can restrain the MRPC circulation in the improvement of control performance， is conducive to practical application of MRPC.

Key words：MMC；RPC；circulation

1前言

我國(guó)的電氣化鐵路發(fā)展迅速，在國(guó)家鐵路的“十二五”發(fā)展規(guī)劃中我國(guó)電氣化鐵路里程將達(dá)到7萬km以上。然而電氣化鐵路由于其供電方式和牽引負(fù)荷的不對(duì)稱性，導(dǎo)致其產(chǎn)生大量的負(fù)序電流，降低了電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量，影響電力系統(tǒng)的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。因此必須對(duì)電氣化鐵路的負(fù)序、諧波和無功等電能質(zhì)量問題采取有效的措施進(jìn)行治理[1-3]。為有效減少電氣化鐵路對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響，國(guó)內(nèi)外采用的補(bǔ)償裝置主要有投切電容器、靜止無功補(bǔ)償裝置（Static Var Compensator， SVC）、有源電力濾波器（Active power filter，APF）、鐵路功率調(diào)節(jié)器（Railway static power conditioner， RPC）等[4-6]。RPC能夠?qū)ω?fù)序、諧波和無功進(jìn)行就地綜合補(bǔ)償，適用于對(duì)高速鐵路突出的負(fù)序和諧波問題進(jìn)行綜合治理，是目前使用較多的補(bǔ)償裝置[7-8]。

隨著電氣化鐵路系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大，補(bǔ)償裝置的容量和電壓等級(jí)也越來越高，RPC往高壓大功率方向發(fā)展成為一種必然趨勢(shì)。但常規(guī)的RPC受到開關(guān)器件的制約，容量難以增大。而RPC借助MMC比較容易實(shí)現(xiàn)高壓大功率化的特性組成新拓?fù)銶RPC。MRPC適應(yīng)高壓大功率場(chǎng)合，且具有開關(guān)損耗少，輸出波形諧波含量低等優(yōu)點(diǎn)，但MRPC中含有的環(huán)流增大了系統(tǒng)損耗，影響裝置的性能。針對(duì)這一問題，本文在推導(dǎo)MRPC的數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上分析了環(huán)流形成的機(jī)理，提出了一種環(huán)流抑制策略。最后通過仿真驗(yàn)證了所提方法的有效性和正確性。

2MRPC環(huán)流分析

2.1MRPC的電路結(jié)構(gòu)

圖1為V/v牽引變壓器下的MRPC補(bǔ)償系統(tǒng)，電網(wǎng)側(cè)是220KV的三相電，經(jīng)V/v變壓器后成為兩27.5KV的單相電（設(shè)其左右端分別為a、b端）。牽引側(cè)連接牽引機(jī)車和MRPC。MRPC為背靠背結(jié)構(gòu)，通過直流母線連接兩個(gè)為單相全橋結(jié)構(gòu)的模塊化多電平換流器（MMC）。

模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter，MMC）的橋臂不是由多個(gè)開關(guān)器件直接串聯(lián)構(gòu)成的，而是采用了子模塊（SubModule，SM）級(jí)聯(lián)的方式。MMC的子模塊一般采用半H橋結(jié)構(gòu)，如圖2所示。其中Uc為子模塊電容電壓，Usm為子模塊端口電壓。根據(jù)上下開關(guān)管T1和T2的通斷，子模塊端口電壓有0和Uc兩種情況。

圖2模塊化多電平換流器（MMC）的基本結(jié)構(gòu)

MMC的每個(gè)橋臂由N個(gè)子模塊和一個(gè)串聯(lián)電抗L0組成，同相的上下兩橋臂構(gòu)成一個(gè)相單元，如圖2所示。MMC同一相中導(dǎo)通的子模塊數(shù)恒為N，這樣可以保證直流側(cè)電壓的恒定。MMC的端口電壓隨上下橋臂導(dǎo)通的子模塊數(shù)不同而變化。

MRPC可控制為受控電壓源，能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)側(cè)A、B相間有功功率的雙向流動(dòng)，并且能進(jìn)行諧波抑制和無功補(bǔ)償，因此該裝置能進(jìn)行高速鐵路的負(fù)序和諧波補(bǔ)償。

定義圖1中的左側(cè)供電臂為a相，右側(cè)供電臂為b相供電臂。設(shè)供電臂上功率因數(shù)為1，暫不考慮諧波，以網(wǎng)側(cè)A相電壓為基準(zhǔn)，可以得出一般情況下RPC兩變流器在兩供電臂電壓側(cè)的負(fù)序補(bǔ)償電流[9]：

MRPC中含有的環(huán)流交流分量是可以消除的，在啟動(dòng)環(huán)流抑制策略后，如圖7所示，MRPC中的環(huán)流交流分量被抑制削弱，幾乎消失。此時(shí)，子模塊的電壓波動(dòng)減少；直流側(cè)電壓波動(dòng)減少，并且更為規(guī)律；橋臂電流畸變減少；而交流側(cè)電流保持不變。

（a）子模塊電壓

（b） 直流側(cè)電壓

（c） 橋臂電流

（d）環(huán)流交流分量

（e）交流側(cè)電流

5結(jié)論

本文結(jié)合MRPC的電路結(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)，推導(dǎo)出了MRPC的環(huán)流模型，在此基礎(chǔ)上，提出了MRPC的環(huán)流抑制策略，仿真結(jié)果表明該方法能夠顯著抑制MRPC的環(huán)流二倍頻分量，并且能夠有效降低子模塊功率波動(dòng)，提高其電壓波形質(zhì)量。

同時(shí)，原理較為簡(jiǎn)單，易于工程實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

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