MMC的牽引網(wǎng)諧波和負(fù)序綜合治理技術(shù)研究

馮哲

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)軌道交通的很多核心技術(shù)已經(jīng)位于世界前列，但是在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中仍然存在很多問(wèn)題亟待解決。針對(duì)這些問(wèn)題，本文主要分析了牽引網(wǎng)諧波和負(fù)序傳播特性、MMC工作原理、MMC的牽引網(wǎng)諧波和負(fù)序綜合治理關(guān)鍵技術(shù)，希望對(duì)解決相關(guān)問(wèn)題有一定的借鑒性意義。

關(guān)鍵詞：MMC；牽引網(wǎng)諧波；負(fù)序綜合治理技術(shù)

中圖分類號(hào)：U223.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）20-0159-02

由于鐵路運(yùn)輸?shù)哪芎牡?、?duì)環(huán)境的污染較小，與其它交通運(yùn)輸方式相比，價(jià)格相對(duì)低廉，是廣受人們歡迎的綠色交通方式。近年來(lái)，我國(guó)在軌道交通方面的技術(shù)得到飛速發(fā)展，有些核心技術(shù)甚至走到了國(guó)外，就鐵路運(yùn)輸來(lái)說(shuō)，其機(jī)車運(yùn)行密度及單機(jī)功率均處于世界前列。但是仍然存在著很多問(wèn)題亟待解決，如電氣化鐵路在快速發(fā)展，但是國(guó)家電網(wǎng)卻跟不上電氣化鐵路的發(fā)展速度，使得電能治理問(wèn)題凸顯。另外，由于近年來(lái)交-直-交電力機(jī)車的廣泛應(yīng)用，使得負(fù)序電流和寬領(lǐng)域諧波成為經(jīng)常出問(wèn)題的地方。因此，在MMC基礎(chǔ)上研究牽引網(wǎng)諧波和負(fù)序綜合治理技術(shù)具有重要意義。

1 牽引網(wǎng)諧波和負(fù)序傳播特性分析

對(duì)牽引網(wǎng)的諧波進(jìn)行計(jì)算與測(cè)量是了解牽引網(wǎng)諧波基本性質(zhì)的兩種主要手段，下面主要分析了交-直機(jī)車及交-直-交機(jī)車牽引網(wǎng)諧波和負(fù)序傳播的基本特性及其影響。

1.1 交-直電力機(jī)車電能質(zhì)量特性

當(dāng)前，在我國(guó)軌道交通中使用的電力機(jī)車中，交-直電力機(jī)車是使用的較廣泛的一款電力機(jī)車。由于在交-直電力機(jī)車中運(yùn)用了引流電路，在交-直電力機(jī)車運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的牽引網(wǎng)諧波，這對(duì)電力機(jī)車的正常平穩(wěn)運(yùn)行造成了重要影響。

當(dāng)電力機(jī)車在不同的條件下運(yùn)行時(shí)，由于觸發(fā)角會(huì)隨著條件的改變而相應(yīng)發(fā)生變化，這也會(huì)相應(yīng)引起電力機(jī)車的電流隨之發(fā)生波動(dòng)，這對(duì)電力機(jī)車內(nèi)的牽引網(wǎng)諧波都有一定程度的影響。譬如當(dāng)電力機(jī)車承載較重的重量運(yùn)行時(shí)，會(huì)造成電力機(jī)車的觸發(fā)角隨之表達(dá)，造成牽引網(wǎng)諧波的不規(guī)律運(yùn)動(dòng)，不利于電力機(jī)車的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

1.2 交-直-交電力機(jī)車電能質(zhì)量特性

相對(duì)交-直電力機(jī)車來(lái)說(shuō)，交-直-交電力機(jī)車有很多優(yōu)勢(shì)，是建立在交-直電力機(jī)車基礎(chǔ)上的發(fā)展。目前，我國(guó)軌道交通中使用的電力機(jī)車類型大多是交-直-交這種類型，它也正在以其巨大的優(yōu)越性逐漸代替交-直電力機(jī)車。交-直-交電力機(jī)車主要采用了多種抑制諧波的領(lǐng)先控制技術(shù)并安裝了濾波裝置，正因?yàn)檫@樣，交-直-交電力機(jī)車能夠有效控制來(lái)自電路中產(chǎn)生的諧波，從而起到協(xié)調(diào)控制電流的作用。

2 MMC工作原理

為了有效治理鐵路運(yùn)輸電力系統(tǒng)中電力牽引機(jī)的負(fù)序電流及寬領(lǐng)域諧波問(wèn)題，就需要適當(dāng)擴(kuò)大RPC的裝置容量，一般的使用兩個(gè)電平交流器不僅需要通過(guò)設(shè)置控制開(kāi)關(guān)的串、并聯(lián)來(lái)促進(jìn)其功能的實(shí)現(xiàn)，而且還要運(yùn)用到多重化的變壓器，這樣一來(lái)，就會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)用電設(shè)備占地大、損耗高，而且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，技術(shù)工人操作較困難。為了更好地適應(yīng)實(shí)際工作的需要，就需要應(yīng)用到MMC，MMC能夠快速實(shí)現(xiàn)低壓器件在高壓系統(tǒng)內(nèi)的應(yīng)用，從而有效解決高壓系統(tǒng)高功率傳輸?shù)膯?wèn)題。

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

電路結(jié)構(gòu)中的Ls表示交流側(cè)的交流電感，Rs表示電網(wǎng)一側(cè)的電阻，用來(lái)控制電壓，字母O表示公共直流母線正負(fù)極中間可供參考的中點(diǎn)。在MMC下電路的每一相都可以分成上橋臂和下橋臂兩個(gè)主要的部分。每個(gè)橋臂又有許多單個(gè)的子模塊構(gòu)成。上橋臂和下橋臂之間的電流是相互聯(lián)系的，可以從中輸入輸出電流，從而保證整個(gè)電路結(jié)構(gòu)順暢運(yùn)行。在建立單相MMC電路結(jié)構(gòu)圖時(shí)需要注意，上下橋臂具體應(yīng)該由多少個(gè)子模塊構(gòu)成，需要根據(jù)實(shí)際需要規(guī)劃設(shè)計(jì)。

MMC功率的基本單元也是上下橋臂的子模塊，多個(gè)子模塊就能構(gòu)成一個(gè)橋臂。MMC功率單元主要由一個(gè)IGBT半橋和一個(gè)C0組成。MMC功率單元一般都會(huì)有0、E兩種電平，用基本單位的功率電壓來(lái)支撐母線的總電壓。

2.2 工作原理

基于MMC的電路結(jié)構(gòu)中，每一相電路的基本工作原理是相同的。因此，本文在分析MMC的工作原理時(shí)，只選取其中一相電路分析即可，其它電路的工作原理與此相電路工作原理以此類推，這里不再贅述。j相是MMC電路的其中一相電路。在上下橋臂中，當(dāng)電源開(kāi)關(guān)處于開(kāi)的狀態(tài)，那么就會(huì)有直流電流分量經(jīng)由電路的上下橋臂，這里將直流電流分量定義為橋臂內(nèi)部的環(huán)流，該環(huán)流僅限于在上下橋臂的內(nèi)部流動(dòng)。這里將上橋臂的電流定義為ipj、下橋臂電流定義為iNj，環(huán)流定義為iZj，交流輸出電流定義為iSj，ispj、isNJ共同構(gòu)成了isj，其中ispj表示上橋臂的分流電量，isNJ表示下橋臂的分流電量。事實(shí)上，上橋臂電流與下橋臂電流之間的電流分量的差值是固定不變的，又由于建立在MMC基礎(chǔ)上的電路結(jié)構(gòu)具有一定的對(duì)稱性，這就使得在上橋臂和下橋臂之間的等效阻抗值近似相等，這就說(shuō)明上橋臂和下橋臂的電流是互相感應(yīng)的，并且上下橋臂之間的互感電流還能夠等效到交流之路。

從以上分析可知，基于MMC基礎(chǔ)的電路結(jié)構(gòu)支持電流的雙向流動(dòng)，并且輸出的功率可以通過(guò)人工設(shè)定確定的數(shù)值范圍來(lái)加以控制，從而可以有效實(shí)現(xiàn)功率調(diào)節(jié)的目的。

3 MMC的牽引網(wǎng)諧波和負(fù)序綜合治理關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 負(fù)序及無(wú)功電流檢測(cè)方法

建立在MMC基礎(chǔ)上的電路結(jié)構(gòu)設(shè)置有專門的MRPC裝置，對(duì)于MRPC裝置來(lái)說(shuō)，對(duì)運(yùn)行于其中的電流進(jìn)行檢測(cè)和計(jì)算的方法與以往的有源濾波裝置存在非常多相似的地方。在MRPC裝置中的運(yùn)用較多的電流檢測(cè)方式即是無(wú)功檢測(cè)法，這種方法實(shí)際上就是借鑒濾波裝置中的方式。有源濾波器相比以往設(shè)置較簡(jiǎn)單的濾波器來(lái)說(shuō)，不僅檢測(cè)電流的效率高，而且能夠?qū)崿F(xiàn)電流的跟蹤檢測(cè)，另外，有源濾波器檢測(cè)電流的速度要比傳統(tǒng)的濾波器要快得多。由于單相電路結(jié)構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)單在運(yùn)行的過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致很多質(zhì)量問(wèn)題的出現(xiàn)，如當(dāng)電力機(jī)車承受的重量超過(guò)機(jī)車本身承受的范圍時(shí)，就會(huì)影響到電力系統(tǒng)的電力質(zhì)量，因此多使用單相有源濾波器，當(dāng)然也有三相電路結(jié)構(gòu)。單相有源濾波器和三相電路結(jié)構(gòu)的基本工作原理相似，對(duì)其控制較困難的地方都在于如何提取負(fù)載電流中的無(wú)功分量和諧波分量，從而為控制系統(tǒng)提供較準(zhǔn)確的補(bǔ)償信號(hào)。

3.2 橋臂環(huán)流抑制策略

MRPC裝置的環(huán)流是上橋臂和下橋臂用于能量交換以及實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電流電壓的有效控制的重要載體。雖然環(huán)流能夠有效實(shí)現(xiàn)橋臂之間的能量交換，但是環(huán)流分量會(huì)造成整個(gè)電路結(jié)構(gòu)的電流不穩(wěn)定，這就相應(yīng)地需要在控制開(kāi)關(guān)處有效抑制橋臂環(huán)流。主要的橋臂環(huán)流抑制策略有兩種，一種方法是是使用通用的環(huán)流抑制策略，主要是通過(guò)計(jì)算出橋臂的電流計(jì)算出該橋臂所在相的環(huán)流，由于環(huán)流中含有一定的電流分量，需要通過(guò)有效的濾波器加以有效濾出。在濾出電流分量后再計(jì)算出該相電感上的環(huán)流壓降，但由于環(huán)流中的電流變化波動(dòng)速度較快會(huì)造成微分的結(jié)果偏大，因此需要再次使用過(guò)濾裝置來(lái)達(dá)到有效抑制橋臂環(huán)流的目的。另一種方法就是建立在PR調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上來(lái)實(shí)現(xiàn)控制橋臂環(huán)流的目的。第一種方法當(dāng)橋臂環(huán)流較小時(shí)控制橋臂環(huán)流的整體效果也較差。而建立在PR調(diào)節(jié)器基礎(chǔ)上的橋臂環(huán)流抑制策略能夠采用PR閉環(huán)的設(shè)置避免環(huán)流較小時(shí)也有較好的橋臂環(huán)流抑制效果。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在MMC基礎(chǔ)上應(yīng)用牽引網(wǎng)諧波和負(fù)序綜合治理技術(shù)能夠有效解決負(fù)序電流和寬領(lǐng)域諧波的問(wèn)題。MMC能夠快速實(shí)現(xiàn)低壓器件在高壓系統(tǒng)內(nèi)的應(yīng)用，從而有效解決高壓系統(tǒng)高功率傳輸?shù)膯?wèn)題。MMC的牽引網(wǎng)諧波和負(fù)序綜合治理關(guān)鍵技術(shù)主要包括負(fù)序及無(wú)功電流檢測(cè)方法、橋臂環(huán)流抑制策略等。

參考文獻(xiàn)

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