高压大容量五电平变换器在RPC中的应用

常非，赵丽平

（1.西南交通大学电气工程学院，成都610031；2.潍坊供电公司，潍坊261021）

高压大容量五电平变换器在RPC中的应用

常非1，2，赵丽平1

（1.西南交通大学电气工程学院，成都610031；2.潍坊供电公司，潍坊261021）

针对电气化铁道电能质量存在的负序、谐波和无功问题，借鉴日本模式，提出了基于新型YNvd平衡变压器的电铁功率调节器RPC（railway static power conditioner）。为了适应牵引负荷高电压、大容量的需求，RPC主要由2个背靠背的单相二极管箝位型五电平电压源变流器构成，可以实现有功平衡、无功补偿和谐波抑制，使得牵引供电系统相对电力系统而言是一个三相对称纯阻性网络。此外还采用一种新颖的辅助稳压电路来解决二极管箝位多电平结构固有的直流侧电容均压问题。最后用Matlab/Simulink仿真验证了该方案的可行性。

电气化铁路；YNvd平衡变压器；RPC；二极管箝位五电平结构；直流侧电容均压；电能质量

负序、无功和谐波一直是电气化铁路牵引供电系统存在的技术难题，为了解决这些问题，国内外进行了大量的研究。日本最先提出了电铁功率调节器RPC（railway static power conditioner），其中新八户变电所采用两电平变流器的四并方案，新沼宫内变电所采用三电平变流器的两并方案。由于受系统容量和电力电子器件发展水平的限制，上述2种方案中的变流器均需采用多组并联的方案[1]。文献[2]提出并分析了一种新型三相-两相YNvd平衡变压器。使用该新型平衡变压器和五电平结构的RPC相结合，能够完全消除负序、动态补偿无功和谐波，是一种较理想的电铁电能质量解决方案。为了适应牵引负荷高电压、大容量的需求，本文提出了基于二极管箝位五电平的RPC拓扑结构，该结构不需并联即可满足牵引供电的大容量需求。

1 基于YNvd和RPC的变电所构成

RPC的基本构成如图1所示。YNvd平衡变压器二次侧的两牵引母线上连接2台单相换流器，并与直流环节相连，即为功率调节器。RPC可实现两臂间有功的平衡、无功的补偿和谐波的抑制，达到电能质量的综合解决。

图1 基于YNvd和RPC的变电所结构Fig.1Substation structrue based on YNvd and RPC

采用YNvd平衡变压器的接线方式如图2所示。其一次侧中性点直接接地，二次侧两相输出电路既完全独立又无互感耦合，一相负荷的任意变化不会影响另一相电压的输出。由于二次侧有形接线绕组提供了三次谐波励磁通路，可较好地改善输出电压波形。

其两侧的电流变换关系为

图2 YNvd平衡变压器Fig.2YNvd balancing transformer

由对称分量法可得

经YNvd平衡变压器的对称变换电力系统侧无零序分量；当两臂负荷电流对称时，可完全消除负序对电力系统侧的影响，从而使系统三相电流对称[2-3]。

2 五电平的RPC结构

图3 五电平的RPC结构Fig.3Five-level RPC structure

五电平RPC结构如图3所示，其由“背靠背”的四象限电压型变流器组成，主电路为二极管箝位型五电平拓扑结构，两端口变流器通过4个直流电容耦合在一起。针对五电平RPC传递有功时造成的直流侧电容不平衡问题，文中采用了一种新颖的辅助稳压电路。

与传统两电平变流器相比，二极管箝位五电平变流器主要有以下3个优点：

（1）每个功率器件所承受的关断电压仅为直流侧电压的1/4，即直流电压可以提高4倍，容量也可以提高4倍；

（2）在同样的开关频率及控制方式下，五电平变流器输出电压或电流的谐波大大小于两电平变流器的，因此其总谐波失真THD远小于两电平变流器；

（3）由于变流器输出电压有9个电平，所以输出电压更接近正弦，谐波含量更小，可以降低开关器件频率，减小开关损耗。

2.1 直流侧电容均压控制

图4给出了二极管钳位多电平逆变器在调制深度和负载电流角度共同影响下的电容电压平衡域[4]。图4表明：负载功率因数越高，对调制深度的限制越大，在极端情况，负载功率因数为1时，五电平逆变器的最大调制比仅为0.55，而在此调制比下，五电平逆变器的线电压由9个电平退化为5个电平。可见，通过调制方法无法实现五电平变流器在正常输出时对直流侧电容的均压控制。

图4 二极管钳位多电平逆变器电容电压平衡域Fig.4Diode-clamped multi-level inverter capacitor voltage balance domain

本文采用一种新型的直流稳压辅助电路。该电路能够在任意功率因数下，特别是在传递有功电流时，实现直流电容的均压与稳压，使得变换器的脉冲宽度调制PWM（pulse width modulation）调制深度不再受直流电压稳定条件的限制，保证在任意调制深度条件下实现有功或无功的传递，且其结构简单，成本低，可靠性强[5]。

该辅助电路箝位在五电平变换器电容侧，t1时刻（即1个PWM周期的前半段）开关管S1、S3、S5、S7导通，C1与Ca1，C2与Ca2，C3与Ca3均形成通路，两两之间可实现相互均压；t2时刻（即PWM周期的后半段）开关管S2、S4、S6、S8导通，C2与Ca1，C3与Ca2，C4与Ca3均形成通路，两两之间也可实现相互均压。可见，在1个PWM周期内C1、C2与Ca1，C2、C3与Ca2，C3、C4与Ca3均实现了能量的交换，故形象地称其为“乒乓工作原理”，如图5所示。经过几个周期能量的“乒乓”交换，即可实现均压。

图5 辅助稳压电路的“乒乓”工作原理Fig.5“Ping pong”principle of auxiliary voltage-stabilizing circuit

3 检测算法

3.1 有功、无功和谐波电流的检测方法

检测框图如图6所示，其详细推导过程如下[6]。

由于α、β两相负载相互独立，故以α相为例，设α相的电压为

α相的负载电流用傅里叶级数展开为

式中，ip，α（t）、iq，α（t）、ih，α（t）分别为有功分量、无功分量和谐波分量。

锁相环检测出与供电臂电压同相位的单位正弦信号，将其与式（4）的负载电流信号相乘，可得到

图6 有功、无功和谐波电流的检测框图Fig.6Block of current detection for active，reactive and harmonic

通过低通滤波器LPF（low pass filter）滤去交流分量之后，只剩下直流分量即α相负载电流有功分量的1/2。

同理，β相负载乘以sin θβ，经过LPF之后，得到

为了维持直流侧电容电压Udc的恒定，算法中包含了检测直流电压的PI控制器。指令电压Udc*与反馈电压Udc之差经PI调节器后得到调节信号将其叠加到两臂有功电流直流分量之和上。再分别乘上锁相环输出的与α、β相电压同相位的单位正弦信号，得到和可实现两臂有功功率的平衡，即

谐波电流值为

α臂的补偿电流为

即实现了有功平衡、无功补偿和谐波抑制。

同理可得β臂的的补偿电流为

综上，通过如图6所示的检测算法，可实现两臂有功平衡、无功补偿和谐波抑制。

4 仿真实验

在Matlab/Simulink下建立仿真模型，仿真参数设置为：电力系统额定电压为110 kV，系统短路容量为1 000 MVA；YNvd平衡变压器变比为110 kV/27.5 kV，容量为10 MVA；隔离变压器变比为k=6.25；直流支撑电容C=0.056 F；直流侧电压为6 600 V；三角载波频率为1 kHz；交流侧电感参数为1 mH；仿真结果如图7～图15所示。

图7 牵引负荷电流波形Fig.7Current waveforms of traction load

图8 补偿电流波形Fig.8Compensation current waveforms

图9 直流侧分压电容波形Fig.9DC side divider capacitor voltage waveforms

图10 直流侧的总电压波形Fig.10Total voltage waveform of DC side

图11 五电平变流器线电压波形Fig.11Output line-voltage waveform of five-level converter

图12 补偿之后YNvd二次侧电流波形Fig.12Current waveforms of Ynvd secondary side with compensation

图13 补偿之前110 kV系统侧电流波形Fig.13Current waveforms of 110 kV power system side without compensation

图14 补偿之后110 kV系统侧电流波形Fig.14Current waveforms of 110 kV power system side with compensation

图15 110kV系统侧电压波形Fig.15Voltagewaveformsof110kVsystemside

图7 、图8分别为α、β供电臂的机车电流iL，α、iL，β和RPC输出的补偿电流ic，α、ic，β。从图9、图10可以看出，直流侧电容实现了均压，说明了该辅助稳压电路的可行性；从图11可以看出，五电平变流器输出线电压具有9个电平，比传统的两电平变流器输出电压更接近正弦，可以有效降低谐波电压；从图12～图14可以看出，补偿之后YNvd二次侧两相电流幅值相等，相位互差90°，两臂负荷电流完全对称，实现了有功的平衡并消除了负序对电力系统侧的影响，从而使原边三相电流对称；对比图14和图15可以看出电力系统侧三相电流对称，并且与电压同相位，功率因数接近于1，谐波畸变率很低，使得牵引供电系统呈现出三相对称纯阻性负载特性，电力系统侧电能质量良好。

5 结论

（1）经仿真验证，文中提出的基于二极管箝位五电平结构的RPC能够适应牵引负荷高电压、大容量的需求，可以实现有功平衡、无功补偿和谐波抑制，使得牵引供电系统相对电力系统而言是一个三相对称纯阻性负载。

（2）五电平变流器输出线电压具有9个电平，比传统的两电平交直交变换器输出电压更接近正弦，可以有效降低谐波电压。

[1]李群湛.电气化铁路电能质量及其综合控制技术[M].成都：西南交通大学出版社，2007.

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关于参数与偏差范围的表示

1.数值范围：五至十可写为5～10；3×103～8×103不能写成3～8×103。

2.百分数范围：20%～30%不能写成20～30%。

3.具有相同单位的量值范围：1.5～3.6 mA不必写成1.5 mA～3.6 mA。

4.偏差范围：（25±1）℃不写成25±1℃；（85±2）%不写成85±2%。

5.带尺寸单位的量值相乘,如50 cm×80 cm×100 cm，不能写50×80×100 cm或50×80× 100 cm3。

摘编于《中国高等学校自然科学学报编排规范》（修订版）

Application of High-voltage Large-capacity Five-level Converter on Railway Static Power Conditioner

CHANG Fei1，2，ZHAO Li-ping1
（1.School of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；2.Weifang Power Supply Company，Weifang 261021，China）

In order to tackle the problems of negative sequence，reactive power and harmonic that caused by traction power supply system，via the experience of Japanese pattern，railway static power conditioner（RPC）is proposed in this paper based on the Novel YNvd balancing transformer.In order to meet high voltage and high capacity requirements of the traction load，RPC is mainly composed of two back-to-back single-phase diode-clamped five-level voltage source converter.It can realize the balance of active power，compensate the reactive power and dampen the harmonic current simultaneously，so it convert the traction power supply system into a three-phase symmetrical pure resistant network.In addition，a novel auxiliary voltage-stabilizing circuit is adopt to solve the inherent problem of DC side capacitance balancing for voltage in diode-clamped multi-level structure.Finally，the simulation of Matlab/ Simulink is uesd to verify the feasibility of the proposed procedure.

electrified railway；YNvd balancing transformer；railway static power conditioner（RPC）；diode-clamped five-level structure；DC side capacitance balancing for voltage；power quality

TM922.3

A

1003-8930（2014）09-0040-06

常非（1986—），男，硕士，助理电气工程师，研究方向为电能质量分析与控制。Email：verymuch_cool@126.com

赵丽平（1973—），女，博士，副教授，研究方向为电能质量分析与控制。Email：lpzhao@swjtu.cn

2012-11-23；

2013-07-23

中央高校基本科研业务费科技创新项目（SWJTU12CX138）