基于MATLAB/Simulink的新型直挂式牵引供电补偿装置的建模仿真

黄铂，苏智勇，原阳，陈嵩，郑琦

(国网郑州供电公司，河南 郑州 450000)

0 引言

电力机车类负荷具有不对称性和波动性，以及功率因数较低等特点，其运行过程中将产生波动的负序和无功电流，随着越来越多的大功率，高速度机车上路运行，大量的负序无功电流注入电网将进一步加重了供电负担，降低电能质量。同时将导致一系列影响供电安全可靠性的不良后果，例如旋转电机转子发热，继电保护装置误动，补偿电容高频过电压，通信装置受到干扰等［1］。

传统上通过改进牵引供电方式来治理负序电流，但无法从根本上解决问题，随着电力电子技术的发展，有源补偿装置在牵引供电系统中表现出了广阔的前景，其中STATCOM，RPC等在某些地区已经投入使用，并发挥了显著的作用，但由于电力电子元件耐压等级的限制，补偿装置需通过降压变压器才能与牵引变相连，随之而来的成本的增加限制了此类装置的推广使用。

本文提出了一种基于模块组合结构的直挂式补偿装置，相比于传统结构的STATCOM，它省却了降压变压器。相比于背靠背结构的RPC装置，本装置三桥臂的结构节省了电力电子元件，进一步降低了成本［2］。

1 新型装置的拓扑结构及补偿原理

以牵引供电系统常用的是V/V接线为例(如图1所示)，分析一下本文提出的补偿装置的原理。 三 相110kV系统电压经过V/V变压器变换成两个电压等级为27.5 kV 的单相电压为α，β两供电臂的机车供电。装置的三个桥臂通过联结电抗器接在V/V变压器副边，α，β，N三个点。该装置通过公共的直流母线将三相不平衡的有功功率转移至均衡，实现负序补偿的效果，同时输出相应的无功电流以补偿机车消耗的无功，由于铁路供电高压侧为三相三线制的系统，因此负荷电流中不含零序分量，故完全补偿达到的效果应该是系统侧电流仅含有三相对称基频正序有功分量以驱动电力机车做功［3］。

图1 V/V接线方式及补偿装置连接原理图

补偿装置采用2002年由德国联邦国防军大学提出的模块组合多电平结构(Modular Multilevel Converter，简称MMC)，如图2b所示，将电容与开关器件整合为一个子模块，然后通过子模块的串联形成如图2a所示的变流器，这样的结构使得逆变器的大容量多重化容易实现，同时可扩展到较高的电压等级，省却了联结变压器，降低了成本。子模块的投入和退出状态叠加可形成逼近正弦波形的多电平输出电压，减轻了波形畸变，降低了对电网的影响［4］。

图2 补偿装置结构原理图

2 数学模型及控制策略

文献［5］提出了SCOTT接线系统中“虚拟三相”的定义，实现了相应分量的提取和控制。MMC装置的直流母线没有中性点，基于此中性点悬浮的情况可将“虚拟三相”对应移植到V/V接线系统下(见图3)。

图3 虚拟中性点及虚拟三相原理图

2.1 数学模型

由图4单相MMC与系统连接的等效电路可知，MMC输出电压VO与系统电压VS间有如下关系

图4 单相MMC等效原理图

MMC的输出电压通过一个电抗(电阻忽略)与系统相连，在系统电压恒定的情况下，由控制MMC的输出电压实现连接点对系统注入电流的改变，进而实现对特定电流分量的补偿［7］。

2.2 控制策略

该装置为电流源型器件，通过对其输出电流的控制实现对负荷电流中负序分量及无功分量的补偿，补偿分量的提取计算可采用基于三相对称旋转坐标的算法，同时考虑到直流母线稳压和子模块电容电压均压问题，设计如下所示的参考指令提取环节和补偿装置控制环节(见图5、图6)。

图5 补偿指令提取环节框图 图6 补偿装置控制环节框图

图5中公式(1)为:

图5中公式(2)为公式(1)的反变换，表达式为:

3 仿真验证

本文在MATLAB/Simulink中建立了V/V变压器下三相十五电平补偿装置的仿真模型，如图7所示，三相系统通过V/V变压器形成两个供电臂，负荷接入在AC，BC相之间，图中，三相电源参数为:系统线电压为110 kV，V/V变压器副边电压为27.5 kV，MMC直流母线电压为65 kV，载波频率为5 kHz。

图7 基于MATLAB/Simulink的仿真模型示意图

为了考察补偿装置的负序及无功补偿性能，设置了在相应的动态负荷，负荷在0 s时出现在b，c相间，视在功率为20 MVA，功率因数为0.8，负荷出现0.05 s后，投入补偿装置。在0.15 s时，负荷由b，c相间变换至a，c相间，负荷性质为纯阻性负荷，功率变为20 MW。

由图8可看出，装置未投入而不平衡负荷存在时，系统电流中仅存在不平衡电流，在装置投入后，系统电流迅速变化为接近三相对称的波形。在0.15 s负荷发生变化时，补偿装置的存在使得系统电流在经历了1.5个周波的过渡过程后达到三相对称的状态。经计算得在装置投入后，系统电流的不平衡度由100%下降至接近3%，波形的变化反映出该补偿装置具有较高的负序补偿动态性及准确性。

图8 系统电流波形图

由图9的系统电压及电流相位关系可看出，装置投入后，电流及电压波形的相位差接近于0，系统电流中仅有有功分量，说明该装置具有较好的无功补偿性能。

图9 系统电压、电流波形相位图

由于有稳压策略的存在，图10所示的装置的直流母线电压在工作时能够稳定在预先设定的65 kV上下，仅有高频波动分量。

图10 直流母线电压波形图

如图11为MMC型补偿装置某相的上下桥臂模块电容电压，可以看出，由于均压策略的存在，子模块电容电压能够基本保持均衡，保证了补偿装置的正常工作。

图11 某相上下桥臂模块电容电压波形图

4 结束语

本文提出了一种基于模块组合多电平结构的补偿装置，该装置具有省却联结变压器，冗余度高，结构简化，节约成本等优点。同时将“虚拟三相”理论移植到V/V接线下，并借此提出了能够准确检测牵引负荷电流中负序及无功分量的方法，以及适用于本装置的控制策略，稳压策略和均压策略。仿真表明本文提出的装置结构和控制策略有着较好的补偿性能，在牵引供电补偿中有着广阔前景。

［1］李群湛.我国高速铁路牵引供电发展的若干关键技术问题［J］.铁道学报，2010，32(4):119-224.

［2］王果.电气化铁路牵引供电系统综合有源补偿研究［D］.兰州:兰州交通大学，2011.

［3］吴传平，罗安，徐先勇，等.采用V/V变压器的高速铁路牵引供电系统负序和谐波综合补偿方法［J］.中国电机工程学报，2010，30(16):111-117.

［4］王姗姗，周孝信，汤广福，等.模块化多电平电压源换流器的数学模型［J］.中国电机工程学报，2011，31(24):2-8.

［5］戚庆茹，张春朋.一种用于电铁牵引变电站负荷平衡的新型补偿器［J］.现代电力，2012，29(3):38-41.

［6］丁仁杰，刘健，赵玉伟，等.不平衡电路的瞬时功率分析及不对称负荷补偿方法［J］.电工技术学报，2007，22(1):120-124.

［7］MORIMOTO H，ANDO M，MOCHINAGA Y，et al.Development of railway static power conditioner used at substation for Shinkansen［C］.Proceedings of the Power Conversion Conference，Osaka，Japan，2002，3:1108-1111.