基于MMC的RPC环流抑制策略

杨欣

摘要：RPC能够对电气化铁路中产生的负序和无功进行就地综合补偿，适用于对高速铁路突出的负序和谐波问题进行综合治理，但RPC受到器件性能的限制难以增大其容量从而影响RPC未来的发展。针对这一问题，有学者提出基于单相MMC的RPC综合补偿装置（MRPC），MRPC提高了应用的电压等级，有利于适应高压大功率场合。但MRPC中的环流增大了系统损耗，影响了系统稳定，严重时可能导致系统崩溃。针对这一问题，本文详细推导了MRPC的数学模型；分析了环流形成的机理；最后提出了一种环流抑制策略。仿真结果表明，所提出的控制策略可以抑制MRPC中的环流改善其的控制性能，有利于MRPC的实际应用。

关键词：MMC；RPC；环流

中图分类号：TM761文献标识码：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

我国的电气化铁路发展迅速，在国家铁路的“十二五”发展规划中我国电气化铁路里程将达到7万km以上。然而电气化铁路由于其供电方式和牵引负荷的不对称性，导致其产生大量的负序电流，降低了电力系统的供电质量，影响电力系统的安全和经济运行。因此必须对电气化铁路的负序、谐波和无功等电能质量问题采取有效的措施进行治理[1-3]。为有效减少电气化铁路对电网电能质量的影响，国内外采用的补偿装置主要有投切电容器、静止无功补偿装置（Static Var Compensator， SVC）、有源电力滤波器（Active power filter，APF）、铁路功率调节器（Railway static power conditioner， RPC）等[4-6]。RPC能够对负序、谐波和无功进行就地综合补偿，适用于对高速铁路突出的负序和谐波问题进行综合治理，是目前使用较多的补偿装置[7-8]。

随着电气化铁路系统规模的扩大，补偿装置的容量和电压等级也越来越高，RPC往高压大功率方向发展成为一种必然趋势。但常规的RPC受到开关器件的制约，容量难以增大。而RPC借助MMC比较容易实现高压大功率化的特性组成新拓扑MRPC。MRPC适应高压大功率场合，且具有开关损耗少，输出波形谐波含量低等优点，但MRPC中含有的环流增大了系统损耗，影响装置的性能。针对这一问题，本文在推导MRPC的数学模型的基础上分析了环流形成的机理，提出了一种环流抑制策略。最后通过仿真验证了所提方法的有效性和正确性。

2MRPC环流分析

2.1MRPC的电路结构

图1为V/v牵引变压器下的MRPC补偿系统，电网侧是220KV的三相电，经V/v变压器后成为两27.5KV的单相电（设其左右端分别为a、b端）。牵引侧连接牵引机车和MRPC。MRPC为背靠背结构，通过直流母线连接两个为单相全桥结构的模块化多电平换流器（MMC）。

模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）的桥臂不是由多个开关器件直接串联构成的，而是采用了子模块（SubModule，SM）级联的方式。MMC的子模块一般采用半H桥结构，如图2所示。其中Uc为子模块电容电压，Usm为子模块端口电压。根据上下开关管T1和T2的通断，子模块端口电压有0和Uc两种情况。

图2模块化多电平换流器（MMC）的基本结构

MMC的每个桥臂由N个子模块和一个串联电抗L0组成，同相的上下两桥臂构成一个相单元，如图2所示。MMC同一相中导通的子模块数恒为N，这样可以保证直流侧电压的恒定。MMC的端口电压随上下桥臂导通的子模块数不同而变化。

MRPC可控制为受控电压源，能够实现网侧A、B相间有功功率的双向流动，并且能进行谐波抑制和无功补偿，因此该装置能进行高速铁路的负序和谐波补偿。

定义图1中的左侧供电臂为a相，右侧供电臂为b相供电臂。设供电臂上功率因数为1，暂不考虑谐波，以网侧A相电压为基准，可以得出一般情况下RPC两变流器在两供电臂电压侧的负序补偿电流[9]：

MRPC中含有的环流交流分量是可以消除的，在启动环流抑制策略后，如图7所示，MRPC中的环流交流分量被抑制削弱，几乎消失。此时，子模块的电压波动减少；直流侧电压波动减少，并且更为规律；桥臂电流畸变减少；而交流侧电流保持不变。

（a）子模块电压

（b） 直流侧电压

（c） 桥臂电流

（d）环流交流分量

（e）交流侧电流

5结论

本文结合MRPC的电路结构和工作特点，推导出了MRPC的环流模型，在此基础上，提出了MRPC的环流抑制策略，仿真结果表明该方法能够显著抑制MRPC的环流二倍频分量，并且能够有效降低子模块功率波动，提高其电压波形质量。

同时，原理较为简单，易于工程实现控制系统设计。

参考文献

[1]马伏军，罗安，吴传平，等.V/V 牵引供电系统中铁路功率调节器的控制方法研究[J].中国电机工程学报，2011，31（13）：63-70.

[2]吴传平，罗安.一种电气化铁路电能质量综合补偿系统[J].中国电机工程学报，2011，26（10）：68-76.

[3]孙卓，朱东起，姜新建.牵引变电所新型电能质量调节器的研究[J].电力系统自动化， 2002， 26（19）： 41-44.

[4]LUO An，FU Qing.Highcapacity hybridpower filter for harmonic suppression and reactive power compensation in the power substation[J].Proceedings of the CSEE，2004，24（9）：115-123.

[5]张定华，桂卫华，王卫安，等.新型电气化铁道电能质量综合补偿系统的研究和工程应用[J].电工技术学报，2009，24（3）：189-194.

[6]赵伟，涂春鸣，罗安，等.适用于电气化铁路的单相注入式混合有源滤波器[J].中国电机工程学报，2008，28（21）：51-56.

[7]UZUKA T，IKEDO S，UEDA K.A static voltage fluctuation compensator for AC electric railway[C].Power Electronics Specialists Conference，Aachen，German，2004.

[8]MORIMOTO H，ANDO M，MOCHINAGA Y，et al.Developmentof railway static power conditioner used at substation for Shinkansen[C].Power Conversion Conference，Osaka，Japan，2002.

[9]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.

[10]管敏渊，徐政.模块化多电平换流器型直流输电的建模与控制[J].电力系统自动化，2010，34（19）：64-68.