MMC的牵引网谐波和负序综合治理技术研究

冯哲

摘 要：随着经济的快速发展，我国轨道交通的很多核心技术已经位于世界前列，但是在实际运行过程中仍然存在很多问题亟待解决。针对这些问题，本文主要分析了牵引网谐波和负序传播特性、MMC工作原理、MMC的牵引网谐波和负序综合治理关键技术，希望对解决相关问题有一定的借鉴性意义。

关键词：MMC；牵引网谐波；负序综合治理技术

中图分类号：U223.6 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）20-0159-02

由于铁路运输的能耗低、对环境的污染较小，与其它交通运输方式相比，价格相对低廉，是广受人们欢迎的绿色交通方式。近年来，我国在轨道交通方面的技术得到飞速发展，有些核心技术甚至走到了国外，就铁路运输来说，其机车运行密度及单机功率均处于世界前列。但是仍然存在着很多问题亟待解决，如电气化铁路在快速发展，但是国家电网却跟不上电气化铁路的发展速度，使得电能治理问题凸显。另外，由于近年来交-直-交电力机车的广泛应用，使得负序电流和宽领域谐波成为经常出问题的地方。因此，在MMC基础上研究牵引网谐波和负序综合治理技术具有重要意义。

1 牵引网谐波和负序传播特性分析

对牵引网的谐波进行计算与测量是了解牵引网谐波基本性质的两种主要手段，下面主要分析了交-直机车及交-直-交机车牵引网谐波和负序传播的基本特性及其影响。

1.1 交-直电力机车电能质量特性

当前，在我国轨道交通中使用的电力机车中，交-直电力机车是使用的较广泛的一款电力机车。由于在交-直电力机车中运用了引流电路，在交-直电力机车运行的过程中会产生大量的牵引网谐波，這对电力机车的正常平稳运行造成了重要影响。

当电力机车在不同的条件下运行时，由于触发角会随着条件的改变而相应发生变化，这也会相应引起电力机车的电流随之发生波动，这对电力机车内的牵引网谐波都有一定程度的影响。譬如当电力机车承载较重的重量运行时，会造成电力机车的触发角随之表达，造成牵引网谐波的不规律运动，不利于电力机车的长期稳定运行。

1.2 交-直-交电力机车电能质量特性

相对交-直电力机车来说，交-直-交电力机车有很多优势，是建立在交-直电力机车基础上的发展。目前，我国轨道交通中使用的电力机车类型大多是交-直-交这种类型，它也正在以其巨大的优越性逐渐代替交-直电力机车。交-直-交电力机车主要采用了多种抑制谐波的领先控制技术并安装了滤波装置，正因为这样，交-直-交电力机车能够有效控制来自电路中产生的谐波，从而起到协调控制电流的作用。

2 MMC工作原理

为了有效治理铁路运输电力系统中电力牵引机的负序电流及宽领域谐波问题，就需要适当扩大RPC的装置容量，一般的使用两个电平交流器不仅需要通过设置控制开关的串、并联来促进其功能的实现，而且还要运用到多重化的变压器，这样一来，就会导致电力系统用电设备占地大、损耗高，而且结构复杂，技术工人操作较困难。为了更好地适应实际工作的需要，就需要应用到MMC，MMC能够快速实现低压器件在高压系统内的应用，从而有效解决高压系统高功率传输的问题。

2.1 拓扑结构

电路结构中的Ls表示交流侧的交流电感，Rs表示电网一侧的电阻，用来控制电压，字母O表示公共直流母线正负极中间可供参考的中点。在MMC下电路的每一相都可以分成上桥臂和下桥臂两个主要的部分。每个桥臂又有许多单个的子模块构成。上桥臂和下桥臂之间的电流是相互联系的，可以从中输入输出电流，从而保证整个电路结构顺畅运行。在建立单相MMC电路结构图时需要注意，上下桥臂具体应该由多少个子模块构成，需要根据实际需要规划设计。

MMC功率的基本单元也是上下桥臂的子模块，多个子模块就能构成一个桥臂。MMC功率单元主要由一个IGBT半桥和一个C0组成。MMC功率单元一般都会有0、E两种电平，用基本单位的功率电压来支撑母线的总电压。

2.2 工作原理

基于MMC的电路结构中，每一相电路的基本工作原理是相同的。因此，本文在分析MMC的工作原理时，只选取其中一相电路分析即可，其它电路的工作原理与此相电路工作原理以此类推，这里不再赘述。j相是MMC电路的其中一相电路。在上下桥臂中，当电源开关处于开的状态，那么就会有直流电流分量经由电路的上下桥臂，这里将直流电流分量定义为桥臂内部的环流，该环流仅限于在上下桥臂的内部流动。这里将上桥臂的电流定义为ipj、下桥臂电流定义为iNj，环流定义为iZj，交流输出电流定义为iSj，ispj、isNJ共同构成了isj，其中ispj表示上桥臂的分流电量，isNJ表示下桥臂的分流电量。事实上，上桥臂电流与下桥臂电流之间的电流分量的差值是固定不变的，又由于建立在MMC基础上的电路结构具有一定的对称性，这就使得在上桥臂和下桥臂之间的等效阻抗值近似相等，这就说明上桥臂和下桥臂的电流是互相感应的，并且上下桥臂之间的互感电流还能够等效到交流之路。

从以上分析可知，基于MMC基础的电路结构支持电流的双向流动，并且输出的功率可以通过人工设定确定的数值范围来加以控制，从而可以有效实现功率调节的目的。

3 MMC的牵引网谐波和负序综合治理关键技术分析

3.1 负序及无功电流检测方法

建立在MMC基础上的电路结构设置有专门的MRPC装置，对于MRPC装置来说，对运行于其中的电流进行检测和计算的方法与以往的有源滤波装置存在非常多相似的地方。在MRPC装置中的运用较多的电流检测方式即是无功检测法，这种方法实际上就是借鉴滤波装置中的方式。有源滤波器相比以往设置较简单的滤波器来说，不仅检测电流的效率高，而且能够实现电流的跟踪检测，另外，有源滤波器检测电流的速度要比传统的滤波器要快得多。由于单相电路结构过于简单在运行的过程中会导致很多质量问题的出现，如当电力机车承受的重量超过机车本身承受的范围时，就会影响到电力系统的电力质量，因此多使用单相有源滤波器，当然也有三相电路结构。单相有源滤波器和三相电路结构的基本工作原理相似，对其控制较困难的地方都在于如何提取负载电流中的无功分量和谐波分量，从而为控制系统提供较准确的补偿信号。

3.2 桥臂环流抑制策略

MRPC装置的环流是上桥臂和下桥臂用于能量交换以及实现对直流电流电压的有效控制的重要载体。虽然环流能够有效实现桥臂之间的能量交换，但是环流分量会造成整个电路结构的电流不稳定，这就相应地需要在控制开关处有效抑制桥臂环流。主要的桥臂环流抑制策略有两种，一种方法是是使用通用的环流抑制策略，主要是通过计算出桥臂的电流计算出该桥臂所在相的环流，由于环流中含有一定的电流分量，需要通过有效的滤波器加以有效滤出。在滤出电流分量后再计算出该相电感上的环流压降，但由于环流中的电流变化波动速度较快会造成微分的结果偏大，因此需要再次使用过滤装置来达到有效抑制桥臂环流的目的。另一种方法就是建立在PR调节器的基础上来实现控制桥臂环流的目的。第一种方法当桥臂环流较小时控制桥臂环流的整体效果也较差。而建立在PR调节器基础上的桥臂环流抑制策略能够采用PR闭环的设置避免环流较小时也有较好的桥臂环流抑制效果。

4 结语

综上所述，在MMC基础上应用牵引网谐波和负序综合治理技术能够有效解决负序电流和宽领域谐波的问题。MMC能够快速实现低压器件在高压系统内的应用，从而有效解决高压系统高功率传输的问题。MMC的牵引网谐波和负序综合治理关键技术主要包括负序及无功电流检测方法、桥臂环流抑制策略等。

参考文献

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