采用mmc-rpc治理牵引供电系统负序和谐波的pir控制策略

华东交通大学电气与电子工程学院、国网智能电网研究院的研究人员宋平岗、林家通、李云丰、吴继珍、文发,在2017年第12期《电工技术学报》上撰文,为综合治理铁路牵引变压器的负序、无功、谐波问题,设计了基于模块化多电平换流器的铁路功率调节器(mmc-rpc)。

华东交通大学电气与电子工程学院、国网智能电网研究院的研究人员宋平岗、林家通、李云丰、吴继珍、文发,在2017年第12期《电工技术学报》上撰文,为综合治理铁路牵引变压器的负序、无功、谐波问题,设计了基于模块化多电平换流器的铁路功率调节器(mmc-rpc)。

首先设计了频率自适应功率分离器,并从功率角度分析了scott牵引变压器(stt)牵引供电系统综合治理的补偿量;然后在构造虚拟正交分量后建立了单相mmc数学模型,在同步旋转坐标系下分析机车谐波电流的特性,指出单相奇次谐波电流在dq坐标系下都以4的倍数次波动;最后提出了需要更少的谐振控制器数量的比例-积分-谐振控制策略。在matlab中搭建mmc-rpc仿真模型进行仿真,结果证明了所提控制策略有效性。

由于铁路的单相供电方式和不同供电区间的负载不同,三相系统存在较大的负序电流[1,2]。另外,机车运行在消耗大量无功功率同时向牵引系统中注入大量谐波[3,4]。我国电气化铁路的高速化和重载化发展,对铁路牵引电力系统的影响逐渐增大。

为解决铁路牵引系统的负序电流问题,补偿无功功率,抑制机车带来的谐波问题,日本学者在1993年提出了铁路功率调节器(railway staticpower conditioner, rpc)[2]。传统rpc采用两个两电平的电压源型换流器(voltage sourceconverter, vsc)背靠背连接,通过降压变压器后分别接入两侧牵引供电臂[5],传统vsc电压水平低,限制了rpc的容量,同时降压变压器占地面积大、成本较高,限制了其推广应用。

2003年德国学者提出的模块化多电平换流器(modular multilevel converter, mmc)是一种新型vsc。有学者提出采用两个单相h桥mmc(single phaseh-bridge mmc, sph-mmc)背靠背连接构造新型的rpc(mmc-rpc)[6-8],不仅可以实现传统rpc的所有功能,还可以通过增加级联模块数提高电压水平,直接接入牵引网,省去降压变压器,同时具有输出波形质量好等优点,无需滤波装置。

传统的rpc通常采用滞环比较的方法跟踪电流实现牵引电网的综合治理[5],但对于mmc拓扑来说由于是子模块级联方式,因此无法采用滞环比较的方法。目前,对于mmc控制比较流行的方法是在同步旋转坐标系下采用双闭环比例积分(proportionalintegral, pi)控制,即内环采用定电流解耦控制,外环采用定电压或定功率控制。

该方法具有较好的控制效果与响应速度[9,10],但因pi控制器无法控制交流分量,所以双闭环pi控制无法跟踪机车负载的谐波电流。为解决跟踪问题,有学者提出并联谐振控制器(resonantcontroller, rc)构建比例积分谐振(proportional integral resonant,pir)控制器跟踪多倍频波电压或电流波动。为避免电网电压不平衡和电力谐波对双馈感应发电机(doubly-fedinduction generator, dfig)的负面影响,有学者提出采用pir控制器抑制dfig的转矩和功率多倍频波动[11,12],或者分别对正、负分量采用pir控制[13],令dfig达到较优的运行效果,但因dfig和mmc的结构不同,其控制策略无法直接应用于mmc控制。

文献[14,15]将pir控制器应用于抑制mmc桥臂的二倍频环流,取得较为明显的效果,但因为环流仅作用在mmc换流器内部,而mmc-rpc需要向牵引网主动注入的机车谐波电流相位相反的电流,所以环流抑制的控制策略无法直接应用。文献[11-15]都是针对三相系统而设计pir控制策略,而针对sph-mmc设计pir控制策略的相关文献较少,采用pir控制策略用来抑制牵引网上谐波电流的控制方式也较少。

本文以scott牵引变压器(scott tractiontransformer, stt)供电系统为例,从功率角度分析stt的补偿量,并设计频率自适应提取负载的基波、谐波功率方法。构造虚拟sph-mmc的正交分量,在dq坐标系下建立数学模型。分析单相谐波电流在dq坐标系下的特性,并指出3、5、7、9次谐波电路中dq坐标下调制成4、8次波动,减小一半的谐振控制器,并采用频率自适应的pir内环控制器以满足电流完全跟踪和补偿。最后在matlab/simulink中建立仿真模型并验证mmc-rpc的作用以及控制策略有效性。

图4 mmc-rpc控制系统框图

结论

1)用mmc拓扑换流器背靠背构建rpc,应用于stt的补偿,可有效地完成负序电流、无功补偿与谐波电流的综合治理。

2)本文设计的功率分离器,能有效地分离出负载的基波、谐波的功率,并从功率角度分析scott补偿量,准确为mmc-rpc提供精确的综合治理的补偿参考值。

3)本文提出的频率自适应pir控制器能有效地跟适应频率变化,并跟踪补偿多倍频谐波电流;稳定直流电压控制策略保证了直流段稳定。同时在潮流逆转的复杂情况下能在一个周期内完成调整,说明该控制策略具有较快的动态响应特性。

仿真结果证明了将mmc-rpc拓扑结构应用于铁路牵引供电系统综合治理的可行性,以及本文所提补偿量检测方法及pir控制策略有效性。