基于MMC的RPC環流抑制策略

楊欣

摘要：RPC能夠對電氣化鐵路中產生的負序和無功進行就地綜合補償，適用于對高速鐵路突出的負序和諧波問題進行綜合治理，但RPC受到器件性能的限制難以增大其容量從而影響RPC未來的發展。針對這一問題，有學者提出基于單相MMC的RPC綜合補償裝置（MRPC），MRPC提高了應用的電壓等級，有利于適應高壓大功率場合。但MRPC中的環流增大了系統損耗，影響了系統穩定，嚴重時可能導致系統崩潰。針對這一問題，本文詳細推導了MRPC的數學模型；分析了環流形成的機理；最后提出了一種環流抑制策略。仿真結果表明，所提出的控制策略可以抑制MRPC中的環流改善其的控制性能，有利于MRPC的實際應用。

關鍵詞：MMC；RPC；環流

中圖分類號：TM761文獻標識碼：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

我國的電氣化鐵路發展迅速，在國家鐵路的“十二五”發展規劃中我國電氣化鐵路里程將達到7萬km以上。然而電氣化鐵路由于其供電方式和牽引負荷的不對稱性，導致其產生大量的負序電流，降低了電力系統的供電質量，影響電力系統的安全和經濟運行。因此必須對電氣化鐵路的負序、諧波和無功等電能質量問題采取有效的措施進行治理[1-3]。為有效減少電氣化鐵路對電網電能質量的影響，國內外采用的補償裝置主要有投切電容器、靜止無功補償裝置（Static Var Compensator， SVC）、有源電力濾波器（Active power filter，APF）、鐵路功率調節器（Railway static power conditioner， RPC）等[4-6]。RPC能夠對負序、諧波和無功進行就地綜合補償，適用于對高速鐵路突出的負序和諧波問題進行綜合治理，是目前使用較多的補償裝置[7-8]。

隨著電氣化鐵路系統規模的擴大，補償裝置的容量和電壓等級也越來越高，RPC往高壓大功率方向發展成為一種必然趨勢。但常規的RPC受到開關器件的制約，容量難以增大。而RPC借助MMC比較容易實現高壓大功率化的特性組成新拓撲MRPC。MRPC適應高壓大功率場合，且具有開關損耗少，輸出波形諧波含量低等優點，但MRPC中含有的環流增大了系統損耗，影響裝置的性能。針對這一問題，本文在推導MRPC的數學模型的基礎上分析了環流形成的機理，提出了一種環流抑制策略。最后通過仿真驗證了所提方法的有效性和正確性。

2MRPC環流分析

2.1MRPC的電路結構

圖1為V/v牽引變壓器下的MRPC補償系統，電網側是220KV的三相電，經V/v變壓器后成為兩27.5KV的單相電（設其左右端分別為a、b端）。牽引側連接牽引機車和MRPC。MRPC為背靠背結構，通過直流母線連接兩個為單相全橋結構的模塊化多電平換流器（MMC）。

模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter，MMC）的橋臂不是由多個開關器件直接串聯構成的，而是采用了子模塊（SubModule，SM）級聯的方式。MMC的子模塊一般采用半H橋結構，如圖2所示。其中Uc為子模塊電容電壓，Usm為子模塊端口電壓。根據上下開關管T1和T2的通斷，子模塊端口電壓有0和Uc兩種情況。

圖2模塊化多電平換流器（MMC）的基本結構

MMC的每個橋臂由N個子模塊和一個串聯電抗L0組成，同相的上下兩橋臂構成一個相單元，如圖2所示。MMC同一相中導通的子模塊數恒為N，這樣可以保證直流側電壓的恒定。MMC的端口電壓隨上下橋臂導通的子模塊數不同而變化。

MRPC可控制為受控電壓源，能夠實現網側A、B相間有功功率的雙向流動，并且能進行諧波抑制和無功補償，因此該裝置能進行高速鐵路的負序和諧波補償。

定義圖1中的左側供電臂為a相，右側供電臂為b相供電臂。設供電臂上功率因數為1，暫不考慮諧波，以網側A相電壓為基準，可以得出一般情況下RPC兩變流器在兩供電臂電壓側的負序補償電流[9]：

MRPC中含有的環流交流分量是可以消除的，在啟動環流抑制策略后，如圖7所示，MRPC中的環流交流分量被抑制削弱，幾乎消失。此時，子模塊的電壓波動減少；直流側電壓波動減少，并且更為規律；橋臂電流畸變減少；而交流側電流保持不變。

（a）子模塊電壓

（b） 直流側電壓

（c） 橋臂電流

（d）環流交流分量

（e）交流側電流

5結論

本文結合MRPC的電路結構和工作特點，推導出了MRPC的環流模型，在此基礎上，提出了MRPC的環流抑制策略，仿真結果表明該方法能夠顯著抑制MRPC的環流二倍頻分量，并且能夠有效降低子模塊功率波動，提高其電壓波形質量。

同時，原理較為簡單，易于工程實現控制系統設計。

參考文獻

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