基于MMC和Vv接線的同相牽引供電系統(tǒng)研究

魏光

基于MMC和Vv接線的同相牽引供電系統(tǒng)研究

魏光

(軌道交通工程信息化國家重點實驗室(中鐵一院)，陜西 西安 710043)

為解決電氣化鐵路中存在的以負序為主的電能質(zhì)量問題和變電所出口處的電分相問題，基于模塊化多電平技術和既有Vv接線牽引供電系統(tǒng)，提出一種同相牽引供電系統(tǒng)改造方案。設計基于模塊化多電平變流器(MMC)的潮流控制器(PFC)拓撲結構，分析其工作原理。提出以負序和無功為主的綜合優(yōu)化補償，推導PFC各端口補償電流計算公式，建立PFC動態(tài)跟蹤補償控制模型。與傳統(tǒng)牽引供電方案相比，MMC潮流控制器結構及動態(tài)跟蹤補償控制的提出，改善了系統(tǒng)的技術經(jīng)濟性。仿真結果驗證了該方案的正確性和有效性。

同相牽引供電系統(tǒng)；Vv接線；模塊化多電平變流器；優(yōu)化補償

同相牽引供電作為單相工頻交流制電氣化鐵路的一種理想供電方式，可以實現(xiàn)動態(tài)補償負序、無功及諧波，同時取消牽引變電所出口處的電分相[1?2]。近年來，采用潮流控制器(PFC)分別與scott，YNd11和YNvd接線牽引變壓器相結合的同相牽引供電系統(tǒng)成為研究熱點[3?5]。此外，采用潮流控制器的同相牽引供電系統(tǒng)已經(jīng)在相關試點工程中成功投入運行，并取得了良好的補償效果，如成昆線眉山同相牽引供電方案。然而，如何降低PFC補償容量及相關設備成本則成為目前同相供電技術推廣的關鍵。作為同相牽引供電系統(tǒng)的核心裝置，潮流控制器由于受單個電力電子器件電壓等級和容量限制，通常需要結合多重化技術和匹配變壓器來得以實現(xiàn)，這不僅額外增加了變壓器投資、占地面積和系統(tǒng)損耗，而且對PFC補償容量并無益處。近年來，許多學者對模塊化多電平變流器(MMC)進行了廣泛研究，由于其易于擴展的模塊化結構，可適應高電壓、大容量的工程要求，同時具有元件損耗小、開關頻率低和諧波特性好等優(yōu)點，在高壓直流輸電、有源補償和潮流控制領域得到廣泛的應 用[4, 6?7]。Vv接線變壓器由于其投資小、結構簡單和容量利用率高等優(yōu)勢，在中國普速電氣化鐵路中得到了大量應用。綜上，本文提出一種基于MMC潮流控制器和Vv接線變壓器的同相牽引供電方案，與傳統(tǒng)方案相比，其在提升有源補償裝置容量、節(jié)省匹配變壓器和減小場地等方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，極大地提高了系統(tǒng)技術經(jīng)濟性。

1 同相牽引供電方案

1.1 主電路原理

目前，中國普速鐵路以Vv接線帶回流線的直接供電方式為主，如圖1(a)所示。在牽引變電所內(nèi)，2臺單相牽引變壓器構成Vv接線方式，其副邊端子分別連接2個供電臂，但需要在變電所牽引側出口設置電分相，這一方面造成了機車速度和牽引功率的損失，另一方面影響了機車的供電可靠性和運行安全；此外，由于牽引負荷的隨機波動性和非線性，Vv接線牽引變電所仍然存在以負序和無功為主的電能質(zhì)量問題。

為了解決上述問題，引入MMC潮流控制器，構成Vv接線同相牽引供電系統(tǒng)，如圖1(b)所示。潮流控制器(PFC)采用背靠背MMC拓撲，端口與牽引變壓器T1相連，取消了牽引變電所出口處的電分相，實現(xiàn)了同相供電；端口與牽引變壓器T2相連，與端口之間可以實現(xiàn)功率傳遞，實現(xiàn)負序補償；此外，端口還可以兼具無功補償能力。

(a) 原直供系統(tǒng)結構；(b) Vv接線同相供電系統(tǒng)結構

1.2 潮流控制器拓撲結構

潮流控制器(PFC)主電路拓撲為MMC 8橋臂結構，如圖1(b)所示。其中，每個橋臂均由個相同結構的子模塊(SM)與橋臂電感串聯(lián)組成，上下2橋臂構成一個相單元，由此，形成1與2相、1與2相2個全橋結構組成的背靠背拓撲，其端口分別通過扼流電感和連接到牽引變壓器2個副邊端口。其中，子模塊(SM)由直流側懸浮電容和一個由IGBT與反向二極管并聯(lián)組成的半橋結構組成，通過控制子模塊的投入和切除即可控制變流器工作。

可見，MMC潮流控制器結構簡單，模塊化程度高，具有良好的擴展性、對稱性和靈活性。此外，相比于現(xiàn)有的潮流控制器，該拓撲可省去PFC牽引側升壓匹配變壓器，直掛于牽引網(wǎng)，適應了大功率能量傳輸?shù)男枨?，同時降低了設備投資、占地面積和系統(tǒng)損耗。

2 綜合補償原理

對基于Vv接線帶回流線的普速電氣化鐵路，其負序、無功、諧波問題同時出現(xiàn)，但相比而言，濾除諧波所需容量有限，為了優(yōu)化潮流控制器補償容量，其對稱補償?shù)年P鍵是無功和負序電流的綜合補償[1, 8?9]。

根據(jù)圖1(b)所示各電氣量，基于功率平衡原理，假設補償后系統(tǒng)的無功功率滿足式(1)關系：

式中：Lq是牽引負荷的電流無功分量；1和2是Vv接線變壓器次邊端口電流；1和2是Vv接線變壓器次邊端口的功率因數(shù)角；C是無功補償度，表示加裝PFC后無功功率減少量與原有負荷無功功率的比值，且滿足C?[0,1][8]。

此外，根據(jù)文獻[1]中關于多繞組牽引變壓器對稱變換理論，得到補償后負序電流與牽引變壓器二次端口電流1和2之間的關系，如式(2)所示：

又根據(jù)圖1(b)中電氣連接關系,得到

基于有功無功電流檢測理論[4]，Vv接線變壓器次邊端口輸出電流、牽引負荷電流的有功和無功分量如下所示：

考慮牽引供電系統(tǒng)與潮流控制器有功功率傳遞的約束，且假設PFC傳輸有功的損耗可忽略，由式(3)和式(4)可知：

將式(2)實部與虛部分別建立等式，再結合式(1)、式(4)和式(5)，可得：

結合式(3)求解式(6)，可得潮流控制器(PFC)端口補償電流的有功分量和無功分量的計算公式為：

根據(jù)圖1(b)所示變壓器接線關系，可知Vv接線牽引變壓器二次側輸出端口接線角相差(1?2)為60°，代入式(7)為：

3 控制策略

MMC潮流控制器的運行特性直接關系到Vv接線同相牽引供電系統(tǒng)的綜合補償效果。本文基于上述綜合補償原理，建立如圖2所示的MMC潮流控制器控制模型。

首先，通過監(jiān)測牽引負荷過程，實時采集牽引負荷電壓u()和電流i()，基于有功無功電流檢測理論，計算牽引負荷電流有功分量i()和無功分量i(), 結合設置的無功補償度C和負序補償度N，利用式(8)計算PFC端口補償電流。

圖2 MMC潮流控制器控制策略框圖

4 仿真分析

為了驗證本文Vv接線同相牽引供電方案的正確性和有效性，搭建基于MATLAB/Simulink的系統(tǒng)仿真模型，仿真參數(shù)如表1所示。

為了體現(xiàn)牽引負荷的波動性及潮流控制器良好的動態(tài)補償特性，模擬3種類型的連續(xù)運行工況。假設初始牽引負荷為20 MVA，功率因數(shù)為0.85，其主要體現(xiàn)交直型和交直交型電力機車混跑情況下的負荷特性。0~0.2 s，PFC未投入運行，即只有牽引變壓器T1供給負荷能量。0.2~0.4 s，PFC投入運行，電能質(zhì)量補償目標設置為完全補償，即完全補償負序和無功。0.4~0.6 s，牽引負荷突變?yōu)?0 MVA，補償目標調(diào)整為優(yōu)化補償，即三相電壓不平衡度不超過2%，功率因數(shù)不低于0.9。

仿真結果如圖3~6所示。圖3電網(wǎng)側三相電壓不平衡度分布顯示實際補償效果滿足設定補償目標，同時，三相電流在0.2 s及0.4 s時發(fā)生變化，對應不同工況下牽引負荷及補償目標之間的切換，表明具有良好的動態(tài)響應特性。圖5潮流控制器端口補償電流的分布表明PFC具有良好動態(tài)跟蹤補償特性。此外，多工況運行條件下MMC子模塊懸浮電容電壓穩(wěn)定且波動較小，如圖6所示，達到了預期效果。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

圖3 電網(wǎng)側三相電流波形及三相電壓不平衡度波形

圖4 負載電流波形

圖5 PFC端口a和端口b電流波形

圖6 MMC子模塊懸浮電容電壓波形

5 結論

1) 提出一種基于MMC潮流控制器和Vv接線變壓器的同相牽引供電方案，與傳統(tǒng)同相牽引供電方案相比，其取消了牽引母線側的高壓匹配變壓器，適應高壓大容量應用場合，節(jié)省了設備占地面積和投資。

2) 提出以負序和無功為主的綜合補償模型，推導PFC端口補償電流計算公式并制定PFC控制 策略。

3) 搭建系統(tǒng)仿真模型，模擬多種牽引負荷工況，通過仿真驗證PFC可根據(jù)負荷大小實施快速靈活的負序和無功補償，并具有良好的運行穩(wěn)定性。

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Research on co-phase traction power supply system based on MMC and Vv connection

WEI Guang

(State Key Laboratory of Rail Transit Engineering Informatization (FSDI), Xi’an 710043, China)

In order to solve power quality problems dominated by negative sequence and neutral sections, an improved scheme of co-phase traction power supply system，which is based on the modular multi-level technology and the existing Vv connection traction power supply system, was proposed in this paper. The power flow controller (PFC) topology and working principle adopted modular multilevel converter (MMC) was studied. A comprehensive optimization compensation based on negative sequence and reactive power is proposed, the compensation current of each port of PFC was deduced, and the PFC dynamic tracking compensation control model is established. Compared with the traditional traction power supply scheme, adopting the PFC topology and the dynamic compensation control strategy can improve the technical and economic performance of the system effectively. Finally, simulation results verify the correctness and effectiveness of the proposed scheme.

co-phase traction power supply system; Vv connection; modular multilevel converter; optimization compensation

TM922.3；U223

A

1672 ? 7029(2019)08? 2077 ? 06

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.08.026

2018?10?18

國家自然科學基金資助項目(51877182)

魏光(1984?)，男，陜西西安人，高級工程師，從事高速鐵路牽引供電系統(tǒng)研究；E?mail：184613852@qq.com

(編輯 陽麗霞)