常非，趙麗平

（1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都610031；2.濰坊供電公司，濰坊261021）

高壓大容量五電平變換器在RPC中的應(yīng)用

常非1，2，趙麗平1

（1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，成都610031；2.濰坊供電公司，濰坊261021）

針對(duì)電氣化鐵道電能質(zhì)量存在的負(fù)序、諧波和無功問題，借鑒日本模式，提出了基于新型YNvd平衡變壓器的電鐵功率調(diào)節(jié)器RPC（railway static power conditioner）。為了適應(yīng)牽引負(fù)荷高電壓、大容量的需求，RPC主要由2個(gè)背靠背的單相二極管箝位型五電平電壓源變流器構(gòu)成，可以實(shí)現(xiàn)有功平衡、無功補(bǔ)償和諧波抑制，使得牽引供電系統(tǒng)相對(duì)電力系統(tǒng)而言是一個(gè)三相對(duì)稱純阻性網(wǎng)絡(luò)。此外還采用一種新穎的輔助穩(wěn)壓電路來解決二極管箝位多電平結(jié)構(gòu)固有的直流側(cè)電容均壓?jiǎn)栴}。最后用Matlab/Simulink仿真驗(yàn)證了該方案的可行性。

電氣化鐵路；YNvd平衡變壓器；RPC；二極管箝位五電平結(jié)構(gòu)；直流側(cè)電容均壓；電能質(zhì)量

負(fù)序、無功和諧波一直是電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)存在的技術(shù)難題，為了解決這些問題，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了大量的研究。日本最先提出了電鐵功率調(diào)節(jié)器RPC（railway static power conditioner），其中新八戶變電所采用兩電平變流器的四并方案，新沼宮內(nèi)變電所采用三電平變流器的兩并方案。由于受系統(tǒng)容量和電力電子器件發(fā)展水平的限制，上述2種方案中的變流器均需采用多組并聯(lián)的方案[1]。文獻(xiàn)[2]提出并分析了一種新型三相-兩相YNvd平衡變壓器。使用該新型平衡變壓器和五電平結(jié)構(gòu)的RPC相結(jié)合，能夠完全消除負(fù)序、動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無功和諧波，是一種較理想的電鐵電能質(zhì)量解決方案。為了適應(yīng)牽引負(fù)荷高電壓、大容量的需求，本文提出了基于二極管箝位五電平的RPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)不需并聯(lián)即可滿足牽引供電的大容量需求。

1 基于YNvd和RPC的變電所構(gòu)成

RPC的基本構(gòu)成如圖1所示。YNvd平衡變壓器二次側(cè)的兩牽引母線上連接2臺(tái)單相換流器，并與直流環(huán)節(jié)相連，即為功率調(diào)節(jié)器。RPC可實(shí)現(xiàn)兩臂間有功的平衡、無功的補(bǔ)償和諧波的抑制，達(dá)到電能質(zhì)量的綜合解決。

圖1 基于YNvd和RPC的變電所結(jié)構(gòu)Fig.1Substation structrue based on YNvd and RPC

采用YNvd平衡變壓器的接線方式如圖2所示。其一次側(cè)中性點(diǎn)直接接地，二次側(cè)兩相輸出電路既完全獨(dú)立又無互感耦合，一相負(fù)荷的任意變化不會(huì)影響另一相電壓的輸出。由于二次側(cè)有形接線繞組提供了三次諧波勵(lì)磁通路，可較好地改善輸出電壓波形。

其兩側(cè)的電流變換關(guān)系為

圖2 YNvd平衡變壓器Fig.2YNvd balancing transformer

由對(duì)稱分量法可得

經(jīng)YNvd平衡變壓器的對(duì)稱變換電力系統(tǒng)側(cè)無零序分量；當(dāng)兩臂負(fù)荷電流對(duì)稱時(shí)，可完全消除負(fù)序?qū)﹄娏ο到y(tǒng)側(cè)的影響，從而使系統(tǒng)三相電流對(duì)稱[2-3]。

2 五電平的RPC結(jié)構(gòu)

圖3 五電平的RPC結(jié)構(gòu)Fig.3Five-level RPC structure

五電平RPC結(jié)構(gòu)如圖3所示，其由“背靠背”的四象限電壓型變流器組成，主電路為二極管箝位型五電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，兩端口變流器通過4個(gè)直流電容耦合在一起。針對(duì)五電平RPC傳遞有功時(shí)造成的直流側(cè)電容不平衡問題，文中采用了一種新穎的輔助穩(wěn)壓電路。

與傳統(tǒng)兩電平變流器相比，二極管箝位五電平變流器主要有以下3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

（1）每個(gè)功率器件所承受的關(guān)斷電壓僅為直流側(cè)電壓的1/4，即直流電壓可以提高4倍，容量也可以提高4倍；

（2）在同樣的開關(guān)頻率及控制方式下，五電平變流器輸出電壓或電流的諧波大大小于兩電平變流器的，因此其總諧波失真THD遠(yuǎn)小于兩電平變流器；

（3）由于變流器輸出電壓有9個(gè)電平，所以輸出電壓更接近正弦，諧波含量更小，可以降低開關(guān)器件頻率，減小開關(guān)損耗。

2.1 直流側(cè)電容均壓控制

圖4給出了二極管鉗位多電平逆變器在調(diào)制深度和負(fù)載電流角度共同影響下的電容電壓平衡域[4]。圖4表明：負(fù)載功率因數(shù)越高，對(duì)調(diào)制深度的限制越大，在極端情況，負(fù)載功率因數(shù)為1時(shí)，五電平逆變器的最大調(diào)制比僅為0.55，而在此調(diào)制比下，五電平逆變器的線電壓由9個(gè)電平退化為5個(gè)電平。可見，通過調(diào)制方法無法實(shí)現(xiàn)五電平變流器在正常輸出時(shí)對(duì)直流側(cè)電容的均壓控制。

圖4 二極管鉗位多電平逆變器電容電壓平衡域Fig.4Diode-clamped multi-level inverter capacitor voltage balance domain

本文采用一種新型的直流穩(wěn)壓輔助電路。該電路能夠在任意功率因數(shù)下，特別是在傳遞有功電流時(shí)，實(shí)現(xiàn)直流電容的均壓與穩(wěn)壓，使得變換器的脈沖寬度調(diào)制PWM（pulse width modulation）調(diào)制深度不再受直流電壓穩(wěn)定條件的限制，保證在任意調(diào)制深度條件下實(shí)現(xiàn)有功或無功的傳遞，且其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，可靠性強(qiáng)[5]。

該輔助電路箝位在五電平變換器電容側(cè)，t1時(shí)刻（即1個(gè)PWM周期的前半段）開關(guān)管S1、S3、S5、S7導(dǎo)通，C1與Ca1，C2與Ca2，C3與Ca3均形成通路，兩兩之間可實(shí)現(xiàn)相互均壓；t2時(shí)刻（即PWM周期的后半段）開關(guān)管S2、S4、S6、S8導(dǎo)通，C2與Ca1，C3與Ca2，C4與Ca3均形成通路，兩兩之間也可實(shí)現(xiàn)相互均壓?？梢?，在1個(gè)PWM周期內(nèi)C1、C2與Ca1，C2、C3與Ca2，C3、C4與Ca3均實(shí)現(xiàn)了能量的交換，故形象地稱其為“乒乓工作原理”，如圖5所示。經(jīng)過幾個(gè)周期能量的“乒乓”交換，即可實(shí)現(xiàn)均壓。

圖5 輔助穩(wěn)壓電路的“乒乓”工作原理Fig.5“Ping pong”principle of auxiliary voltage-stabilizing circuit

3 檢測(cè)算法

3.1 有功、無功和諧波電流的檢測(cè)方法

檢測(cè)框圖如圖6所示，其詳細(xì)推導(dǎo)過程如下[6]。

由于α、β兩相負(fù)載相互獨(dú)立，故以α相為例，設(shè)α相的電壓為

α相的負(fù)載電流用傅里葉級(jí)數(shù)展開為

式中，ip，α（t）、iq，α（t）、ih，α（t）分別為有功分量、無功分量和諧波分量。

鎖相環(huán)檢測(cè)出與供電臂電壓同相位的單位正弦信號(hào)，將其與式（4）的負(fù)載電流信號(hào)相乘，可得到

圖6 有功、無功和諧波電流的檢測(cè)框圖Fig.6Block of current detection for active，reactive and harmonic

通過低通濾波器LPF（low pass filter）濾去交流分量之后，只剩下直流分量即α相負(fù)載電流有功分量的1/2。

同理，β相負(fù)載乘以sin θβ，經(jīng)過LPF之后，得到

為了維持直流側(cè)電容電壓Udc的恒定，算法中包含了檢測(cè)直流電壓的PI控制器。指令電壓Udc*與反饋電壓Udc之差經(jīng)PI調(diào)節(jié)器后得到調(diào)節(jié)信號(hào)將其疊加到兩臂有功電流直流分量之和上。再分別乘上鎖相環(huán)輸出的與α、β相電壓同相位的單位正弦信號(hào)，得到和可實(shí)現(xiàn)兩臂有功功率的平衡，即

諧波電流值為

α臂的補(bǔ)償電流為

即實(shí)現(xiàn)了有功平衡、無功補(bǔ)償和諧波抑制。

同理可得β臂的的補(bǔ)償電流為

綜上，通過如圖6所示的檢測(cè)算法，可實(shí)現(xiàn)兩臂有功平衡、無功補(bǔ)償和諧波抑制。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

在Matlab/Simulink下建立仿真模型，仿真參數(shù)設(shè)置為：電力系統(tǒng)額定電壓為110 kV，系統(tǒng)短路容量為1 000 MVA；YNvd平衡變壓器變比為110 kV/27.5 kV，容量為10 MVA；隔離變壓器變比為k=6.25；直流支撐電容C=0.056 F；直流側(cè)電壓為6 600 V；三角載波頻率為1 kHz；交流側(cè)電感參數(shù)為1 mH；仿真結(jié)果如圖7～圖15所示。

圖7 牽引負(fù)荷電流波形Fig.7Current waveforms of traction load

圖8 補(bǔ)償電流波形Fig.8Compensation current waveforms

圖9 直流側(cè)分壓電容波形Fig.9DC side divider capacitor voltage waveforms

圖10 直流側(cè)的總電壓波形Fig.10Total voltage waveform of DC side

圖11 五電平變流器線電壓波形Fig.11Output line-voltage waveform of five-level converter

圖12 補(bǔ)償之后YNvd二次側(cè)電流波形Fig.12Current waveforms of Ynvd secondary side with compensation

圖13 補(bǔ)償之前110 kV系統(tǒng)側(cè)電流波形Fig.13Current waveforms of 110 kV power system side without compensation

圖14 補(bǔ)償之后110 kV系統(tǒng)側(cè)電流波形Fig.14Current waveforms of 110 kV power system side with compensation

圖15 110kV系統(tǒng)側(cè)電壓波形Fig.15Voltagewaveformsof110kVsystemside

圖7 、圖8分別為α、β供電臂的機(jī)車電流iL，α、iL，β和RPC輸出的補(bǔ)償電流ic，α、ic，β。從圖9、圖10可以看出，直流側(cè)電容實(shí)現(xiàn)了均壓，說明了該輔助穩(wěn)壓電路的可行性；從圖11可以看出，五電平變流器輸出線電壓具有9個(gè)電平，比傳統(tǒng)的兩電平變流器輸出電壓更接近正弦，可以有效降低諧波電壓；從圖12～圖14可以看出，補(bǔ)償之后YNvd二次側(cè)兩相電流幅值相等，相位互差90°，兩臂負(fù)荷電流完全對(duì)稱，實(shí)現(xiàn)了有功的平衡并消除了負(fù)序?qū)﹄娏ο到y(tǒng)側(cè)的影響，從而使原邊三相電流對(duì)稱；對(duì)比圖14和圖15可以看出電力系統(tǒng)側(cè)三相電流對(duì)稱，并且與電壓同相位，功率因數(shù)接近于1，諧波畸變率很低，使得牽引供電系統(tǒng)呈現(xiàn)出三相對(duì)稱純阻性負(fù)載特性，電力系統(tǒng)側(cè)電能質(zhì)量良好。

5 結(jié)論

（1）經(jīng)仿真驗(yàn)證，文中提出的基于二極管箝位五電平結(jié)構(gòu)的RPC能夠適應(yīng)牽引負(fù)荷高電壓、大容量的需求，可以實(shí)現(xiàn)有功平衡、無功補(bǔ)償和諧波抑制，使得牽引供電系統(tǒng)相對(duì)電力系統(tǒng)而言是一個(gè)三相對(duì)稱純阻性負(fù)載。

（2）五電平變流器輸出線電壓具有9個(gè)電平，比傳統(tǒng)的兩電平交直交變換器輸出電壓更接近正弦，可以有效降低諧波電壓。

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關(guān)于參數(shù)與偏差范圍的表示

1.數(shù)值范圍：五至十可寫為5～10；3×103～8×103不能寫成3～8×103。

2.百分?jǐn)?shù)范圍：20%～30%不能寫成20～30%。

3.具有相同單位的量值范圍：1.5～3.6 mA不必寫成1.5 mA～3.6 mA。

4.偏差范圍：（25±1）℃不寫成25±1℃；（85±2）%不寫成85±2%。

5.帶尺寸單位的量值相乘,如50 cm×80 cm×100 cm，不能寫50×80×100 cm或50×80× 100 cm3。

摘編于《中國(guó)高等學(xué)校自然科學(xué)學(xué)報(bào)編排規(guī)范》（修訂版）

Application of High-voltage Large-capacity Five-level Converter on Railway Static Power Conditioner

CHANG Fei1，2，ZHAO Li-ping1
（1.School of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；2.Weifang Power Supply Company，Weifang 261021，China）

In order to tackle the problems of negative sequence，reactive power and harmonic that caused by traction power supply system，via the experience of Japanese pattern，railway static power conditioner（RPC）is proposed in this paper based on the Novel YNvd balancing transformer.In order to meet high voltage and high capacity requirements of the traction load，RPC is mainly composed of two back-to-back single-phase diode-clamped five-level voltage source converter.It can realize the balance of active power，compensate the reactive power and dampen the harmonic current simultaneously，so it convert the traction power supply system into a three-phase symmetrical pure resistant network.In addition，a novel auxiliary voltage-stabilizing circuit is adopt to solve the inherent problem of DC side capacitance balancing for voltage in diode-clamped multi-level structure.Finally，the simulation of Matlab/ Simulink is uesd to verify the feasibility of the proposed procedure.

electrified railway；YNvd balancing transformer；railway static power conditioner（RPC）；diode-clamped five-level structure；DC side capacitance balancing for voltage；power quality

TM922.3

A

1003-8930（2014）09-0040-06

常非（1986—），男，碩士，助理電氣工程師，研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量分析與控制。Email：verymuch_cool@126.com

趙麗平（1973—），女，博士，副教授，研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量分析與控制。Email：lpzhao@swjtu.cn

2012-11-23；

2013-07-23

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)科技創(chuàng)新項(xiàng)目（SWJTU12CX138）