宋平崗，吳繼珍，陳 歡，羅善江

（華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，南昌330013）

單相MMC變流器及其在新型牽引供電系統(tǒng)中應(yīng)用的研究

宋平崗，吳繼珍，陳 歡，羅善江

（華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，南昌330013）

為解決傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)中所存在著電能質(zhì)量和過分相問題，首先介紹了一種基于MMC－MTDC的新型牽引供電系統(tǒng)。新型牽引供電系統(tǒng)中需要單相變流器向牽引網(wǎng)提供穩(wěn)定的電壓和頻率，據(jù)此對單相H橋型模塊化多電平換流器MMC（modular multilevel converter）進(jìn)行了研究。介紹了該變流器的拓?fù)涮匦裕⒘讼鄳?yīng)的數(shù)學(xué)模型。將牽引網(wǎng)絡(luò)認(rèn)為成無源網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計一種基于虛擬同步坐標(biāo)系下外環(huán)定交流電壓、內(nèi)環(huán)電流的單相H橋MMC型逆變器向單相無源網(wǎng)絡(luò)供電的雙閉環(huán)控制策略；為了抑制橋臂電流所含的二次分量，使用準(zhǔn)比例諧振器設(shè)計了環(huán)流抑制器。最后，在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型。仿真結(jié)果驗證了系統(tǒng)控制策略的可行性和環(huán)流抑制器的有效性，變流器能夠向牽引網(wǎng)絡(luò)提供穩(wěn)定的電壓和頻率。

牽引供電系統(tǒng)；高壓直流輸電；模塊化多電平換流器（MMC）；單相H橋；虛擬正交分量；無源網(wǎng)絡(luò)

引言

隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)電力領(lǐng)域，如牽引供電系統(tǒng)開始研究采用變流技術(shù)來克服現(xiàn)有技術(shù)存在的一些缺陷。我國現(xiàn)牽引供電系統(tǒng)采用的是單相工頻供電模式，牽引變電所從電網(wǎng)獲取三相電降壓成單相交流電后再配送到不同的牽引區(qū)段。這種供電模式存在三相不平衡、諧波以及過分相等問題，制約高速鐵路的發(fā)展［1－3］?；谧兞骷夹g(shù)，文獻(xiàn)［2］將綜合潮流控制器結(jié)合平衡牽引變壓器，利用補(bǔ)償技術(shù)提出一種同相供電模型；文獻(xiàn)［3］提出一種貫通式同相供電系統(tǒng)，并利用大功率變流裝置完成三相—單相直接交直交變換。

基于多端柔性直流輸電技術(shù)VSC-MTDC（voltage sourced converter based multi-terminal high voltage direct current）模式的新型牽引供電系統(tǒng)中，需要完成從直流到單相交流這一變流環(huán)節(jié)，這是保證向牽引網(wǎng)穩(wěn)定可靠供電的關(guān)鍵技術(shù)，因此對應(yīng)用于新型牽引供電的變流器的研究是很有必要的。模塊化多電平換流器MMC（mudular multilevel converter）自德國學(xué)者提出以來，以其優(yōu)越的特性，得到了國內(nèi)外學(xué)者的高度關(guān)注［4-5］。近年來，針對MMC拓?fù)涮匦耘c控制策略的研究取得了豐碩成果［6－9］；在應(yīng)用方面，MMC一直是HVDC（high voltage direct current）領(lǐng)域研究的熱點［10－12］，在新能源并網(wǎng)和電能質(zhì)量領(lǐng)域［13-14］也同樣得到了應(yīng)用研究。然而目前各類研究幾乎均基于三相MMC結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和應(yīng)用，鮮有文獻(xiàn)單獨對MMC型單相變流器，特別是高壓大功率場合進(jìn)行研究和應(yīng)用。由于MMC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的兩電平、三電平等形式電壓源型換流器VSC（voltage sourced converter），故其工作原理和控制方式必然不同于傳統(tǒng)的單相換流器；同時三相MMC的結(jié)構(gòu)特性、控制方式也不能直接移植到單相系統(tǒng)中。文獻(xiàn)［15］研究了單相AC-AC型MMC變流器，提出一種電流預(yù)測控制方法；文獻(xiàn)［16］為減少開關(guān)器件，提出了一種以單相型MMC為主要單元的三相SSP-MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，給出了三相系統(tǒng)的控制方式，但未對單相換流單元的控制方式進(jìn)行研究。

本文將VSC-MTDC應(yīng)用于新型鐵道電氣化牽引供電系統(tǒng)中，并對MMC型單相變流器進(jìn)行了研究。首先介紹了新型牽引供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，分析了單相H橋型MMC SPH-MMC（single phase H-bridge MMC）的主電路結(jié)構(gòu)，建立SPH-MMC的數(shù)學(xué)模型；并將牽引供電網(wǎng)絡(luò)當(dāng)成是無源網(wǎng)絡(luò)提出一種基于虛擬同步坐標(biāo)系統(tǒng)下的SPH-MMC逆變器向單相無源網(wǎng)絡(luò)供電的雙閉環(huán)控制方式；再針對環(huán)流將對直流側(cè)引起二倍頻波動問題，給出相應(yīng)的抑制策略；最后，建立仿真模型對所提相關(guān)問題和控制策略進(jìn)行仿真分析。

1 基于VSC-MTDC的新型牽引供電系統(tǒng)

基于VSC-MTDC的新型牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。三相MMC從公共電網(wǎng)獲取三相交流電量變換成直流，單相MMC變流器將直流電量變換成單相交流電提供至牽引網(wǎng)；通過控制單相MMC同相輸出使得整個供電區(qū)段牽引網(wǎng)同相供電，直流電網(wǎng)的存在使得整個系統(tǒng)不存在三相不平衡問題，整個牽引系統(tǒng)構(gòu)成多端直流輸電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

圖1 基于VSC-MTDC的新型牽引供電系統(tǒng)Fig.1 Novel traction supply system based on VSC-MTDC

與現(xiàn)行的牽引供電系統(tǒng)以及其他基于電力電子技術(shù)的改進(jìn)型的供電系統(tǒng)相比［2－3］，基于VSC-MTDC的新型供電模式具有以下優(yōu)勢：（1）提高電能質(zhì)量。直流電網(wǎng)的存在，隔離電網(wǎng)和牽引網(wǎng)的直接連接，電網(wǎng)不會受到牽引負(fù)荷引起負(fù)序、三相不平衡等問題的直接影響；同時單相MMC能夠?qū)崿F(xiàn)補(bǔ)償無功功率和抑制諧波；（2）取消了電分相環(huán)節(jié)。各個單相MMC輸出的電壓可以通過相應(yīng)控制實現(xiàn)電壓同步，整個牽引供電系統(tǒng)實現(xiàn)真正意義上的同相供電；（3）提升了電壓等級和容量。MMC的模塊化特性易于擴(kuò)展電壓等級，能夠很好適用于大功率場合，單相MMC和牽引網(wǎng)之間無需升壓變壓器；（4）潮流控制更為靈活。現(xiàn)行的牽引供電系統(tǒng)對牽引網(wǎng)潮流控制是一種被動式控制，而新型牽引供電系統(tǒng)各個變流器能主動協(xié)調(diào)控制潮流。

2 單相H橋型MMC運行原理

2.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2為應(yīng)用于新型牽引供電系統(tǒng)的單相H橋型MMC基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，與三相MMC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，SPH-MMC由a、b兩相構(gòu)成H橋，兩相輸出電壓ua，ub幅值相同、相位相差180°；a、b兩相仍分別由上、下兩個橋臂組成，每個橋臂由N個子模塊SM（sub-modular）和串聯(lián)電感L構(gòu)成，子模塊結(jié)構(gòu)如圖1中SM模塊所示，R為橋臂等效電阻。ij為SPHMMC第j（j＝a，b）相交流側(cè)輸出電流；ujp、ujn分別為第j相上、下橋臂子模塊投入電壓，ijp、ijn為橋臂電流（下標(biāo)p表示上橋臂，n表示下橋臂，下同）；Udc為變流器直流電壓；idc為直流側(cè)電流；idiffj為j相上、下橋臂的內(nèi)部電流，O為直流側(cè)假想中性點。

圖2 單相H橋型MMC基本結(jié)構(gòu)Fig.2 Basic structure of single-phase MMC

2.2 數(shù)學(xué)模型

SPH-MMC的兩相電路器件參數(shù)完全相同，每相上、下橋臂結(jié)構(gòu)具有對稱性，因此仍可參考三相系統(tǒng)單獨對其中一相進(jìn)行分析。根據(jù)圖2拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和基爾霍夫定律［8，17］，得

由式（1）和式（2）可以得到SPH-MMC交直流側(cè)動態(tài)特性方程為

式中，ej為第j相內(nèi)部虛擬電動勢，ej＝（ujn－ujp）/2?？刂芿j可以間接控制MMC與交流系統(tǒng)能量的交換。

MMC與傳統(tǒng)的兩電平VSC相比，拓?fù)涮匦元毺?，但其本質(zhì)仍屬于電壓源型換流器VSC，具有VSC的普遍特性；又因為SPH-MMC中a、b兩相輸出電壓幅值相同、相位相反，根據(jù)戴維南定理則兩相輸出電流ia、ib同樣幅值相同、相位相反。而上、下橋臂工作于對稱運行狀態(tài)，則可以得出SPH-MMC 4個橋臂投入電壓、電流之間的關(guān)系［16］為

由于子模塊的不斷投切，子模塊電容電壓將在理想值上下波動，通過串聯(lián)電感將會激發(fā)波動電流，產(chǎn)生二倍頻環(huán)流icirj，引起橋臂電流發(fā)生畸變［6，9］。根據(jù)文獻(xiàn)［18］，可以將idiffj表示為

式中：Idc為直流側(cè)電流idc的直流分量；J為MMC相單元數(shù)，對于SPH-MMC，相單元數(shù)量為2。

根據(jù)式（2）、式（6）和式（7），SPH-MMC兩相中的內(nèi)部電流idiffj幅值和相位均相同，則環(huán)流成分icirj也相同；根據(jù)式（3），直流側(cè)電流idc為內(nèi)部電流之和，說明idc同時包含直流電流Idc和環(huán)流icirj，即SPHMMC中的環(huán)流icirj不再類似于三相系統(tǒng)只是在三相間流通，而將流入直流側(cè)，對直流側(cè)造成影響。環(huán)流流通等效電路如圖3所示，其中u2fj為相單元總電壓中二次分量，Rl和Ll為直流線纜等效阻感。

圖3 環(huán)流流通等效電路Fig.3 Equivalent circuit of circulating current

2.3 瞬時功率分析

忽略線路阻感的影響，從瞬時功率的角度進(jìn)一步分析環(huán)流icirj對直流系統(tǒng)影響。設(shè)MMC交流參考電壓us和交流電流is分別為

式中：Us為交流電壓幅值；Is為交流電流幅值；φ為功率因數(shù)角；ω為電網(wǎng)2頻角頻率。

則交流側(cè)瞬時功率為

兩電平或三電平VSC單相系統(tǒng)，由于開關(guān)器件并不能存儲能量，交直流側(cè)瞬時功率平衡，直流側(cè)出現(xiàn)功率、電流或電壓二次波動；對于MMC由于子模塊電容具有儲能特性，MMC能夠承擔(dān)瞬時功率，與傳統(tǒng)VSC相比將有不同的特性；MMC此特性對于分析SPH-MMC交直流側(cè)功率非常關(guān)鍵。

當(dāng)N足夠大時可以忽略高次諧波的影響［8］，則SPH-MMC中a相上、下橋臂投入電壓和橋臂電流為

式中：Icira為二倍頻環(huán)流的幅值；θ為環(huán)流初相角。

對于式（11），部分文獻(xiàn)定義的橋臂電流表達(dá)式只包含直流分量和基頻分量，忽略環(huán)流的影響［6，8］，這種方式通過分析證明橋臂電流依然包含環(huán)流的成分［9］。為分析準(zhǔn)確，本文考慮環(huán)流。

a相相單元瞬時功率為

由前文分析可知，pa＝pb，則SPH-MMC所承擔(dān)的瞬時功率pMMC＝2pa。

變流器典型功率流通示意如圖4所示。

圖4 SPH-MMC功率流向示意Fig.4 Sketch map of SPH-MMC power flow

考慮功率平衡忽略器件損耗，則交直流側(cè)和SPH-MMC自身功率應(yīng)該滿足

將式（9）和式（12）代入式（13）中，可以求出直流側(cè)的瞬時功率為

故SPH-MMC中環(huán)流icirj必將對直流側(cè)系統(tǒng)造成影響，而傳統(tǒng)的VSC直流側(cè)瞬時功率等于交流側(cè)瞬時功率，即交直流側(cè)瞬時功率保持平衡；對MMC來講，可以認(rèn)為由于MMC具有儲能特性，交直流側(cè)瞬時功率可以不平衡，而MMC所承擔(dān)的瞬時功率pMMC在一個周期內(nèi)積分為0，并不會影響交直流兩側(cè)能量的正常交換。為了消除環(huán)流對SPHMMC直流側(cè)的影響，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)沫h(huán)流抑制策略實現(xiàn)對環(huán)流的抑制。

3 控制器設(shè)計

3.1 正交分量生成器

單相變流器只有單一自由度，而進(jìn)行同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至少需要2個正交量，因此需要構(gòu)造一個與實際交流量成正交的虛擬量［19］。不論采用何種方式構(gòu)造一個虛擬正交量，其本質(zhì)都將實際量相位延遲90°，只是不同的方式動態(tài)性能不一樣。本文采用文獻(xiàn)［19］所使用的一種全通濾波器APF（all pass filter），其結(jié)構(gòu)如圖5所示。其傳遞函數(shù)為

式中，ω為輸入輸出量的基頻頻率。

圖5 一階全通濾波器的結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of first order all-pass filter

3.2 雙閉環(huán)控制策略

基于變流技術(shù)的新型牽引供電系統(tǒng)，牽引網(wǎng)絡(luò)不再由分相AT或BT工頻網(wǎng)絡(luò)直接支撐，由單相變流器向牽引系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電壓—頻率（U－f），此時單相變流器處于逆變狀態(tài)；對于逆變狀態(tài)的變流器而言，盡管機(jī)車可能處于再生能量狀態(tài)，引起牽引網(wǎng)絡(luò)的潮流反轉(zhuǎn)，但運行在U－f狀態(tài)下的逆變器可以維持在四象限運行，因此牽引供電網(wǎng)絡(luò)仍可以認(rèn)為是一個無源網(wǎng)絡(luò)［20］。針對向無源網(wǎng)絡(luò)供電的控制方式，文獻(xiàn)［7］指出，當(dāng)逆變器輸出端采用二階高通濾波器時，能夠保證交流輸出電壓質(zhì)量；且在工頻下可以忽略電阻和電感，將濾波器等效為一個容性裝置，據(jù)此提出了三相系統(tǒng)無源網(wǎng)絡(luò)供電方案。對于SPH-MMC由于子模塊電容波動電壓3次諧波分量將直接進(jìn)入SPH-MMC交流側(cè)，對交流側(cè)造成一定的影響。牽引負(fù)荷移動且多變易對牽引網(wǎng)電壓造成波動，為此本文參考文獻(xiàn)［7］方法，引入濾波器以保證向牽引網(wǎng)的供電質(zhì)量，設(shè)計向單相無源網(wǎng)絡(luò)供電控制系統(tǒng)。

將SPH-MMC逆變器輸出端簡化，如圖6所示。圖中，Ceq為濾波器等效電容；i、ic、is分別為逆變器輸出、等效濾波器、負(fù)載端的電流；uab、us為MMC逆變器橋臂交流端口ab、負(fù)載端的電壓。

圖6 SPH-MMC逆變器輸出端等效示意Fig.6 Equivalent diagram of SPH-MMC inverter output

由此可得狀態(tài)方程為

式（16）中交流量經(jīng)過APF之后，虛擬生成一個正交量，則在αβ坐標(biāo)系中重新描述為

式中，xαβ＝［uabαβ，usαβ，iαβ，isαβ］為實際交流量 x＝［uab，us，i，is］映射至αβ坐標(biāo)系的量。

將式（17）經(jīng)過αβ－dq坐標(biāo)系變換，可得

式中，xdq＝［uabdq，usdq，idq，isdq］為實際量x＝［uab，us，i，is］在dq坐標(biāo)系下的d、q軸分量。

對式 （18）引入交流輸出電壓usd、usq前饋補(bǔ)償量對MMC輸出電流id、iq進(jìn)行誤差補(bǔ)償；對式（19）引入負(fù)載電流isd、isq，對MMC輸出交流電壓usd、usq進(jìn)行補(bǔ)償，于是可得電壓電流的參考值為

本文所設(shè)計的控制系統(tǒng)，交流電壓參考量不僅僅只是提供交流電壓作為外環(huán)電壓d軸參考值；同時由于向無源網(wǎng)絡(luò)供電系統(tǒng)不可利用鎖相環(huán)提取交流量的相位信號，而實現(xiàn)dq變換必須使用交流量同步相位信號［7］，為此，以交流參考電壓相位作為系統(tǒng)同步相位，用于維持逆變器輸出交流電壓的頻率穩(wěn)定不變，即交流電壓參考量將作為一個電壓矢量向雙閉環(huán)控制系統(tǒng)給定交流電壓幅值和同步相位，由此設(shè)計定交流電壓控制器。另外內(nèi)環(huán)電流控制的引入，將增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性和加快系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)。

3.3環(huán)流抑制控制器

根據(jù)第2節(jié)分析可知，SPH-MMC中環(huán)流將影響直流系統(tǒng)，故設(shè)計諧波抑制器對相關(guān)諧波進(jìn)行抑制。根據(jù)式（2）、式（3）和式（7）可間接求得環(huán)流為

式（22）中直流電流Idc可以通過低通濾波器對idc進(jìn)行濾波獲得。則低通濾波器的傳遞函數(shù)為

式中：G0為濾波器通帶增益；ξ為阻尼系數(shù)；ωn為濾波器自然角頻率；

本文利用準(zhǔn)比例諧振器QPR（quais proportion resonant controller）來實現(xiàn)對環(huán)流的抑制，準(zhǔn)比例諧振器能夠?qū)崿F(xiàn)對特定頻率交流量的無靜差跟蹤和零穩(wěn)態(tài)誤差消除［12，21］。準(zhǔn)比例諧振器的傳遞函數(shù)為

式中：kp、kr為比例和諧振系數(shù)；ωc、ω0分別為準(zhǔn)比例諧振器的截止頻率和諧振頻率。

結(jié)合式（1）、式（4）和式（20）可以得出 SPHMMC兩相上、下橋臂的控制規(guī)律為

綜上所述，SPH-MMC逆變器向牽引網(wǎng)絡(luò)供電的整體控制系統(tǒng)框圖如圖7所示。上、下橋臂的參考電壓結(jié)合電容電壓排序算法，利用最近電平逼近調(diào)制策略產(chǎn)生觸發(fā)脈沖。

圖7 SPH-MMC逆變器控制系統(tǒng)框圖Fig.7 Control system block diagram of SPH-MMC inverter

4 仿真分析

為了驗證SPH-MMC逆變器控制策略的正確性和可行性，在PSCAD/EMTDC中建立51電平仿真模型和控制系統(tǒng)，如圖7所示。其中直流電壓Udc0穩(wěn)定在60 kV，交流輸出電壓Us為27.5 kV，子模塊電容C=15 mF，橋臂串聯(lián)電感L為10 mH，橋臂等效電阻R為0.5 Ω；交流系統(tǒng)等效電阻Rs和電感Ls分別為1 Ω和1 mH，濾波器等效電容Ceq為100 μF。直流線路用集中參數(shù)等效，等效參數(shù)Rl為0.5 Ω，Ll為0.32 mH。

圖8 負(fù)載恒定時電壓電流曲線Fig.8 Voltage and current waveforms of constant load

圖8為恒定負(fù)載情況下的SPH-MMC交流電壓電流仿真曲線，其中負(fù)荷大小為 15 MW+j6 Mvar。圖8（c）～（e）中，在t=0.4～0.5 s時，直流電壓udc、電流idc和功率Pdc均出現(xiàn)了二倍頻波動；在t= 0.5 s時控制系統(tǒng)啟動環(huán)流抑制控制器；在t=0.5～0.6 s時，直流電壓、電流和功率二次波動得到了抑制，數(shù)值趨近恒定，驗證了本文所分析的環(huán)流將對直流側(cè)造成影響和環(huán)流抑制策略的有效性。而在環(huán)流抑制控制器啟動前后，交流電壓us和電流is波形曲線光滑、諧波含量少、供電質(zhì)量高，并未發(fā)生變化，如圖8（a）和圖（b）所示，環(huán)流并未影響交流系統(tǒng)。

圖9 負(fù)載突變時電壓電流曲線Fig.9 Voltage and current waveforms of load changing

圖9為負(fù)載突變時電壓電流波形，負(fù)荷初始值為15 MW+j6 Mvar，在0.8 s時，增加15 MW有功負(fù)荷、6 Mvar無功負(fù)荷；0.2 s后負(fù)荷減小恢復(fù)至初始值。由圖可見，在改變負(fù)荷的瞬間，由于沖擊效應(yīng)輸出電壓將會出現(xiàn)較小的波動，但能夠在一個周期內(nèi)迅速地恢復(fù)至穩(wěn)態(tài)；系統(tǒng)在負(fù)載變化時調(diào)節(jié)過程時間短，動態(tài)性能好，能夠很好地適應(yīng)負(fù)載突變。

為了模擬電力機(jī)車負(fù)載運行時系統(tǒng)的單相MMC的供電質(zhì)量，假設(shè)機(jī)車牽引電流為iL=400 sin（ωt-14°）+16sin（3ωt-30°）+8sin（5ωt+60°），A，負(fù)載功率因數(shù)為0.97（滯后），則電力機(jī)車在制動再生狀態(tài)下的電流為-iL［2］，機(jī)車負(fù)載時電壓電流波形如圖10所示。由圖10可以看出，盡管電流含有明顯的諧波成分，但電壓波形仍然比較平滑；除去電力機(jī)車由牽引狀態(tài)向制動再生狀態(tài)轉(zhuǎn)換時，機(jī)車電流突變的半個周期，對交流電壓進(jìn)行諧波分析，在牽引和制動狀態(tài)下總畸變率THD（total harmonic distortion）分別為0.49%和0.55%，說明系統(tǒng)具有較強(qiáng)的魯棒性，可以適應(yīng)交流諧波源負(fù)載，能夠很好地適應(yīng)電力機(jī)車負(fù)載，供電質(zhì)量高。

圖10 機(jī)車負(fù)載時電壓電流波形Fig.10 Voltage and current waveforms of vehicle withloads

5 結(jié)論

（1）將VSC-MTDC應(yīng)用于電氣化鐵道牽引供電，可以克服傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)存在電能質(zhì)量和過分相問題。對基于VSC-MTDC的新型牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行簡述；分析了應(yīng)用新型牽引供電系統(tǒng)的單相H橋MMC型變流器的拓?fù)涮匦赃M(jìn)行分析，建立了數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)出MMC型單相變流器中環(huán)流成分將流入直流側(cè)，影響直流系統(tǒng)。

（2）運行于向牽引網(wǎng)絡(luò)提供穩(wěn)定電壓—頻率狀態(tài)下的變流器，處于逆變工況，此時可以將牽引網(wǎng)絡(luò)當(dāng)成單相無源網(wǎng)絡(luò)；利用交流輸出端濾波器在工頻下可以等效為電容器這一條件，使用APF技術(shù)構(gòu)造虛擬交流量從而實現(xiàn)同步坐標(biāo)變換，通過交流電壓控制和輸出相位給定，將逆變器輸出電壓、電容電流和負(fù)載電流三者結(jié)合搭建雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。仿真表明，控制系統(tǒng)穩(wěn)定、動態(tài)性能優(yōu)越，所設(shè)計的單相H橋MMC變流器控制系統(tǒng)能夠應(yīng)用在基于變流技術(shù)的新型牽引供電網(wǎng)絡(luò)。

（3）針對環(huán)流問題，采用準(zhǔn)比例諧振控制器設(shè)計環(huán)流抑制器，環(huán)流抑制效果明顯，能夠有效抑制直流功率、電壓和電流二倍頻波動。

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Research on Single-phase MMC and Its Application in Novel Traction Power Supply System

SONG Pinggang,WU Jizhen,CHEN Huan,LUO Shanjiang
（College of Electrical and Electronic Engineering，East China Jiaotong University，Nanchang 330013，China）

To solve the problems of power quality and split section that existing in the traditional traction power supply system（TPSS），a novel TPSS based modular multilevel converter multi terminal high voltage direct current（MMC-MTDC）was presented in this paper.The novel TPSS requires single-phase converter provides the voltage and frequency stability to traction network.Accordingly，a single-phase H bridge modular multilevel converter（SPH-MMC）was studied in this paper，its topological characteristics is describes and its mathematical model is established.Considering traction system as passive network，a double closed loops control strategy is proposed for SPH-MMC inverter supply to single-phase passive network，which constant ac voltage outer and current inner loops.To suppress the secondary component contained in arm current，circulating current suppressing controller is developed with quaisproportion resonant controller（QPR）.Finally，a simulation model was constructed in PSCAD/EMTDC.The simulation results verifies that the proposed control strategy of system is feasible，the suppressing controller of circulating current is effective，and the converter can provides stable voltage and frequency to traction network.

traction power supply system；high voltage direct current；modular multilevel converter（MMC）；single phase H-bridge；virtual orthogonal component；passive network

宋平崗

10.13234/j.issn.2095-2805.2015.6.92

：TM 46

：A

宋平崗（1965—），男，博士，教授，研究方向：電力電子與新能源，E-mail：pgsong＠ecjtu.edu.cn。

吳繼珍（1991—），男，通信作者，碩士研究生，研究方向：電力電子與電力傳動，E-mail：wujizhen0 307＠foxmail.com。

陳歡（1990—），男，碩士研究生，研究方向：電力電子與電力傳動。

羅善江（1989—），男，碩士研究生，研究方向：高壓直流輸電。

2015-08－07

國家自然科學(xué)基金項目（51367008）

Supported by National Natural Science Foundation of China（51367008）