黃鉑，蘇智勇，原陽，陳嵩，鄭琦

(國網(wǎng)鄭州供電公司，河南 鄭州 450000)

0 引言

電力機車類負荷具有不對稱性和波動性，以及功率因數(shù)較低等特點，其運行過程中將產(chǎn)生波動的負序和無功電流，隨著越來越多的大功率，高速度機車上路運行，大量的負序無功電流注入電網(wǎng)將進一步加重了供電負擔，降低電能質(zhì)量。同時將導致一系列影響供電安全可靠性的不良后果，例如旋轉(zhuǎn)電機轉(zhuǎn)子發(fā)熱，繼電保護裝置誤動，補償電容高頻過電壓，通信裝置受到干擾等［1］。

傳統(tǒng)上通過改進牽引供電方式來治理負序電流，但無法從根本上解決問題，隨著電力電子技術的發(fā)展，有源補償裝置在牽引供電系統(tǒng)中表現(xiàn)出了廣闊的前景，其中STATCOM，RPC等在某些地區(qū)已經(jīng)投入使用，并發(fā)揮了顯著的作用，但由于電力電子元件耐壓等級的限制，補償裝置需通過降壓變壓器才能與牽引變相連，隨之而來的成本的增加限制了此類裝置的推廣使用。

本文提出了一種基于模塊組合結構的直掛式補償裝置，相比于傳統(tǒng)結構的STATCOM，它省卻了降壓變壓器。相比于背靠背結構的RPC裝置，本裝置三橋臂的結構節(jié)省了電力電子元件，進一步降低了成本［2］。

1 新型裝置的拓撲結構及補償原理

以牽引供電系統(tǒng)常用的是V/V接線為例(如圖1所示)，分析一下本文提出的補償裝置的原理。 三 相110kV系統(tǒng)電壓經(jīng)過V/V變壓器變換成兩個電壓等級為27.5 kV 的單相電壓為α，β兩供電臂的機車供電。裝置的三個橋臂通過聯(lián)結電抗器接在V/V變壓器副邊，α，β，N三個點。該裝置通過公共的直流母線將三相不平衡的有功功率轉(zhuǎn)移至均衡，實現(xiàn)負序補償?shù)男Ч?，同時輸出相應的無功電流以補償機車消耗的無功，由于鐵路供電高壓側(cè)為三相三線制的系統(tǒng)，因此負荷電流中不含零序分量，故完全補償達到的效果應該是系統(tǒng)側(cè)電流僅含有三相對稱基頻正序有功分量以驅(qū)動電力機車做功［3］。

圖1 V/V接線方式及補償裝置連接原理圖

補償裝置采用2002年由德國聯(lián)邦國防軍大學提出的模塊組合多電平結構(Modular Multilevel Converter，簡稱MMC)，如圖2b所示，將電容與開關器件整合為一個子模塊，然后通過子模塊的串聯(lián)形成如圖2a所示的變流器，這樣的結構使得逆變器的大容量多重化容易實現(xiàn)，同時可擴展到較高的電壓等級，省卻了聯(lián)結變壓器，降低了成本。子模塊的投入和退出狀態(tài)疊加可形成逼近正弦波形的多電平輸出電壓，減輕了波形畸變，降低了對電網(wǎng)的影響［4］。

圖2 補償裝置結構原理圖

2 數(shù)學模型及控制策略

文獻［5］提出了SCOTT接線系統(tǒng)中“虛擬三相”的定義，實現(xiàn)了相應分量的提取和控制。MMC裝置的直流母線沒有中性點，基于此中性點懸浮的情況可將“虛擬三相”對應移植到V/V接線系統(tǒng)下(見圖3)。

圖3 虛擬中性點及虛擬三相原理圖

2.1 數(shù)學模型

由圖4單相MMC與系統(tǒng)連接的等效電路可知，MMC輸出電壓VO與系統(tǒng)電壓VS間有如下關系

圖4 單相MMC等效原理圖

MMC的輸出電壓通過一個電抗(電阻忽略)與系統(tǒng)相連，在系統(tǒng)電壓恒定的情況下，由控制MMC的輸出電壓實現(xiàn)連接點對系統(tǒng)注入電流的改變，進而實現(xiàn)對特定電流分量的補償［7］。

2.2 控制策略

該裝置為電流源型器件，通過對其輸出電流的控制實現(xiàn)對負荷電流中負序分量及無功分量的補償，補償分量的提取計算可采用基于三相對稱旋轉(zhuǎn)坐標的算法，同時考慮到直流母線穩(wěn)壓和子模塊電容電壓均壓問題，設計如下所示的參考指令提取環(huán)節(jié)和補償裝置控制環(huán)節(jié)(見圖5、圖6)。

圖5 補償指令提取環(huán)節(jié)框圖 圖6 補償裝置控制環(huán)節(jié)框圖

圖5中公式(1)為:

圖5中公式(2)為公式(1)的反變換，表達式為:

3 仿真驗證

本文在MATLAB/Simulink中建立了V/V變壓器下三相十五電平補償裝置的仿真模型，如圖7所示，三相系統(tǒng)通過V/V變壓器形成兩個供電臂，負荷接入在AC，BC相之間，圖中，三相電源參數(shù)為:系統(tǒng)線電壓為110 kV，V/V變壓器副邊電壓為27.5 kV，MMC直流母線電壓為65 kV，載波頻率為5 kHz。

圖7 基于MATLAB/Simulink的仿真模型示意圖

為了考察補償裝置的負序及無功補償性能，設置了在相應的動態(tài)負荷，負荷在0 s時出現(xiàn)在b，c相間，視在功率為20 MVA，功率因數(shù)為0.8，負荷出現(xiàn)0.05 s后，投入補償裝置。在0.15 s時，負荷由b，c相間變換至a，c相間，負荷性質(zhì)為純阻性負荷，功率變?yōu)?0 MW。

由圖8可看出，裝置未投入而不平衡負荷存在時，系統(tǒng)電流中僅存在不平衡電流，在裝置投入后，系統(tǒng)電流迅速變化為接近三相對稱的波形。在0.15 s負荷發(fā)生變化時，補償裝置的存在使得系統(tǒng)電流在經(jīng)歷了1.5個周波的過渡過程后達到三相對稱的狀態(tài)。經(jīng)計算得在裝置投入后，系統(tǒng)電流的不平衡度由100%下降至接近3%，波形的變化反映出該補償裝置具有較高的負序補償動態(tài)性及準確性。

圖8 系統(tǒng)電流波形圖

由圖9的系統(tǒng)電壓及電流相位關系可看出，裝置投入后，電流及電壓波形的相位差接近于0，系統(tǒng)電流中僅有有功分量，說明該裝置具有較好的無功補償性能。

圖9 系統(tǒng)電壓、電流波形相位圖

由于有穩(wěn)壓策略的存在，圖10所示的裝置的直流母線電壓在工作時能夠穩(wěn)定在預先設定的65 kV上下，僅有高頻波動分量。

圖10 直流母線電壓波形圖

如圖11為MMC型補償裝置某相的上下橋臂模塊電容電壓，可以看出，由于均壓策略的存在，子模塊電容電壓能夠基本保持均衡，保證了補償裝置的正常工作。

圖11 某相上下橋臂模塊電容電壓波形圖

4 結束語

本文提出了一種基于模塊組合多電平結構的補償裝置，該裝置具有省卻聯(lián)結變壓器，冗余度高，結構簡化，節(jié)約成本等優(yōu)點。同時將“虛擬三相”理論移植到V/V接線下，并借此提出了能夠準確檢測牽引負荷電流中負序及無功分量的方法，以及適用于本裝置的控制策略，穩(wěn)壓策略和均壓策略。仿真表明本文提出的裝置結構和控制策略有著較好的補償性能，在牽引供電補償中有著廣闊前景。

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