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基于MMC的同相供电潮流控制器控制策略研究

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资料介绍

模块化多电平换流器(MMC)与平衡变压器相结合的潮流控制器(PFC),可节省传统牵引供电系统中的匹配变压器,满足高压大功率的应用.首先介绍了系统工作原理,重点研究了其中单相MMC背靠背换流器两端的补偿电流.提出了一种综合控制策略,包括变流器两端补偿电流的提取算法,子模块电容电压均衡控制,环流抑制策略以及PWM调制方法.最后在Matlab/Simulink中搭建了系统模型,分别对交直交型电力机车的牵引和再生制动工况进行仿真,验证了所提控制策略的有效性.

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V01．45 No．14

Jul．16，2017

第45卷第14期

电力系统保护与控制

Protection andControl

System

DOI：10．7667／PSPCI61059

基于MMC的同相供电潮流控制器控制策略研究

肖刚1，张译文2，郭育华2，王莉2

(1．四川航天职业技术学院，四川成都610l00；2．西南交通大学磁浮技术与

磁浮列车教育部重点实验室，四川成都610031)

摘要：模块化多电平换流器(MMC)与平衡变压器相结合的潮流控制器(PFC)，可节省传统牵引供电系统中的匹配

变压器，满足高压大功率的应用。首先介绍了系统工作原理，重点研究了其中单相MMC背靠背换流器两端的补

偿电流。提出了一种综合控制策略，包括变流器两端补偿电流的提取算法，子模块电容电压均衡控制，环流抑制

策略以及PWM调制方法。最后在Matlab／Simulink中搭建了系统模型，分别对交直交型电力机车的牵引和再生制

动工况进行仿真，验证了所提控制策略的有效性。

关键词：同相供电；模块化多电平换流器：潮流控制器；控制策略

onthecontrol

controller basedOil删Cin

power^flow

strategy

co-phasepower

system

supply

Study

XIAO_{Gang‘，ZHANG}

Li2

Yiwen2，GUOYuhua2，WANG

Laboratory ofMagnetic

(1．SichuanAerospace P01”echnic，Chengdu 610100，China；2．Key

and

Vehicle，Southwest 61003l，China)

Jiaotong University,Chengdu

Suspension

Technology

Maglev

Abstract：A novel

flow

combines modular multilevel

power

controller(PFc)，which

converter(MMC)with balancing

save the

transformer in traditional traction

and meet the

ofthe

requirement

transformer,Can

power

supply system

matching

and

introduces the

the

high-voltage

high-power

paper

operating principle

application．Firstly,this

system，especially

desired

currents of_{single· -phase}back-to· · back converter．Then it forward an

control

compensating

puts

integrated

strategy,

ofthe sub

capacitorvoltage module，

the

which includes

the

control ofthe

algorithm

compensation current，the

extracting

current

the PWM_{method．Vinally，a}simulation modelis constructedin

mode are simulated

Matlab／Simulink,

circulating

suppressionstrategy,and

AC-DC-AC electric locomotive at

effectiveness．

simulation results

its

verify

traction／braking

respeetively．The

multilevel

flow

controller；control

Keywords：co-phase power supplysystem；modular

converter；power

strategy

升，所需同相供电补偿装置容量高。而模块化多电

0引言

Multilevel

平换流器(Modular

Converter，MMC)

牵引供电系统普遍存在负序、无功、谐波以及

具有输出电压电平数多、可模块化设计、开关损耗

低等特性【3卅，可提升变流器的电压等级和容量。因

此MMC在牵引系统中的应用前景广阔。

过电分相等电能质量问题。文献[1．2】提出的由平衡

变压器和综合潮流控制器(IPFC)结合构成的新型同

相牵引供电系统可以解决这些问题。2010年我国首

套同相供电装置于成昆线眉山牵引变电所，2014年

世界首套单三相组合式同相供电装置于山西重载综

文献[5．7]研究了单相MMC变流器在新型牵引

供电系统中的应用，并提出了基于MMC的铁路功

率调节器(MMC．RPC)，通过构造虚拟交流量实现直

接功率控制策略，并进行了环流抑制。

合实验段沙峪牵引变电所均成功投入试运行。标志

着我国自主研制的同相供电技术及装备已经进入工

程化应用阶段。

平衡变压器与单相MMC结构的潮流控制器结

合的同相供电系统适应牵引系统电压等级高、容量

大的环境。与传统的同相供电系统相比，可节省其

中的匹配变压器，降低成本，减小装置占地面积。

针对此装置中的单相背靠背MMC，本文提出了一

在高速铁路发展背景下，电力机车功率逐步提

基金项目：中国铁路总公司重点科技项目(2015J005一A)

万方数据

．80．

电力系统保护与控制

种综合控制策略，可实现MMC子模块直流电容电

压均衡、抑制部分环流，最终满足公网对三相电流

无功、负序和谐波的要求。

根据平衡变压器性能‘81，设a、B两端口电压与

期望的输出电流分别为

J”√2洮m纠

(P27)

原理分析

l“B=．、f2usin(cot一90。)

式中：“。和“B分别为a、p两端口电压；U为电压

1．1系统结构

有效值。

平衡变压器与单相模块化多电平背靠背变流

器结合的同相供电系统结构如图1所示。公网电压

接入牵引供电系统的平衡变压器后，将A、B、C

三相对称电压转变成了两相幅值、频率相同，相位

相差900的正交电压／,／。和UB。两个完全相同的单相

MMC背靠背连接构成了同相供电系统中的潮流控

制装置。由于MMC拓扑结构在高压大功率应用中

的良好性能，使得该潮流控制装置可直挂于平衡变

压器两侧。这里将带机车负载的一侧记为平衡变压

ff，：西sinCOt

l咕=x／2Isin(cot一90。)

式中：f。和iB分别为Q、p两端口电流：I为电流有

(

V3)7

效值。

结合式(1广式(3)，得到负载的瞬时功率和平衡

变压器输出功率分别为

(4)

凤(f)=“。(f)屯(f)+Up(f)fB(f)

2cot+cos2COt)+uo‘(5)

PL=／IfaiL=u乙一UIq(sin

器与变流器的n端口，另一侧为B端口。

p。dt，得到

忽略损耗，有r凤df=r

T侧Xm丽

(6)

-●●

．j

—

，=

一

‰

“B

此时，

目!丛!l目!坚!IIl!坚!吲I§ 坚!目

l如

‘=吉‘sin耐+‘c。s耐+fh

(7)

爿。。f五1聊阿

_zpsin似一90。)

i：B_11

因此，为使电网电压和电流的三相不平衡度、

功率因数和谐波含量在标准范围内，按照上述推导

的补偿原则知，当电力机车处在牵引工况下时，能

蜜i韪回I匝到匦吲、、．：■J’

网

L’'1'J

丸

量从背靠背变流器的p端流向a端，要求p端输入

电流为负载电流有功分量的一半，q端变流器输出

电流为负载电流有功分量的另一半，并补偿机车负

载的全部无功和谐波分量。而处在制动回馈工况

时电流大小不变，仅方向发生改变，能量由a向B

传递。

图1系统结构图

structure

Fig．1 System

diagram

单相MMC与PWM变流器相同，能量可以双

向传递，通过控制MMC的端口电压材。。和材。B，改

变端口电流即补偿电流毛。和‰ 的大小和方向。根

据同相供电补偿原则，可以基本消除公网侧的三相

不平衡，取消电分相环节。

控制策略

2．1指令电流的提取

1．2补偿原理

为将负载电流中的有功、无功、谐波分离，设

计了背靠背变流器两端口指令电流的提取算法。

利用锁相环(PLL)分别得到‰ 的相位信息

图1中的单相MMC交直交变流器直挂于平衡

变压器q、p两端，通过采取适当的控制策略，便

可实现有功功率的传递和无功功率、谐波的补偿。

为简化分析，将负载电流分解为有功、无功和谐波

3种分量，即

sincot、coscot和”B的sin(cot-900)。负载电流式(1)两

边同乘sincot得到，

COSOJt+ih

(1)

iL=Ipsincat+iq

sincot=寺‘(1一cos2cot)+专‘sin2cot+‘sincot

二

式中：fL为负载电流；Ipsincot为负载电流基波有功

(8)

分量；Iqeostcot为负载电流基波无功分量；ih为负载

电流谐波分量。

式(8)经过低通滤波器后得到负载电流中的有

万方数据

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