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基于双星型多电平潮流控制器与YNvd变压器的同相供电系统

更新时间：2019-12-25 06:47:58 大小：936K 上传用户：xiaohei1810查看TA发布的资源 标签：供电系统 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

资料介绍

针对高速电气化铁路领域中存在的负序、谐波与电分相问题,提出了一种基于双星型多电平潮流控制器与YNvd平衡变压器的新型铁路同相供电系统.该双星型多电平潮流控制器为交交变换结构,由四个多电平级联型H桥子模块链节组成,无需直流母线电容.与潮流控制器两端均通过降压隔离变压器连接于变压器二次侧的传统作法不同,该系统将双星型多电平潮流控制器的一侧连接于YNvd平衡变压器二次侧β相分接头,减少了一个降压隔离变压器的成本.分析了该同相供电系统的拓扑结构与工作原理,提出了一种综合控制策略,最后通过仿真验证了所提方案的可行性与有效性.

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第 47 卷 第 8 期  
2019年4月16 日  
电力系统保护与控制  
Power System Protection and Control  
Vol.47 No.8  
Apr. 16, 2019  
DOI: 10.7667/PSPC180557  
基于双星型多电平潮流控制器与 YNvd  
变压器的同相供电系统  
周净轩，罗隆福，王海龙  
(湖南大学电气与信息工程学院，湖南 长沙 410082)  
摘要：针对高速电气化铁路领域中存在的负序、谐波与电分相问题，提出了一种基于双星型多电平潮流控制器与  
YNvd 平衡变压器的新型铁路同相供电系统。该双星型多电平潮流控制器为交交变换结构，由四个多电平级联型  
H 桥子模块链节组成，无需直流母线电容。与潮流控制器两端均通过降压隔离变压器连接于变压器二次侧的传统  
作法不同，该系统将双星型多电平潮流控制器的一侧连接于 YNvd 平衡变压器二次侧β相分接头，减少了一个降压  
隔离变压器的成本。分析了该同相供电系统的拓扑结构与工作原理，提出了一种综合控制策略，最后通过仿真验  
证了所提方案的可行性与有效性。  
关键词：同相供电系统；潮流控制器；模块化多电平；平衡变压器；负序电流；谐波  
Co-phase power supply system based on double star multilevel power flow  
controller and YNvd transformer  
ZHOU Jingxuan, LUO Longfu, WANG Hailong  
(College of Electrical and Information Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China)  
Abstract: In order to solve the problem of negative sequence current, harmonic current and electric phase splitting in  
high-speed railway power supply system, a novel co-phase power supply system based on Double Star Multilevel Power  
Flow Controller (DS-MPFC) and YNvd balanced transformer is proposed in this paper. This DS-MPFC which consists of  
four H-Bridge links is AC-AC conversion circuit structure and no direct current bus capacitance is required. Different  
from the conventional power flow controller based co-phase power supply systems, this system integrates DS-MPFC into  
the phase-β side flexible taps of YNvd balance transformer instead of into phase-β side via a step-down and isolation  
transformer, thus the costs are reduced significantly. The topology structure and the working principle are analyzed,  
furthermore, a synthetical control strategy is proposed. The simulation results show the feasibility and effectiveness of the  
proposed method.  
This work is supported by National Natural Science Foundation of China (No. 51477046).  
Key words: co-phase power supply system; power flow controller (PFC); modular multilevel converter (MMC); balanced  
transformer; negative sequence current; harmonic  
功率大，低次谐波含量大大降低，谐波影响转移到  
0 引言  
高次谐波，功率因素接近于 1 等特点，这对补偿装  
近年来，我国高速铁路的建设取得了举世瞩目  
的成就，与此同时，也给牵引供电系统带来了严重  
的负序、谐波和无功等电能质量问题与电分相问  
置的负序、高次谐波补偿能力提出了更高的要求[3-4]  
同时由于电分相装置的存在，列车的取流频繁切断，  
速度与牵引力均受到了限制，不利于机车向高速重  
载方向发展[5]。因此，以负序、高次谐波为主的电  
能质量问题与由电分相装置引起的速度、牵引力损  
失问题，得到了国内外学者的广泛关注。  
。
题
[1-2]。目前交直交型电力机车是我国高速铁路上普  
遍使用的机车类型，与普通机车负荷相比，具有瞬时  
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51477046)  
为了解决这些难题，文献[6-8]提出了基于单相  
万方数据  
- 10 -  
电力系统保护与控制  
背靠背结构潮流控制器的同相供电方案，两背靠背  
结构变流器共用一个直流母线电容，并通过两个降  
压隔离变压器与牵引变压器的二次侧相连。文献  
[9-10]提出了有源与无源补偿相结合的同相供电系  
统，降低了单相背靠背结构有源补偿部分的容量，  
减少了成本。文献[11]提出了一种五电平结构潮流  
控制器，提高了补偿容量。文献[12]提出了一种基  
于三相-单相变换的同相供电方案，整流侧由移相变  
压器与不可控整流桥构成，逆变侧由单相 PWM 逆  
变器构成，但该方案中不可控整流电路不具备四象  
限运行的能力。文献[13-14]提出了一种由三相多电  
平结构代替单相背靠背结构的同相供电方案，该结  
构可直接与变压器二次侧相连，所需的子模块数量  
与开关器件数量较多，但可节省三相降压变压器成  
本。文献[15]分析比较了多重化背靠背结构，三桥  
臂 MMC 结构与四桥臂 MMC 结构等拓扑结构的优  
缺点。文献[16]提出了一种“Γ”型直挂型有源补  
偿拓扑结构，两级联型Ｈ链节构成“Γ”型结构，  
但由于直接与 27.5 kV 侧相连，Ｈ链节所需要的子  
模块与开关器件数量要大于传统装置。文献[17]提  
出了一种双星型多电平铁路功率调节器，该结构能  
够直接进行交交变换。但文章仅分析了该结构的负  
序补偿能力，没有针对现代高速铁路牵引供电系统  
中较为突出的高次谐波等电能质量问题进行研究。  
牵引变压器的种类选择也会影响负序电流的大  
小，YNvd 平衡变压器作为一种新型平衡变压器，  
负序抑制能力远强于 V/v 变压器等非平衡变压器，  
同时与 Scott 平衡变压器、阻抗匹配平衡变压器等  
平衡变压器相比，YNvd 平衡变压器具有二次侧两  
输出回路无电气联系、结构简单等特点[18-20]。因此  
YNvd 平衡变压器在铁路牵引供电系统中是一种较  
为理想的变压器形式。  
相对较少。文中首先给出了该系统的拓扑结构，并  
对工作原理进行了详细的分析，提出一种综合控  
制策略，最后通过仿真验证了所提出方案的正确性  
与可行性。  
1
系统工作原理  
基于双星型多电平潮流控制器与 YNvd 变压器  
的同相供电系统拓扑结构如图 1 所示，绕组Wa1  
构成 YNvd 平衡变压器的二次侧 相，绕组Wa2  
b2 和 c2 组成二次侧 相。DS-MPFC 左侧通过降  
压隔离变压器 1 与二次侧 相连接，右侧与 YNvd  
、Wc1  
α
、
W
W
β
T
α
平衡变压器二次侧 β 相的“m”“n”两抽头相连。  
DS-MPFC 由四个 H 桥链节与滤波电感构成，其中  
H 桥链节由多个 H 桥模块串联而成。根 据 DS-MPFC  
&
&
工作原理可知，DS-MPFC 左右两侧电压Uca 、Ucb 应  
满足幅值相等，相位互相垂直，令 YNvd 平衡变压  
器变比为  
式(1)所示[18]  
WA :WB :WC :Wa1 :Wc1 :Wa2 :Wb2 :Wc2 =  
KT ，YNvd 平衡变压器各绕组匝数关系如  
。
(1)  
1
1
KT : KT : KT :  
:
:1:1:1  
3 3  
1 的变比为  
令降压变压器  
T
K
T1 ，则满足 KT1  
=
Wa2 /Wm2 =Wc2 /Wn2 。  
为此，针对电气化铁路牵引供电系统中的负序、  
高次谐波与电分相问题，本文将提出一种基于双星  
型多电平潮流控制器与 YNvd 变压器的新型铁路同  
相供电系统。双星型多电平潮流控制器(Double Star  
Multilevel Power Flow Controller, DS-MPFC)为交交  
变换结构，无需直流母线电容，能直接进行功率的  
双向流动。与传统背靠背结构潮流控制器相比，通  
过将 DS-MPFC 右侧直接连接于 YNvd 平衡变压器  
二次侧β相分接头的方式，取代了将潮流控制器左  
右两侧均通过降压隔离变压器连接于牵引变压器二  
次侧两相的传统方法，节省了一个降压隔离变压器  
的成本。同时该结构与两桥臂 MMC 结构相比无需  
直流母线电容，与三桥臂与四桥臂 MMC 相比，相  
同电压等级下 H桥链节子模块与开关器件所需数量  
图 1 系统拓扑结构图  
Fig. 1 Topology of proposed system  
原边次边电压向量关系如图 2 所示，原边次边  
万方数据  

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