一种基于MMC的端口隔离型同相供电系统及其控制方法

一种基于mmc的端口隔离型同相供电系统及其控制方法
技术领域
1.本发明涉及电气化铁路牵引供电系统技术领域，特别涉及一种基于scott变压器电气化铁路同相供电系统。


背景技术：

2.目前高速铁路已广泛使用单相工频交流制的交-直-交型电力机车，其谐波含量小，功率因数接近于1，因此负序问题是其主要的电能质量问题。由于交-直-交型电力机车牵引功率大，且随着高速铁路数量的增多，其对电力系统带来的电能质量问题日益严重，亟待解决。为了减小负序问题的影响，目前高速铁路中广泛使用轮换相序、分相分区的电分相供电方案。但电分相会带来机车掉速、过电压、施工选址受限等问题，对于机车的正常运行存在一定的安全隐患。现有的自动过分相技术主要包括地面开关自动切换过分相、车载自动过分相以及柱上自动过分相等。但自动过分相技术并不能完全解决电分相带来的危害。
3.为了解决负序和电分相问题，同相供电系统被提出。理论和实践表明，采用同相供电技术可以取消变电所出口处的电分相，且能够有效解决负序问题。同相供电系统包括基于补偿装置的同相供电系统和贯通式同相供电系统。目前已经投入使用的主要是基于补偿装置的同相供电系统，其主要由牵引变压器、匹配变压器以及补偿装置构成。其中补偿装置包括无源补偿装置、有源补偿装置以及无源与有源相结合的混合补偿装置。无源补偿装置不能动态调节无功、灵活性差、不能有效抑制谐波；混合补偿装置虽然能降低有源补偿容量，但有源补偿容量依然大，且控制方法复杂。因此，适用性强、动态调节能力强、补偿效果显著的有源补偿装置成为目前研究热点。但有源补偿装置具有容量较大、成本较高的问题，不利于普遍推广。


技术实现要素：

4.针对这一问题，本发明提供了一种基于mmc的端口隔离型同相供电系统及其控制方法，该系统不仅能实现电网系统、牵引系统、补偿系统的三端隔离，保证了安全性，而且能在三相mmc交流侧形成与电网电压相位完全相同的三相对称电压，同时具有较小的容量。
5.本发明的目的是由以下技术方案实现的：
6.一种基于mmc的端口隔离型同相供电系统，包括电网侧的三相高压直流母线，用于电力机车牵引的牵引scott变压器tt，三相mmc-statcom无功补偿装置，以及用于连接电力机车牵引的牵引scott变压器tt和三相mmc-statcom无功补偿装置的匹配scott变压器mt；
7.牵引scott变压器tt原边与三相高压直流母线相连，副边与匹配scott变压器mt的副边对应相连；匹配scott变压器mt原边与三相mmc-statcom无功补偿装置相连；牵引 scott变压器tt副边α相和β相串联，接至牵引母线给电力机车供电。
8.作为本发明的进一步改进，所述牵引scott变压器tt原边三个端子a、b、c分别与三相高压直流母线a相、b相、c相连接；牵引scott变压器tt副边四个端子α1、n1、n2、β1分别与匹配scott变压器mt副边四个端子α2、m1、m2、β2对应相连，其中n1与n2相连，m1与m2相连；匹配
scott变压器mt原边三个端子u、v、w分别与三相mmc-statcom无功补偿装置的u相、v相、w相对应相连；牵引scott变压器tt副边α1、β1端子引出，接至牵引母线给电力机车供电。
9.作为本发明的进一步改进，所述三相mmc-statcom无功补偿装置的每个桥臂有n个子模块，子模块采用半桥结构。
10.一种基于mmc的端口隔离型同相供电系统的控制方法，包括：
11.1)使用了双同步坐标系解耦的正负序分离方法，通过引入二倍频分量的解耦运算来消除二倍频分量，从而分别得到正负序电流的dq轴直流分量；
12.2)对三相mmc-statcom无功补偿装置的正序分量，进行同步旋转坐标变换，对d、 q轴进行解耦控制，得到交流侧期望输出的正序基波电压量，对于负序分量，其控制方法与正序相同，进行电流控制；
13.3)进行电容均压控制，具体包括：
14.①
mmc在运行过程中有充电或放电两种状态，通过改变每个子模块开关驱动信号的占空比，来改变其充放电时间，控制子模块电容电压达到平衡；
15.②
引入相间电容电压均衡控制，电压外环控制中使用所有子模块电容电压平均值与每一相子模块电容电压平均值相比较，生成每相环流指令值；
16.4)使用基于双同步坐标系解耦的正负序分离法进行环流抑制的控制。
17.作为本发明的进一步改进，双同步坐标系解耦的正负序分离方法，具体包括：
18.对该三相不对称电流进行正序基频旋转坐标变换：
[0019][0020]
即正序分量变换为直流分量，而负序分量变换为二倍频分量；
[0021]
对该三相不对称电流进行负序基频旋转坐标变换：
[0022][0023]
即负序分量变换为直流分量，而正序分量变换为二倍频分量。
[0024]
作为本发明的进一步改进，基于同步旋转坐标变换的前馈解耦控制，具体包括：
[0025]
对于正序分量，根据基尔霍夫定律，得到：
[0026][0027]
式中，
[0028][0029]
对式(12)进行同步旋转坐标变换，可得：
[0030][0031]
对d、q轴进行解耦控制，令
[0032][0033]
由式(14)和式(15)得到交流侧期望输出的正序基波电压量为：
[0034][0035]
对于负序分量的控制方法与正序相同。
[0036]
作为本发明的进一步改进，通过改变每个子模块开关驱动信号的占空比，来改变其充放电时间，从而控制子模块电容电压达到平衡，具体包括：
[0037]
当i
ap
*u
error
》0时，增大子模块导通占空比，延长充电或放电的时间；当i
ap
*u
error
《0时，减小子模块导通占空比，缩短充电或放电的时间。
[0038]
作为本发明的进一步改进，使用基于双同步坐标系解耦的正负序分离法进行环流抑制的控制，具体包括：
[0039]
三相正负序网络中，环流的数学模型为：
[0040][0041]
式中，i
zx
为mmc内部三相环流，u
zx
为mmc内部三相不平衡压降；
[0042]
对式(17)进行同步旋转坐标变换，得到：
[0043][0044]
对d、q轴进行解耦控制。
[0045]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0046]
本发明提供了一种基于mmc的端口隔离型同相供电系统，包括电网侧的三相高压直流母线，用于电力机车牵引的牵引scott变压器三相mmc-statcom无功补偿装置，以及用于连接电力机车牵引的牵引scott变压器和三相mmc-statcom无功补偿装置的匹配scott 变压器；该系统变采用牵引scott变压器与匹配scott变压器完全对称连接，不仅能实现电网系统、牵引系统、补偿系统的三端隔离，保证了安全性，而且能在三相mmc-statcom无功补偿装置交流侧形成与电网电压相位完全相同的三相对称电压，同时具有较小的容量。本发明可用于电气化铁路同相供电系统，可以解决现有铁路供电系统中的负序问题和电分相问题，且补偿系统的变流器容量较小，节约了成本，有利于同相供电系统的推广应用。
附图说明
[0047]
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现
有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0048]
图1为该同相供电系统典型拓扑结构；
[0049]
图2为三相mmc-statcom无功补偿装置的拓扑结构；
[0050]
图3为几种基于mmc的同相供电系统；
[0051]
图4为mmc-pfc变流器的拓扑结构；
[0052]
图5为负载电流基波有功电流有效值的提取；
[0053]
图6为statcom的等效电路图；
[0054]
图7为statcom的工作相量图；
[0055]
图8为基于双同步坐标系解耦的正负序分离方法实施框图；
[0056]
图9为三相mmc-statcom无功补偿装置其中一相的正序分量等效电路图；
[0057]
图10为正负序分量电流控制框图；
[0058]
图11为mmc子模块在运行过程中充电或放电两种状态示意图；
[0059]
图12为mmc子模块电容均压控制框图；
[0060]
图13为三相mmc相间电容电压均衡控制框图；
[0061]
图14为本系统中三相mmc内部环流抑制的控制框图；
[0062]
图15为铁路供电系统未接入三相mmc-statcom无功补偿装置进行负序补偿时电网电压和电网电流波形；
[0063]
图16为本系统接入三相mmc-statcom无功补偿装置进行负序补偿时的仿真波形。
具体实施方式
[0064]
为了使本发明的目的和技术方案更加清晰和便于理解。以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的详细说明，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并非用于限定本发明。
[0065]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0066]
下面将结合附图及具体的实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施
例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的范围。
[0067]
本发明提供了一种基于scott变压器与模块化多电平变流器mmc的电气化铁路同相供电系统。该系统包括电网侧的三相高压直流母线，用于电力机车牵引的牵引scott变压器tt，用于连接牵引系统和补偿装置的匹配scott变压器mt以及三相mmc-statcom无功补偿装置。
[0068]
牵引scott变压器tt原边与三相高压直流母线相连，副边与匹配scott变压器mt的副边对应相连；匹配scott变压器mt原边与三相mmc-statcom无功补偿装置相连。牵引 scott变压器tt副边α相和β相串联，接至牵引母线给电力机车供电。
[0069]
图1为该同相供电系统典型拓扑结构。牵引scott变压器tt原边三个端子为a、b、c，副边四个端子为α1、n1、n2、β1。匹配scott变压器mt原边三个端子为u、v、w，副边四个端子为α2、m1、m2、β2。其连接方式如下：
[0070]
牵引scott变压器tt原边三个端子a、b、c分别与三相高压直流母线a相、b相、c相连接。牵引scott变压器tt副边四个端子α1、n1、n2、β1分别与匹配scott变压器mt副边四个端子α2、m1、m2、β2对应相连，其中n1与n2相连，m1与m2相连，由此可以在匹配 scott变压器mt原边得到与三相电网的a相、b相、c相相位完全相同且对称的三相电压u 相、v相、w相。匹配scott变压器mt原边三个端子u、v、w分别与三相mmc-statcom 无功补偿装置的u相、v相、w相对应相连。牵引scott变压器tt副边α1、β1端子引出，接至牵引母线给电力机车供电。
[0071]
图2为三相mmc-statcom无功补偿装置的拓扑结构，每个桥臂有n个子模块，子模块采用半桥结构。
[0072]
图3为几种基于mmc的同相供电系统。
[0073]
图4为mmc-pfc变流器的拓扑结构。表1为本发明与几种基于mmc的同相供电系统的mmc变流器容量对比。从表1中可以看出，本发明中mmc变流器容量可以达到最小。同时，图3(a)所示的基于mmc的同相供电系统中，mmc变流器与本发明中mmc变流器容量相同，但图3(a)所示同相供电系统不能实现牵引系统端口与补偿系统端口的隔离。本发明能实现电网系统、牵引系统、补偿系统的三端隔离，保证了同相供电系统的安全性。
[0074]
表1
[0075][0076]
本发明的基本原理和控制方法如下：
[0077]
该同相供电拓扑下三相mmc-statcom无功补偿装置交流输出侧指令电流的提取，建立了三相mmc-statcom无功补偿装置的等效电路，说明其控制原理，并介绍了一种闭环控制策略。
[0078]
(1)三相mmc交流侧指令电流提取
[0079]
在高速铁路中，对负序电流的补偿是同相供电系统补偿的主要目的。牵引变压器副边端口电流在三相电网中造成的总负序电流为：
[0080]
[0081]
其中，km为牵引变压器副边电压与原边线电压之比；im为牵引变压器副边端口电流有效值；ψm为牵引变压器副边端口电压滞后原边a相电压的角度；为牵引变压器副边端口的功率因数角。
[0082]
对于牵引scott变压器，当其副边端口电流满足i
α
＝i
β
、时，能对电网电流负序实现完全补偿。
[0083]
设牵引scott变压器(tt)副边α相、β相以及负载电压为：
[0084][0085]
则期望得到的副边端口电流为：
[0086][0087]
设负载电流为：
[0088][0089]
其中，为负载功率因数角，ih为谐波分量，i
l
为电流有效值。
[0090]
根据功率守恒，电源提供的能量等于负载消耗的能量，可以得到：
[0091][0092]
其中，i
lp
为负载有功电流有效值，
[0093]
则匹配scott变压器(mt)期望得到的副边端口电流为：
[0094][0095]
根据scott变压器特性，可以得到scott补偿变压器(mt)原边期望得到的电流，即三相mmc-statcom无功补偿装置交流输出侧指令电流为：
[0096][0097]
其中，负载电流基波有功电流有效值的提取，使用了二阶广义积分器(sogi)的90
°
相角偏移方案来产生两相只含有基波的正交信号，并经过一系列运算，滤除二倍频分量后，可以得到其框图如图5所示。
[0098]
(2)statcom工作原理
[0099]
statcom可以视为一个与电网同频率的幅值和相位均可控制的交流电压源，当考虑损耗时，statcom的等效电路及工作相量图分别如图6、图7所示。
[0100]
对图5所示相量图进行分析，由几何关系可得：
[0101][0102]
式中，δ为与的相位差，为连接电抗器的阻抗角。
[0103]
由此得，稳态时statcom从电网吸收的无功电流和有功电流的有效值分别为：
[0104][0105]
由式(9)可知，通过控制δ和的值，可以控制statcom的输出电流跟随指令电流值变化，从而达到对电网电流补偿的目的。
[0106]
(3)mmc闭环控制
[0107]
对于三相mmc-statcom无功补偿装置的控制，本系统采用了基于同步旋转坐标变换的前馈解耦控制策略。
[0108]
1)基于双同步坐标系解耦的正负序分离
[0109]
三相mmc-statcom无功补偿装置交流输出侧指令电流为三相不对称电流。如果直接对该三相不对称电流进行正序基频旋转坐标变换：
[0110][0111]
即正序分量变换为直流分量，而负序分量变换为二倍频分量。
[0112]
同理，对该三相不对称电流进行负序基频旋转坐标变换：
[0113][0114]
即负序分量变换为直流分量，而正序分量变换为二倍频分量。
[0115]
由于低通滤波器的频带窄，如果使用低通滤波器滤除二倍频分量，会影响控制系统的动态性能。因此，采用双坐标系解耦分序法，通过引入二倍频分量的解耦运算来消除二倍频分量，从而分别得到正负序电流的dq轴直流分量。其具体实施框图如图8所示。
[0116]
2)电流控制
[0117]
对三相mmc-statcom无功补偿装置其中一相的正序分量，其等效电路如图9所示。
[0118]
由图6和图9，根据基尔霍夫定律，可以得到：
[0119][0120]
式中，
[0121][0122]
对式(12)进行同步旋转坐标变换，可得：
[0123][0124]
对d、q轴进行解耦控制，令
[0125][0126]
由式(14)和式(15)得到交流侧期望输出的正序基波电压量为：
[0127][0128]
对于负序分量，其控制方法与正序相同。从而得到其控制框图如图10所示。
[0129]
3)电容均压控制
[0130]
①
子模块电容均压控制
[0131]
在mmc正常运行中，保证每个子模块电容电压恒定十分重要。mmc子模块在运行过程中有充电或放电两种状态，如图11所示，我们可以通过改变每个子模块开关驱动信号的占空比，来改变其充放电时间，从而控制子模块电容电压达到平衡。
[0132]
其控制框图如图12所示。
[0133]
当i
ap
*u
error
》0时，增大子模块导通占空比，延长充电或放电的时间；当i
ap
*u
error
《0时，减小子模块导通占空比，缩短充电或放电的时间。
[0134]
②
相间电容电压均衡控制
[0135]
mmc正常运行过程中，会出现三相之间子模块电容电压不均衡的问题，为此引入了相间电容电压均衡控制。为了保证使三相之间均衡的额外功率不改变三相总功率，电压外环控制中使用所有子模块电容电压平均值与每一相子模块电容电压平均值相比较，生成每相环流指令值，其控制框图如图13所示。
[0136]
4)环流抑制
[0137]
mmc交流侧与直流侧之间的能量流动，会在mmc内部产生二倍频的功率波动，该二倍频功率波动会使子模块电容电压产生二倍频波动。子模块电容的二倍频波动电压经调制后会产生额外的二倍频激励电压，该电压作用于桥臂电感上，会在mmc内部产生二倍频环流。二倍频环流会使桥臂电流发生畸变，并占用开关器件容量，使损耗增加，因此需要对mmc 内部环流进行抑制。
[0138]
本系统三相mmc-statcom无功补偿装置三相交流侧输出三相不平衡电流，包括正序电流分量和负序电流分量，分别在mmc内部产生二倍频的负序环流和正序环流，因此，同样使用基于双同步坐标系解耦的正负序分离法提取环流的正负序分量，并通过正负序独立控制来抑制二倍频环流。
[0139]
根据图9，三相正负序网络中，环流的数学模型为：
[0140][0141]
式中，i
zx
为mmc内部三相环流，u
zx
为mmc内部三相不平衡压降。
[0142]
对式(17)进行同步旋转坐标变换，可得
[0143][0144]
对d、q轴进行解耦控制，可得本系统中环流抑制的控制框图如图14所示。
[0145]
(4)仿真验证
[0146]
表2为基于本系统搭建的matlab/simulink仿真模型的具体参数。
[0147]
表2
[0148][0149]
图15为铁路供电系统未接入三相mmc-statcom无功补偿装置进行负序补偿时电网电压和电网电流波形。其中，为了便于观测，测量时电网电压取原电网电压的1/100。
[0150]
图16为本系统接入三相mmc-statcom无功补偿装置进行负序补偿时的仿真波形。其中，图16(a)上图为三相mmc-statcom无功补偿装置交流侧实际电流波形，图16(a)下图为三相mmc-statcom无功补偿装置交流侧指令电流波形，图16(b)为电网电压和电流波形。由图16(a)可以看出，在上述控制方法下，三相mmc-statcom无功补偿装置交流侧实际电流可以完全跟随其指令电流，具有较好的控制效果。由图16(b)和图15对比可以看出，铁路供电系统在接入三相mmc-statcom无功补偿装置进行补偿后，因牵引机车而在电网侧形成的大量负序和无功电流得到了有效的抑制，从而实现了网侧三相电流对称，且电网电压与电流同相位。
[0151]
以上，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
[0152]
以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，所属领域的普通技术人员依然可以对本发明的具体实施方案进行修改或者等同替换，而这些并未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均在本发明的权利要求保护范围之内。