27电平新型铁路功率调节器及其负序补偿方法

卜健怡， 张长征

(湖北工业大学太阳能高效利用及储能运行控制湖北省重点实验室， 湖北 武汉 430068)

随着我国电气化铁路的大规模建设和交直交型电力机车的大量运营，铁路供电系统的负序等电能质量问题变得越来越严重，在电力系统中产生严重的危害，如继电保护误动作等[1]。

为治理负序问题，文献[2-3]提出基于背靠背变流器的多电平同相供电装置，但成本高。日本学者提出铁路功率调节器(Railway Power Conditioner, RPC)，取得较好的负序治理效果[1,4]。考虑到交直交型电力机车功率大，导致负序补偿功率增大，我国学者开始将传统的RPC和多电平结构结合。文献[5]将模块化多电平结构应用在RPC上，直流侧电流小，但结构复杂。也有学者提出基于双星型多电平结构的新型RPC，但环流抑制导致损耗大[6]。针对高压大容量有源补偿场合，文献[7]提出一种基于电压源和电流源串联的多电平拓扑结构，具有响应性能好、损耗小等优点，但其无法治理负序问题。目前尚无将电压源和电流源串联的拓扑应用于RPC进行负序治理的研究。

针对负序补偿电流检测，文献[8-9]通过相量分析，根据几何关系计算补偿后牵引变压器二次侧期望电流，进而得到补偿电流，但文献[8]由于采用负序、谐波综合补偿，增加了系统的补偿功率；文献[9]将谐波与负序补偿分离以减少补偿功率，但与文献[8]均存在检测波动问题。

针对以上问题，本文提出一种新型RPC，由背靠背连接的两个电压源、相应的串联电流源和储能系统构成。以三相V/v牵引变压器为应用背景，首先分析了系统结构，通过建立系统等效电路与相量图分析系统的负序补偿机理。然后基于移相构造思想提出了负序补偿电流检测新方法，并研究系统的控制方法。最后建立仿真模型验证本文所提方案和方法的可行性和有效性。

1 系统结构

以采用三相V/v牵引变压器的铁路牵引供电系统为例，新型RPC的基本结构见图1。三相V/v牵引变压器由两台共用油箱的单相变压器构成[1]，将110 kV的A、B、C三相电变换为27.5 kV单相电后向供电臂供电。定义图1中与牵引变压器二次侧a相相连的供电臂为a臂，b相为b臂；iA、iB和iC是牵引变压器一次侧电流，ua、ub是牵引变压器二次侧a、b相电压，ia、ib分别是牵引变压器二次侧a、b相电流，iaL、ibL是a、b供电臂的负载电流，ica、icb是RPC向牵引变压器二次侧a、b相输出的补偿电流，udc是电压源直流母线电压，k是单相变压器的变比系数。

图1 新型RPC结构

新型RPC包括背靠背连接的两个电压源、相应的串联电流源和储能系统。a、b相电压源输出的27电平电压的基波分量分别与ua、ub的基波分量的有效值接近、频率相等、相位相等，同时a、b相电压源通过背靠背连接的方式实现相间功率交换。由文献[7]可知电压源中承担80%功率的H桥开关频率仅50 Hz，故当RPC补偿功率为5 MW时，接近4 MW的功率由开关频率在50 Hz的开关器件承担。因此在补偿过程产生的损耗小，同时有利于提高大功率补偿时开关器件的安全性。a、b相电流源通过跟踪补偿电流参考信号对RPC输出的补偿电流ica、icb进行控制，又电压源的输出电压近似抵消牵引变压器的二次侧电压，因此电流源工作在较低的电压环境中，其开关频率高，可以很好的跟踪补偿电流信号。考虑到电力机车在回馈制动时往供电臂注入再生制动能量，因此在电压源的直流母线设置储能系统，储能系统由双向DC/DC变换器和超级电容(Super Capacitors，SC)构成，主要用于维持直流母线电压的稳定和进行再生制动能量的回收释放[10]。

电压源由混合级联27电平变换器构成(图1)，包括3个H桥和3个变比分别为1∶k、1∶3k、1∶9k的单相变压器。3个H桥的直流侧共用直流母线电容，交流侧与变压器的低压侧相接，变压器的高压侧串联构成补偿支路的一部分。通过对3个变压器高压侧输出电平的组合，就可以在补偿支路上输出27电平电压fx(t)，x=a、b，a、b分别代表a、b相电压源。初相为0的27电平电压f0(t)在一个周期T内的波形见图2，ti是各电平的输出时刻。

图2 27电平电压

udc与27电平电压的基波分量的有效值U的关系为[7]

(1)

2 负序补偿机理

为分析新型RPC的负序补偿机理，忽略谐波，将牵引变压器归算到二次侧，建立系统在基波域的等效电路和系统相量图，如图3所示。

(a)等效电路

(b)补偿相量图3 系统等效电路和相量

(2)

式中，IaLp、IaLq分别是IaL的有功分量、无功分量，IaLp、IaLq分别是IaLp、IaLq的有效值；IbLp、IbLq分别是IbL的有功分量、无功分量，IbLp、IbLq分别是IbLp、IbLq的有效值。

3 负序补偿电流检测与系统控制方法

3.1 负序补偿电流检测方法

令iaL和ibL为

(3)

式中：IaLh和IbLh分别是a、b臂负载电流第h次谐波电流有效值，ψaLh、ψbLh分别是a、b臂负载电流第h次谐波电流相角。

(4)

(5)

将式(5)展开

(6)

(7)

(8)

式中，iaL*、ibL*分别是iaL、ibL基波表达式。

(9)

(10)

根据上述分析，本文提出负序补偿电流检测新方法(图4)。其中，

(11)

图4 负序补偿电流检测方法

3.2 系统控制方法

通过锁相环获取ua、ub的频率和相位，就可计算各个开关管的触发信号[7]，控制电压源输出27电平电压，储能系统采取电压外环和电流内环的双闭环控制来维持电压源直流母线电压稳定，同时通过PWM(Pulse Width Modulation，PWM)调制产生触发脉冲(图5a)。电流源通过三角波比较电流控制法对补偿电流的参考信号跟踪控制，采用载波同相层叠法(Phase Disposition Pulse Width Modulation，PD-PWM)调制并通过选择冗余开关矢量来维持电流源直流侧电容电压均衡(图5b)。

(a)总体控制原理

(b)电流源控制原理图5 系统控制框图

4 仿真研究

以三相V/v牵引供电系统为应用背景，建立新型RPC的Simulink模型。设接入的三相电压为110 kV，频率50 Hz。牵引变压器变比为110 kV∶27.5 kV。电压源的变压器系数k为2，电流源的开关频率为5 kHz，超级电容的容量为120 F。

4.1 负序补偿电流检测性能

(a)补偿电流检测性能对比

图6 负序补偿电流检测性能对比

4.2 电压源和电流源特性

由图7a可知，电压源输出的27电平电压与牵引变压器二次侧输出电压波形基本一致，因此可以近似抵消牵引变压器二次侧电压，此时a、b相电流源交流侧电压见图7b，a、b相电流源交流侧电压Va、Vb最大值均低于1.6 kV。

(a)电压源输出电压

(b)电流源交流侧电压图7 电压源和电流源仿真结果

4.3 系统补偿特性

假设工况A，当a臂处于再生制动工况，b臂处于牵引工况且负载功率分别为-3.6 MW和9.5 MW时，牵引变压器一次侧三相电流在RPC补偿前后的波形见图8a。由图可见，在0.18 s前三相电流的大小不相等，此时在一次侧存在负序问题。在0.18 s系统投入补偿后，通过有功转移和补偿无功，三相电流在一个周期内即可平衡，负序问题得到有效治理。

(a)工况A

(b)工况B图8 一次侧三相电流波形

假设工况B，a、b臂负载功率分别为-3.6 MW和8 MW，在0.3 s后a、b臂负载功率分别变化为3.9 MW和4.9 MW，牵引变压器一次侧三相电流波形见图8b。由图可见，在0.3 s前三相电流平衡，当负载功率发生变化后，三相电流的大小不相等，此时在一次侧存在负序问题。在系统的补偿作用下，三相电流在1.5个周期内即可平衡，负序问题得到有效治理，故新型RPC具有良好的补偿性能。

5 结论

本文提出一种基于电压源和电流源串联的新型多电平RPC。其中，承载兆瓦级补偿功率的开关器件的开关频率低、损耗小。仿真结果表明新型RPC可以有效治理V/v牵引供电系统的负序、无功电能质量问题。相较于传统检测方法，本文提出的基于移相构造思想的检测方法在提取直流分量时性能良好，检测误差小。