高壓大容量五電平變換器在RPC中的應用

常非，趙麗平

（1.西南交通大學電氣工程學院，成都610031；2.濰坊供電公司，濰坊261021）

高壓大容量五電平變換器在RPC中的應用

常非1，2，趙麗平1

（1.西南交通大學電氣工程學院，成都610031；2.濰坊供電公司，濰坊261021）

針對電氣化鐵道電能質量存在的負序、諧波和無功問題，借鑒日本模式，提出了基于新型YNvd平衡變壓器的電鐵功率調節器RPC（railway static power conditioner）。為了適應牽引負荷高電壓、大容量的需求，RPC主要由2個背靠背的單相二極管箝位型五電平電壓源變流器構成，可以實現有功平衡、無功補償和諧波抑制，使得牽引供電系統相對電力系統而言是一個三相對稱純阻性網絡。此外還采用一種新穎的輔助穩壓電路來解決二極管箝位多電平結構固有的直流側電容均壓問題。最后用Matlab/Simulink仿真驗證了該方案的可行性。

電氣化鐵路；YNvd平衡變壓器；RPC；二極管箝位五電平結構；直流側電容均壓；電能質量

負序、無功和諧波一直是電氣化鐵路牽引供電系統存在的技術難題，為了解決這些問題，國內外進行了大量的研究。日本最先提出了電鐵功率調節器RPC（railway static power conditioner），其中新八戶變電所采用兩電平變流器的四并方案，新沼宮內變電所采用三電平變流器的兩并方案。由于受系統容量和電力電子器件發展水平的限制，上述2種方案中的變流器均需采用多組并聯的方案[1]。文獻[2]提出并分析了一種新型三相-兩相YNvd平衡變壓器。使用該新型平衡變壓器和五電平結構的RPC相結合，能夠完全消除負序、動態補償無功和諧波，是一種較理想的電鐵電能質量解決方案。為了適應牽引負荷高電壓、大容量的需求，本文提出了基于二極管箝位五電平的RPC拓撲結構，該結構不需并聯即可滿足牽引供電的大容量需求。

1 基于YNvd和RPC的變電所構成

RPC的基本構成如圖1所示。YNvd平衡變壓器二次側的兩牽引母線上連接2臺單相換流器，并與直流環節相連，即為功率調節器。RPC可實現兩臂間有功的平衡、無功的補償和諧波的抑制，達到電能質量的綜合解決。

圖1 基于YNvd和RPC的變電所結構Fig.1Substation structrue based on YNvd and RPC

采用YNvd平衡變壓器的接線方式如圖2所示。其一次側中性點直接接地，二次側兩相輸出電路既完全獨立又無互感耦合，一相負荷的任意變化不會影響另一相電壓的輸出。由于二次側有形接線繞組提供了三次諧波勵磁通路，可較好地改善輸出電壓波形。

其兩側的電流變換關系為

圖2 YNvd平衡變壓器Fig.2YNvd balancing transformer

由對稱分量法可得

經YNvd平衡變壓器的對稱變換電力系統側無零序分量；當兩臂負荷電流對稱時，可完全消除負序對電力系統側的影響，從而使系統三相電流對稱[2-3]。

2 五電平的RPC結構

圖3 五電平的RPC結構Fig.3Five-level RPC structure

五電平RPC結構如圖3所示，其由“背靠背”的四象限電壓型變流器組成，主電路為二極管箝位型五電平拓撲結構，兩端口變流器通過4個直流電容耦合在一起。針對五電平RPC傳遞有功時造成的直流側電容不平衡問題，文中采用了一種新穎的輔助穩壓電路。

與傳統兩電平變流器相比，二極管箝位五電平變流器主要有以下3個優點：

（1）每個功率器件所承受的關斷電壓僅為直流側電壓的1/4，即直流電壓可以提高4倍，容量也可以提高4倍；

（2）在同樣的開關頻率及控制方式下，五電平變流器輸出電壓或電流的諧波大大小于兩電平變流器的，因此其總諧波失真THD遠小于兩電平變流器；

（3）由于變流器輸出電壓有9個電平，所以輸出電壓更接近正弦，諧波含量更小，可以降低開關器件頻率，減小開關損耗。

2.1 直流側電容均壓控制

圖4給出了二極管鉗位多電平逆變器在調制深度和負載電流角度共同影響下的電容電壓平衡域[4]。圖4表明：負載功率因數越高，對調制深度的限制越大，在極端情況，負載功率因數為1時，五電平逆變器的最大調制比僅為0.55，而在此調制比下，五電平逆變器的線電壓由9個電平退化為5個電平?？梢姡ㄟ^調制方法無法實現五電平變流器在正常輸出時對直流側電容的均壓控制。

圖4 二極管鉗位多電平逆變器電容電壓平衡域Fig.4Diode-clamped multi-level inverter capacitor voltage balance domain

本文采用一種新型的直流穩壓輔助電路。該電路能夠在任意功率因數下，特別是在傳遞有功電流時，實現直流電容的均壓與穩壓，使得變換器的脈沖寬度調制PWM（pulse width modulation）調制深度不再受直流電壓穩定條件的限制，保證在任意調制深度條件下實現有功或無功的傳遞，且其結構簡單，成本低，可靠性強[5]。

該輔助電路箝位在五電平變換器電容側，t1時刻（即1個PWM周期的前半段）開關管S1、S3、S5、S7導通，C1與Ca1，C2與Ca2，C3與Ca3均形成通路，兩兩之間可實現相互均壓；t2時刻（即PWM周期的后半段）開關管S2、S4、S6、S8導通，C2與Ca1，C3與Ca2，C4與Ca3均形成通路，兩兩之間也可實現相互均壓?？梢?，在1個PWM周期內C1、C2與Ca1，C2、C3與Ca2，C3、C4與Ca3均實現了能量的交換，故形象地稱其為“乒乓工作原理”，如圖5所示。經過幾個周期能量的“乒乓”交換，即可實現均壓。

圖5 輔助穩壓電路的“乒乓”工作原理Fig.5“Ping pong”principle of auxiliary voltage-stabilizing circuit

3 檢測算法

3.1 有功、無功和諧波電流的檢測方法

檢測框圖如圖6所示，其詳細推導過程如下[6]。

由于α、β兩相負載相互獨立，故以α相為例，設α相的電壓為

α相的負載電流用傅里葉級數展開為

式中，ip，α（t）、iq，α（t）、ih，α（t）分別為有功分量、無功分量和諧波分量。

鎖相環檢測出與供電臂電壓同相位的單位正弦信號，將其與式（4）的負載電流信號相乘，可得到

圖6 有功、無功和諧波電流的檢測框圖Fig.6Block of current detection for active，reactive and harmonic

通過低通濾波器LPF（low pass filter）濾去交流分量之后，只剩下直流分量即α相負載電流有功分量的1/2。

同理，β相負載乘以sin θβ，經過LPF之后，得到

為了維持直流側電容電壓Udc的恒定，算法中包含了檢測直流電壓的PI控制器。指令電壓Udc*與反饋電壓Udc之差經PI調節器后得到調節信號將其疊加到兩臂有功電流直流分量之和上。再分別乘上鎖相環輸出的與α、β相電壓同相位的單位正弦信號，得到和可實現兩臂有功功率的平衡，即

諧波電流值為

α臂的補償電流為

即實現了有功平衡、無功補償和諧波抑制。

同理可得β臂的的補償電流為

綜上，通過如圖6所示的檢測算法，可實現兩臂有功平衡、無功補償和諧波抑制。

4 仿真實驗

在Matlab/Simulink下建立仿真模型，仿真參數設置為：電力系統額定電壓為110 kV，系統短路容量為1 000 MVA；YNvd平衡變壓器變比為110 kV/27.5 kV，容量為10 MVA；隔離變壓器變比為k=6.25；直流支撐電容C=0.056 F；直流側電壓為6 600 V；三角載波頻率為1 kHz；交流側電感參數為1 mH；仿真結果如圖7～圖15所示。

圖7 牽引負荷電流波形Fig.7Current waveforms of traction load

圖8 補償電流波形Fig.8Compensation current waveforms

圖9 直流側分壓電容波形Fig.9DC side divider capacitor voltage waveforms

圖10 直流側的總電壓波形Fig.10Total voltage waveform of DC side

圖11 五電平變流器線電壓波形Fig.11Output line-voltage waveform of five-level converter

圖12 補償之后YNvd二次側電流波形Fig.12Current waveforms of Ynvd secondary side with compensation

圖13 補償之前110 kV系統側電流波形Fig.13Current waveforms of 110 kV power system side without compensation

圖14 補償之后110 kV系統側電流波形Fig.14Current waveforms of 110 kV power system side with compensation

圖15 110kV系統側電壓波形Fig.15Voltagewaveformsof110kVsystemside

圖7 、圖8分別為α、β供電臂的機車電流iL，α、iL，β和RPC輸出的補償電流ic，α、ic，β。從圖9、圖10可以看出，直流側電容實現了均壓，說明了該輔助穩壓電路的可行性；從圖11可以看出，五電平變流器輸出線電壓具有9個電平，比傳統的兩電平變流器輸出電壓更接近正弦，可以有效降低諧波電壓；從圖12～圖14可以看出，補償之后YNvd二次側兩相電流幅值相等，相位互差90°，兩臂負荷電流完全對稱，實現了有功的平衡并消除了負序對電力系統側的影響，從而使原邊三相電流對稱；對比圖14和圖15可以看出電力系統側三相電流對稱，并且與電壓同相位，功率因數接近于1，諧波畸變率很低，使得牽引供電系統呈現出三相對稱純阻性負載特性，電力系統側電能質量良好。

5 結論

（1）經仿真驗證，文中提出的基于二極管箝位五電平結構的RPC能夠適應牽引負荷高電壓、大容量的需求，可以實現有功平衡、無功補償和諧波抑制，使得牽引供電系統相對電力系統而言是一個三相對稱純阻性負載。

（2）五電平變流器輸出線電壓具有9個電平，比傳統的兩電平交直交變換器輸出電壓更接近正弦，可以有效降低諧波電壓。

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關于參數與偏差范圍的表示

1.數值范圍：五至十可寫為5～10；3×103～8×103不能寫成3～8×103。

2.百分數范圍：20%～30%不能寫成20～30%。

3.具有相同單位的量值范圍：1.5～3.6 mA不必寫成1.5 mA～3.6 mA。

4.偏差范圍：（25±1）℃不寫成25±1℃；（85±2）%不寫成85±2%。

5.帶尺寸單位的量值相乘,如50 cm×80 cm×100 cm，不能寫50×80×100 cm或50×80× 100 cm3。

摘編于《中國高等學校自然科學學報編排規范》（修訂版）

Application of High-voltage Large-capacity Five-level Converter on Railway Static Power Conditioner

CHANG Fei1，2，ZHAO Li-ping1
（1.School of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China；2.Weifang Power Supply Company，Weifang 261021，China）

In order to tackle the problems of negative sequence，reactive power and harmonic that caused by traction power supply system，via the experience of Japanese pattern，railway static power conditioner（RPC）is proposed in this paper based on the Novel YNvd balancing transformer.In order to meet high voltage and high capacity requirements of the traction load，RPC is mainly composed of two back-to-back single-phase diode-clamped five-level voltage source converter.It can realize the balance of active power，compensate the reactive power and dampen the harmonic current simultaneously，so it convert the traction power supply system into a three-phase symmetrical pure resistant network.In addition，a novel auxiliary voltage-stabilizing circuit is adopt to solve the inherent problem of DC side capacitance balancing for voltage in diode-clamped multi-level structure.Finally，the simulation of Matlab/ Simulink is uesd to verify the feasibility of the proposed procedure.

electrified railway；YNvd balancing transformer；railway static power conditioner（RPC）；diode-clamped five-level structure；DC side capacitance balancing for voltage；power quality

TM922.3

A

1003-8930（2014）09-0040-06

常非（1986—），男，碩士，助理電氣工程師，研究方向為電能質量分析與控制。Email：verymuch_cool@126.com

趙麗平（1973—），女，博士，副教授，研究方向為電能質量分析與控制。Email：lpzhao@swjtu.cn

2012-11-23；

2013-07-23

中央高?；究蒲袠I務費科技創新項目（SWJTU12CX138）