基于MMC的铁路功率调节器方案对比

王之赫，童亦斌，荆龙，李金科，王卫安，吴涛

（1.北京交通大学国家能源主动配电网技术研发中心，北京100044；2.南车株洲电力机车研究所有限公司，湖南株洲412001；3.华北电力科学研究院有限责任公司，北京100045）

1 引言

铁路牵引供电系统是直接接入高压电力系统的特殊负荷，其具有非线性、不平衡性和波动性等特点，给公用电网的电能质量带来严重影响［1-2］。

铁路功率调节器（RPC）是由日本学者1993年提出的概念［3］，传统的RPC 多采用两电平电压源型变换器（VSC），而在高压大功率应用领域，多电平变换器逐渐成为一种趋势［4］。德国学者Marquardt R.提出的模块化多电平变换器（MMC）的拓扑［5］可以直接应用于中高压大功率领域。

针对不同结构的RPC，国内外学者已进行了一定的研究。文献［6］提出了一种基于半桥结构的新型铁路功率调节装置；文献［7］提出了一种基于MMC的背靠背连接结构的两相补偿系统。

本文对多电平铁路功率调节器（multilevel railway static power conditioner，MRPC）的原理进行了阐述，以基于V/v 变压器的AT（auto transformer）供电方式为应用背景，对不同结构的MRPC 进行了分析和对比，最后通过RT-LAB实时仿真平台，验证了3 桥臂MRPC 系统的补偿效果。

2 MRPC系统介绍

2.1 MMC的工作原理

MMC拓扑结构如图1所示，通过控制开关器件的通断状态，可实现交流侧多电平输出［8］。

图1 MMC拓扑结构Fig.1 Topology structure of MMC

2.2 RPC的工作原理

本文中牵引供电补偿系统可以分为V/v牵引供电系统和RPC补偿系统两个部分，结构见图2。

图2 V/v变压器和RPC组成的补偿装置Fig.2 Compensation device consisting of V/v transformer and RPC

RPC补偿系统实质上是一个交直交背靠背结构的变流器，交流侧连接牵引变压器二次侧。其工作原理是通过开关变换，得到一个幅值和相位均可独立调节的等效受控电压源，进而对接入点的无功电流、谐波电流实现独立补偿；同时，RPC通过直流侧电容可以实现两相有功功率的转移。

3 MRPC方案对比

3.1 2桥臂MRPC方案设计

如图3所示，2桥臂MRPC仅由T，M 2个桥臂组成，每个桥臂中点直接与自耦变压器相连接。

该方案最大的特点是直流侧支撑电容的中点与自耦变压器的接地侧连接，为功率流动提供通路。该结构通过上、下桥臂电容交替传输功率，所以直流侧电压一般为4桥臂MRPC的2倍。

图3 2桥臂MRPC拓扑结构图Fig.3 Topology of two-arm MRPC

以T相为例分析直流支撑电压范围，图4a给出T 相上桥臂等效电路图，相关参数下标用p 表示；下桥臂相关参数下标用n表示。

根据基尔霍夫电压定律，直流侧电压值为

MMC调制方式为载波移相SPWM调制，其中：

根据载波移相SPWM调制原理可知：

交流侧电流在上下桥臂之间平均分配，可得：

为了方便分析，假设T相功率因数为1，联立上式得到T相上桥臂的矢量图如图4b所示。

图4 2桥臂MRPC等效电路图及矢量图Fig.4 Equivalent circuit and vector diagram of two-arm MRPC

由矢量图可以推导出：

联立式（3）、式（5）得到直流电压幅值的范围：

3.2 4桥臂MRPC方案设计

如图5所示，4桥臂MRPC中每相包含2个桥臂。由于T 相和M 相经过自耦变压器输出，而变压器的一侧都与大地连接，所以4 桥臂MRPC 必须经过隔离变压器与自耦变压器连接，为了便于各种拓扑的比较，隔离变压器变比设为1∶1。

图5 4桥臂MRPC拓扑结构图Fig.5 Topology diagram of four-arm MRPC

以T相为例分析直流支撑电压。图6a为T相整个桥臂等效电路图。

根据基尔霍夫电压定律，直流侧电压值为

同理可得到T相桥臂的矢量图如图6b所示。

图6 4桥臂MRPC等效电路图及矢量图Fig.6 Equivalent circuit and vector diagram of four-arm MRPC

由矢量图可以推导出：

联立式（3）、式（8）得到直流电压幅值的范围：

3.3 3桥臂MRPC方案设计

如图7所示，3桥臂MRPC拓扑结构包含T，M和N 3个桥臂。3桥臂MRPC无需隔离变压器，每个桥臂的中点直接与自耦变压器相连接。

3 桥臂MRPC 的电流回路有3 种：直流侧-T相-N 相，直流侧-M 相-N 相，直流侧-T 相-M相。为了获取3桥臂MRPC系统直流侧的电压范围，选取第3 种回路方式，图8a 为该回路的等效电路。

图7 3桥臂MRPC拓扑结构图Fig.7 Topology diagram of three-arm MRPC

根据基尔霍夫电压定律，直流侧电压值为

同理可得到该回路的矢量图如图8b所示。

图8 3桥臂MRPC等效电路图及矢量图Fig.8 Equivalent circuit and vector diagram of three-arm MRPC

由矢量图可以推导出：

联立式（3）、式（11）得到直流电压幅值的范围：

3.4 方案对比及3桥臂MRPC系统的优势

3 种MRPC 方案均可采用分相独立控制，用M相稳定直流侧电压，T相实现功率的双向传输，从而平衡牵引变压器低压侧两相负荷的功率，消除电网的负序电流。具体优缺点对比见表1。

2 桥臂MRPC 的优点是结构简单，不需要外接隔离变压器；缺点是直流电压要求最高，是4桥臂和3 桥臂MRPC 的2 倍，且控制比较复杂，尤其是稳定直流侧中点电压的控制策略。

表1 MRPC方案对比表Tab.1 Comparision table of MRPC schemes

4 桥臂MRPC 的优点是直流电压要求低，但需要隔离变压器，在大功率的供电系统中，隔离变压器会大大增加系统成本。

相比于以上两种拓扑，3 桥臂MRPC 的优点是直流电压要求最低，且不需要隔离变压器，以直流电压要求及桥臂数量来估算子模块的数量，3 桥臂MRPC 拓扑最低，且整个装置可以当作一个三相系统进行控制，控制方法更加灵活。综上，3桥臂MRPC拓扑优点更为突出，更适用于基于V/v 牵引变压器的铁路牵引供电系统，故选用3桥臂MRPC作为研究拓扑。

4 RT-LAB实时仿真验证

搭建了基于RT-LAB的3桥臂MRPC实时仿真平台。设定系统中V/v变压器容量为60 MW，各相母线上容量为30 MW，MMC 级数为20，由前文分析计算出直流侧电压：Udc≥50 kV，通过仿真验证了3桥臂MRPC的有功功率传输及无功补偿效果。

4.1 负载有功不平衡补偿工况

工况参数：M相负载，P=18 MW，Q=0 Mvar；T相负载，P=1 MW，Q=0 Mvar。10 s时MRPC投入工作，仿真波形如图9所示。

图9 MRPC系统有功功率补偿仿真波形图Fig.9 Simulation results of active power compensation

图9a为MMC输出的补偿电流波形；图9b为V/v 变压器低压侧电流波形；图9c 为电网侧电流波形。3 桥臂MRPC 投入工作之后，平衡两相有功功率，调节后V/v变压器低压侧两相不平衡电流消失，网侧三相不平衡电流消失。得出结论：3桥臂MRPC系统具有平衡负载有功功率的作用。

4.2 负载无功不平衡补偿工况

工况参数为：M 相负载，P=8 MW，感性无功QL=10 Mvar；T 相负载，P=8 MW，容性无功QC=1 Mvar。10 s时MRPC投入工作，仿真波形如图10所示。

图10 MRPC系统无功功率补偿仿真波形图Fig.10 Simulation results waveforms of reactive power compensation

图10a为MMC输出的补偿电流波形；图10b为V/v变压器低压侧电流波形；图10c为电网侧电流波形。3桥臂MRPC投入工作之后，补偿系统的无功功率，补偿后V/v变压器低压侧两相不平衡电流消失，网侧三相不平衡电流消失。图10d为网侧A相电压电流波形，为了便于观察将电压幅值缩小为原来的1/200，可以看出MRPC 投入后，补偿系统的无功功率，功率因数变为1。得出结论：3桥臂MRPC具有补偿系统无功功率的作用。

5 结论

本文针对3 种MRPC 方案进行了详细的分析和对比。通过理论分析，对系统直流电压的要求、子模块的数量、是否需要隔离变压器以及控制复杂程度等方面，对3 种方案进行了详细的对比。最后得出3 桥臂MRPC 的优势，并通过RT-LAB 实时仿真验证了3 桥臂MRPC 的补偿效果。

［1］马伏军，罗安，吴传平，等.V/V牵引供电系统中铁路功率调节器的控制方法研究［J］. 中国电机工程学报，2011，31（13）：63-70.

［2］张定华，桂卫华，王卫安，等.新型电气化铁道电能质量综合补偿系统的研究及工程应用［J］.电工技术学报，2009，24（3）：193-196.

［3］Mochinaga Y，Takeda M，Hasuike K. Static Power Conditioner Using GTO Converters for AC Electric Railway［C］//in Proc.Power Conversion Conference，Yokohama，Apr.1993：641-646.

［4］江睿.电气化铁路两相牵引供电系统的平衡协调控制［D］.长沙：湖南大学，2011.

［5］Marquardt R，Lesnicar A.New Concept for High Voltage-modular Multilevel Converter［C］//IEEE Power Electronics Specialists Conference，Aachen，Germany，2004：1-5.

［6］马伏军，罗安，吴传平，等.基于半桥结构的新型高速铁路功率调节器［J］.中国电机工程学报，2011，31（12）：1-7.

［7］王卫安，桂卫华.两相牵引供电系统电能质量有源综合治理技术研究［J］.铁道学报，2013，35（9）：3-7.

［8］杨晓峰.模块组合多电平变换器（MMC）研究［D］.北京：交通大学，2012.