一种模块化级联H桥构造的三相—单相同相牵引供电系统

摘要：

为解决高速、重载电气化铁路负序、谐波和无功等电能质量问题，依据三相对称补偿理论，并结合H桥构造，提出了基于模块化级联H桥的三相—单相同相牵引供电系统。分析了系统补偿特性及工作原理，研究了直挂型“ ”联结的有源补偿装置（MMCHC）拓扑结构，推导了子模块参数确定方法，并给出了系统控制策略。通过直挂补偿装置将三相牵引变压器转换为单相供电，节省了匹配变压器的容量为补偿容量的2倍。仿真表明，补偿装置在牵引和再生制动工况下均具备良好的补偿特性和动态性能，消除了牵引负荷引起的负序、谐波和无功分量，且子模块电容电压稳定在2%以内。

关键词：同相牵引供电系统； 有源补偿； 三相—单相供电； 模块化级联H桥

DOI：10.15938/j.emc.2017.10.002

中图分类号：TM 922.3

文献标志码：A

文章编号：1007-449X（2017）10-0008-08

电气化牵引供电系统中负荷单相、非线性特点造成电力系统三相不平衡，负序、谐波和无功严重地影响公用电网的电能质量[1-3]。文献[4-5]研究了采用有源滤波器（active power filter，APF）和铁路功率调节器（railway static power conditioner，RPC）对电气化铁路负序、谐波和无功进行综合补偿的方案，但无法解决电分相问题。电分相环节给电力机车快速平稳运行带来潜在的安全隐患。特别是随着高速和重载电力牵引的深入，以负序为主的电能质量问题，电分相造成的列车速度和牵引力损失问题及列车通过电分相引起车网之间电气暂态问题变得更为突出。文献[6-7]提出了同相牵引供电系统理论，有效地解决电分相，并实现了负序、谐波和无功的综合补偿。相关的研究[8-12]表明，基于电力电子有源补偿技术的电气化铁路同相供电系统是一种较为理想的供电方案，它克服了无源补偿在高频谐振、动态性及灵活性等方面的不足。然而，受电力电子器件单管电压等级和容量的限制，目前的有源补偿装置往往需要借助于中间变压器和多重化技术以满足电压等级和容量的要求。中间变压器的使用是以升高电流换取较低电压的做法，增加了变压器投资、系统损耗、占地面积和设备散热等问题。

近年来，广大学者对级联H桥作了大量研究工作[13-17]，通过将多个模块化H桥进行级联，可适应更高的电压等级和容量要求，且具有模块化程度高，易于扩展，谐波特性优秀、开关频率低、器件损耗小、占地面积小等特点，广泛应用于静止同步无功补偿器（static synchronous compensators，STATCOM）和APF等领域。

文献[8-12]研究的供电方式可看成两相—单相有源补偿同相牵引系统，通过在不同接线形式（VV， Scottt，YNd11等）牵引变压器次边两个端口加装潮流控制器（power flow controller，PFC），转变原有的两臂供电为仅由一个端口供电的单相方式。本文结合级联H桥的优点，提出基于模块化级联H桥的三相—单相新型同相牵引供电系统，直接将三相牵引变压器转换为单相供电。该系统统一了传统牵引变所不同变压器接线形式；变流器直挂于27.5 kV电压等级而取消中间匹配变压器环节，并可有效提升补偿容量，改善补偿装置过载能力，并降低开关器件应力。

1新型同相牵引供电系统结构及补偿原理

1.1新型同相牵引供电系统结构

基于三相牵引变压器和模块化级联H桥有源补偿装置（modular multilevel cascaded Hbridge compensator，MMCHC）的新型同相牽引供电系统如图1所示。MMCHC为三端网络，直挂于牵引变压器副边a、b、c 3个端子，牵引母线接于变压器副边a、c端子，构成仅由ac端口供电的单相供电方式，即同相牵引供电，实现本变电所供电区段接触网电压同相位且无电分相环节。由于接触网和钢轨之间的电压为变压器次边线电压，故变压器变比应为2203/27.5或1103/27.5。

传统补偿装置的核心单元是由两个单相电压型变流器通过直流侧的背靠背连接构成的交直交变换系统[9]。并借助匹配变压器实现交直交变换的多重化来提高有源补偿容量。相比传统补偿装置，MMCHC电路结构简单，具有高度模块化和对称性，扩展性和灵活性好。由于级联多个PM模块可显著提高变换器的端口电压，因此系统可不使用中间匹配变压器直挂于交流系统，减少了占地、投资和系统损耗。MMCHC方案与传统补偿装置的设备构成（以补偿容量5MVA为例）对比关系如下表1所示。

从表1可看出，MMCHC共节省了16台匹配变压器，容量共计10MVA，为补偿容量的2倍。虽然MMCHC所需的IGBT数目是传统补偿装置的4倍，但IGBT电流限值约为传统补偿装置的1/3。总体来看，两种方案的设备费用基本相当，MMCHC略高于传统补偿装置。

2.2MMCHC工作特性

同相牵引供电系统的等效电路如图4所示。其中，牵引负荷iL用基波有功电流源i1p、基波无功电流源i1q和谐波电流源ih代替，级联H桥等效为受控电压源。MMCHC桥臂W补偿负荷基波无功电流i1q和谐波电流ih，图中两虚线环路构成了其电流通路。基波有功电流i1p则由牵引变压器和MMCHC的桥臂O和P共同提供，如图实线路径所示。

4仿真分析

为了验证本文提出的设计方案的有效性，在Matlab/Simulink中搭建了基于MMCHC的三相-单相同相牵引供电系统仿真模型。设牵引变压器原边电压等级220 kV，牵引网电压为27.5 kV，列车电流iL为：500sin（ωt-30°）+100sin5ωt+10sin（31ωt+150°）A，功率因数为0.866。电路仿真参数如表2，其中MMCHC各桥臂参数相同。

1）MMCHC稳态特性。

图7示出了牵引负荷电流和MMCHC的O、P、W三桥臂补偿电流曲线，系统在0.02 s后达到稳定状态。从图中可看出牵引负荷电流谐波含量大，波形畸变严重。0.05 s后的放大图反映出，O、P桥臂仅补偿了基波电流，W桥臂补偿无功和谐波电流。从波形上看，O、 P两桥臂电流幅值相等，但相位不同；而W桥臂补偿了无功和谐波含量，系统功率因数近似为1。这与式（12）式（14）及图5情况相符，验证了补偿电流的正确性。

图8为三相牵引变压器次边电流曲线。波形在0.05 s前达到稳定，从0.05 s开始的放大图中可看出，在MMCHC的作用下，牵引变电器次边电流达到了理想的三相对称补偿效果，电流不对称系数由单相牵引负荷的100%降为1%，且暂态过程短，动态特性好，有效消除了单相牵引负荷对电力系统造成的不良影响。

进一步对负荷电流和变压器电流进行傅里叶（FFT）分析，得到电流总的谐波畸变率（分析结果取自0.01 s起的4个工频周期）如表3所示。牵引负荷以5次谐波和31次谐波为典型，占基波的百分比分别为20%和2%，总的谐波畸变率达到21.1%。经MMCHC补偿后，谐波几乎不流入牵引变压器，变压器THD最高值仅为0.54%，滤波效果理想。

图9示出了MMCHC的O、P、W三个桥臂子模块电容电压曲线。各子模块电容电压在0.05 s之前均稳定在额定值3 000 V附近，上下波动范围在2%以内。桥臂20个子模块电容电压的有效控制充分验证了本文所提的MMCHC拓扑结构和控制策略的正确性和有效性。

2）MMCHC动态特性。

动态特性仿真曲线如图11所示，t1=0.05 s时，牵引负荷减小到原来的50%，t2=0.1 s时，牵引负荷由此前的牵引工况转变为再生制动工况。从图中可看出，MMCHC动态补偿特性好，实时跟踪能力强。图11（a）反映了桥臂补偿电流随负荷变化而实时调节的情况。图11（b）直观映出三相牵引变压器次边电流的补偿情况。列车运行在不同工况下，MMCHC均有较好的补偿特性，负序、谐波和无功均得以补偿。图11（c）为桥臂子模块电容电压波动曲线。从图中可知，各子模块电容电压相对稳定，受牵引负荷影响较小。进一步验证了系统控制策略的正确性和有效性。图11（c）同时也说明了牵引负荷变化时对子模块电容电压的影响情况。t1=0.05 s时，牵引负荷减小，电容充放电过程相对平稳，电容电压波动更小；t2=0.1s时，牵引负荷转为再生制动状态，电容充放电方向也随即反向，由原来的充电状态转变放电状态，也就导致了电容电压有微弱的降低（未超出2%范围）。但仍处于稳定，并逐步趋近于参考电压3 000 V。

5结论

1）提出的三相—单相同相牵引供电系统有源补偿的MMCHC拓扑结构，在解决电压等级和功率要求方面表现出优势。系统省去匹配变压器，可直挂于27.5 kV高压系统，同时有利于统一牵引变电所变压器接线形式。

2）推导了基于MMCHC三相-单相同相牵引供电系统的补偿原理，给出了MMCHC功率子模块参数设计方法。

3）MMCHC在牵引和再生工况下均具备良好的补偿特性和动态性能，消除了牵引负荷引起的负序、谐波和无功分量，且子模块电容电压稳定。通过Matlab /Simulink验证了方案的有效性和正确性。

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（编辑：刘素菊）

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