高铁供电补偿用单相MMC_STATCOM设计方法与流程

本发明涉及高速铁路动态无功补偿领域，具体涉及一种高铁供电补偿用单相MMC_STATCOM设计方法。

背景技术：

典型的非线性负荷，在采用“交-直-交”方式后较好的克服了功率因数较低的缺点；然而大量电力机车生弓取流整备时，使得牵引网网压较大波动，导致机车继保装置动作，绝缘栅双极型晶体管IGBT出现自锁，甚至引发运输瘫痪；现场通过电力列车渐进式生弓方式来抑制该问题，但无法从根本上解决问题；目前采用的补偿措施有：相序轮换、平衡变压器、无源滤波装置、无功补偿装置SVC与无源滤波器混合方法；但是上述方法的单独使用或混合使用均受制于现场，致使实际效果大大折扣；如采用SVC与无源滤波器混合方法可以较好的解决不对称、功率因数低及谐波问题，但SVC装置本身谐波较大、损耗大、占地面积大、运行成本高；随着电力电子技术发展，有源补偿装置在牵引供电系统中表现出了广阔的前景；其中静止同步补偿器STATCOM，远程过程调用协议RPC已经部分投入使用，但由于电力电子元件耐压等级的限制，补偿装置需通过降压变压器才能与牵引相连，投入成本的增加限制了此类装置的推广使用。

技术实现要素：

本发明提供一种可以使电气化铁路补偿装置在降低成本的同时，占地面积小、相应速度快、损耗小、综合成本低的高铁供电补偿用单相MMC_STATCOM设计方法。

本发明采用的技术方案是：一种高铁供电补偿用单相MMC_STATCOM设计方法，包括以下步骤：

建立单相MMC_STATCOM变换器拓扑结构单桥臂数学模型，其中每个子模块由串联的两个绝缘栅双极型晶体管IGBT和直流电容并联构成；

根据上、下两个桥臂电压，计算单相MMC_STATCOM变换器输出端口等效输出电压；

计算MMC_STATCOM变换器单桥臂上、下桥臂参考电压；

对该拓扑下的单相MMC_STATCOM变换器进行环流分析；

计算直流母线侧电压产生的二次波动量，设置满足该拓扑电路的二次LC滤波电路；

比较无补偿装置情况下多车接入牵引网引发的电气量波动和MMC_STATCOM变换器补偿下牵引网电气量分布。

进一步的，还包括以下步骤：验证设计方法可行性，具体为采用快速傅立叶变换FFT对牵引网电压、电流进行频谱分析。

进一步的，所述根据上、下两个桥臂电压，计算变换器的端口等效输出电压，具体方法如下：

首先假设交流电流i_s在上、下桥臂中平均分布，针对j相电流关系如下所示：

根据基尔霍夫电压定律KVL定律，计算上、下桥臂电压：

单相MMC_STATCOM变换器输出端扣等效电压u为：

式中：i_z为单个桥臂流经的总电流，i_L为交流输出端电流，i_P为上臂电流，i_N为下臂电流，L_L为交流输出端电感，R_L为交流输出端电阻，R₀、L₀分别为上下桥臂阻感值，V_dc为中间直流电压，u_L为交流电源，u_V为交流侧端口电压，u_P、u_N为上下桥臂总电压。

进一步的，所述计算MMC_STATCOM变换器单桥臂上、下桥臂参考电压具体方法如下：

MMC_STATCOM变换器上、下桥臂的连接电感及内阻均等效为交流连接点抗的一部分，标称值为原来一半，所以上桥臂参考电压u_P，下桥臂参考电压u_N为：

式中：V_dz为i_z在桥臂阻感上产生的不平衡电压。

进一步的，所述对该拓扑下的单相MMC_STATCOM变换器进行环流分析，具体方法如下：

首先假设直流电容、电压不变，单相MMC_STATCOM变换器环流表达式如下：

式中：M为调制系数，I_Lm为交流侧电流最大值，为功率因数角，ω为频率，i_zd、i_zq分别为dq坐标系下各轴电流分量。

进一步的，所述计算直流母线侧电压产生的二次波动量，设置二次LC滤波电路，具体方法如下：

式中：i_d为直流侧电流，S为交流侧输入功率，P_d为直流母线侧输出功率，U_Lm为交流电压最大值。

假设直流电流在相与相之间平均分配，单相环流的无功分量叠加不为零，存在二倍频分量，设置二次LC滤波电路，存在以下关系：

式中：L＝1/4Cω²，C、L分别为二次滤波电路中的电容、电感。

本发明的有益效果是：

(1)本发明可以使电气化铁路补偿装置在降低成本的同时，占地面积小、相应速度快、损耗小、综合成本低；

(2)本发明与传统静止补偿器STATCOM相比，省略了专用降压变压器，降低了投入成本；

(3)本发明能够有效抑制多车接入牵引网引发电力列车牵引封锁现象。

附图说明

图1为本发明中MMC_STATCOM补偿式牵引供电系统结构图。

图2为单相MMC_STATCOM单桥臂数学模型。

图3为多车接入牵引网引发的电压波动图。

图4为多车接入牵引网引发的电流波动图

图5为MMC_STATCOM引入下的牵引网电气量波形图。

图6为MMC_STATCOM引入下的牵引网电气量频率分布图。

具体实施方式

本发明中MMC_STATCOM指基于多模块组合结构的直挂式动态无功补偿变换器；本发明针对多车接入牵引网引发电力列车牵引封锁现象展开，接入效果如图1所示，在无专用变压器下将单相MMC_STATCOM直接有效的应用于传统牵引供电系统中。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

一种高铁供电补偿用单相MMC_STATCOM设计方法，包括以下步骤：

建立单相MMC_STATCOM变换器拓扑结构单桥臂数学模型，其中每个子模块由串联的两个绝缘栅双极型晶体管IGBT和直流电容并联构成；

根据上、下两个桥臂电压，计算单相MMC_STATCOM变换器输出端口等效输出电压；

计算MMC_STATCOM变换器单桥臂上、下桥臂参考电压；

对该拓扑下的单相MMC_STATCOM变换器进行环流分析；

计算直流母线侧电压产生的二次波动量，设置满足该拓扑电路的二次LC滤波电路；

比较无补偿装置情况下多车接入牵引网引发的电气量波动和MMC_STATCOM变换器补偿下牵引网电气量分布；

如图1所示，每相桥臂级联8个子模块的单相变换器作为补偿部分的主电路结构；每个子模块由串联的两个绝缘栅双极型晶体管IGBT和直流电容并联构成；不同的IGBT开关组合下，子模块可输出U_C和0两种电压，n次级联后输出电压(n+1)U_C，为获得最大直流电压率和稳定的直流电压，要求上、下桥臂的子模块互补工作；显然任意时刻各桥臂工作的子模块数量均为n，输出电压范围为0～nU_C。

进一步的，还包括以下步骤：验证设计方法可行性，具体为采用快速傅立叶变换FFT对牵引网电压、电流进行频谱分析。

进一步的，所述根据上、下两个桥臂电压，计算变换器的端口等效输出电压，具体方法如下：

首先假设交流电流i_s在上、下桥臂中平均分布，根据图2可以看出，针对一相电流关系如下所示：

根据基尔霍夫电压定律KVL定律，计算上、下桥臂电压：

单相MMC_STATCOM变换器输出端口等效电压u为：

式中：i_z为单个桥臂流经的总电流，i_L为交流输出端电流，i_P为上臂电流，i_N为下臂电流，L_L为交流输出端电感，R_L为交流输出端电阻，R₀、L₀分别为上下桥臂阻感值，V_dc为中间直流电压，u_L为交流电源，u_V为交流侧端口电压，u_P、u_N为上下桥臂总电压。

进一步的，所述计算MMC_STATCOM变换器单桥臂上、下桥臂参考电压具体方法如下：

MMC_STATCOM变换器上、下桥臂的连接电感及内阻均等效为交流连接点抗的一部分，标称值为原来一半，所以上桥臂参考电压u_P，下桥臂参考电压u_N为：

进一步的，所述对该拓扑下的单相MMC_STATCOM变换器进行环流分析，具体方法如下：

首先假设直流电容、电压不变，单相MMC_STATCOM变换器环流表达式如下：

式中：M为调制系数，I_Lm为交流侧电流最大值，为功率因数角，ω为频率，i_zd、i_zq分别为dq坐标系下各轴电流分量。

进一步的，所述计算直流母线侧电压产生的二次波动量，设置二次LC滤波电路，具体方法如下：

式中：i_d为直流侧电流，S为交流侧输入功率，P_d为直流母线侧输出功率，U_Lm为交流电压最大值。

假设直流电流在相与相之间平均分配，单相环流的无功分量叠加不为零，存在二倍频分量，设置二次LC滤波电路，存在以下关系：

式中：L＝1/4Cω²，C、L分别为二次滤波电路中的电容、电感。

比较无补偿装置情况下多车接入牵引网引发的电气量波动和MMC_STATCOM变换器补偿下牵引网电气量分布；由图3、图4可以看出，无MMC_STATCOM变换器引入时，牵引网电压电流包络线呈现出5.1Hz的周期性波动；图5显示，引入MMC_STATCOM变换器时，波动被明显抑制，牵引网网压稳定在25kV；从图6可以看出工频附近不存在5.1Hz的旁瓣频率成份，该方案有效抑制了多车接入引发的电压波动问题。

本发明通过首先推导单相MMC_STATCOM变换器拓扑结构单桥臂数学模型；其次对该拓扑下的单相MMC_STATCOM变换器进行环流分析；最后推导直流母线侧电压产生二次波动量，并设置满足该拓扑电路的二次LC滤波电路；通过实验证明与传统的STATCOM，本发明省略了专用降压变压器，降低了投入成本；能够有效抑制多车接入牵引网引发电力列车牵引封锁现象。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。