高铁供电补偿用单相MMC_STATCOM设计方法技术

本发明专利技术公开了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变换器进行电流频率成份分析；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；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；本发明专利技术可以使电气化铁路补偿装置响应速度快低，能有效抑制多车接入牵引供电系统引发的电压波动问题。

【技术实现步骤摘要】
高铁供电补偿用单相MMC_STATCOM设计方法
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术采用的技术方案是：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is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：iz为单个桥臂流经的总电流，iL为交流输出端电流，iP为上臂电流，iN为下臂电流，LL为交流输出端电感，RL为交流输出端电阻，R0、L0分别为上下桥臂阻感值，Vdc为中间直流电压，uL为交流电源，uV为交流侧端口电压，uP、uN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uP，下桥臂参考电压uN为：式中：Vdz为iz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，ILm为交流侧电流最大值，为功率因数角，ω为频率，izd、izq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：id为直流侧电流，S为交流侧输入功率，Pd为直流母线侧输出功率，ULm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。本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术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)本专利技术与传统静止补偿器STATCOM相比，省略了专用降压变压器，降低了投入成本；(3)本专利技术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为本专利技术中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。具体实施方式本专利技术中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；本专利技术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专利技术做进一步说明。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UC和0两种电压，n次级联后输出电压(n+1)UC，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～nUC。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is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：iz为单个桥臂流经的总电流，iL为交流输出端电流，iP为上臂电流，iN为下臂电流，LL为交流输出端电感，RL为交流输出端电阻，R0、L0分别为上下桥臂阻感值，Vdc为中间直流电压，uL为交流电源，uV为交流侧端口电压，uP、uN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uP，下桥臂参考电压uN为：进一步的，所述对该拓扑下的单相本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高铁供电补偿用单相MMC_STATCOM设计方法，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种高铁供电补偿用单相MMC_STATCOM设计方法，其特征在于，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。2.根据权利要求1所述的一种高铁供电补偿用单相MMC_STATCOM设计方法，其特征在于，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。3.根据权利要求1所述的一种高铁供电补偿用单相MMC_STATCOM设计方法，其特征在于，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is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变换器输出端口等效电压u为：式中：iz为单个桥...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志刚，张桂南，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51