一种多端口铁路功率调节器系统及其综合控制方法技术方案

本发明专利技术提出了一种多端口铁路功率调节器系统及其综合控制方法。多端口铁路功率调节器系统主要由交流级全桥型MMC和中间级串联型ISOP变换器组成。高压交流级由MMC构成，子模块采用全桥模块，MMC的输出端口产生一个较低电压的中压直流，隔离级的DC‑DC变换器主要将MMC的中压直流电转换为低压直流电，同时实现中压侧和低压侧的电气隔离。全桥型的MMC子模块结构可以实现中压直流短路故障时的自阻断功能，有利于小扰动干扰下的新能源并网系统的故障穿越。而隔离级的DC‑DC变换结构则有利于光伏，储能等新能源的直接接入。本发明专利技术提出的多端口铁路功率调节器系统拓扑结构具有良好的新能源接口，在进行新能源的消纳时可以大大减少附加电网建设成本。

A multi port railway power regulator system and its integrated control method

【技术实现步骤摘要】
一种多端口铁路功率调节器系统及其综合控制方法
本专利技术涉及一种适用于新能源接入的多端口铁路功率调节器系统及其综合控制方法
技术介绍
近年来，我国高速铁路行业发展迅速，已成为世界上高速铁路运营里程最长、在建规模最大的国家，而我国“四纵四横”高速铁路网都基本全部贯通，高速铁路网已经初具规模。同时伴随着高速铁路和牵引供电技术的发展，高速机车的速度能达到300km/h以上，给人们出行带来了极大的便利。然而由于高速电力机车是大功率的单相负载，并且两个牵引臂上的机车数量不同，三相电网电流无法保持平衡，且动态变化，这会给大电网，铁路牵引供电网络带来诸如负序电流、无功功率和谐波等问题。随之而来，电气化铁路中的无功、负序问题变得日益突出。铁路功率调节器(RPC)是1993年日本学者提出的在抑制牵引变供电系统的电压波动和三相电压不平衡，补偿谐波和牵引网电压过低等电能质量问题的效果显著，是一种有效的综合治理手段。之后，学者们提出了很多应用于电气化铁路系统的改进拓扑结构，如有源电能质量补偿器，多路复用的RPC系统结构等。然而这些结构仅用于铁路系统的电能质量治理，并未实现变换器用于功率传输的巨大潜力。考虑到随着我国太阳能、风能等新能源发电系统的大规模建设和发展，且其主要分布在大西北地区，使得目前新能源发电功率的外送和消纳不够方便和快捷，大量分布式新能源系统的并网和消纳问题已严重凸显。铁路系统作为连接我国东西部的“大动脉”，利用铁路牵引网络进行新能源的消纳可以大大减少附加电网建设成本。铁路功率调节器作为铁路牵引网的重要功率传输系统，如何有效开发其新能源消纳能力意义重大。
技术实现思路
针对西部地区新能源消纳能力不足，新能源电力外送成本较高等问题。本专利技术提出了一种多端口铁路功率调节器系统及其综合控制方法。本专利技术的技术方案如下：一种多端口铁路功率变换器，包括高压交流级、中间隔离级；所述高压隔离级包括全桥型MMC和与所述全桥型MMC连接的高频变换器；所述中间隔离级包括串联型ISOP变换器；所述高频变换器输出端与串联型ISOP变换器输入端连接；所述中间隔离级将所述高压交流级输出的中压直流电转换为低压直流电，同时实现中压侧和低压侧的电气隔离；所述全桥型MMC包括多个桥链，每个桥链包括多个级联的H桥单元。所述全桥型MMC的直流侧电压值稳定运行在任意设定值[0,+∞]。将直流侧稳定在一个合适的电压值，从而构成公共直流母线，直接接入光伏、储能变换器设备，这样将减少中间级变换，提高系统的运行效率。本专利技术还提供了一种上述多端口铁路功率变换器的前级MMC-PWM整流器的综合控制方法，其包括以下步骤：1)检测每个桥链的H桥单元的电容电压，获得每相桥链的电容电压平均值ukav和总的电压平均值uav_T；k＝t,u,v,w；i＝1～2N；t,u,v,w表示全桥型MMC的桥链；N为每个桥链的H桥单元的数量；2)将H桥单元电压参考值Usm_ref与总的电压平均值uav_T相减做PI调节，得到调节总电容电压平衡的有功调节信号ΔId，ΔId分别乘上a、b相的同步信号，输出得到两牵引臂的有功电流微调信号；3)根据牵引供电系统的功率补偿策略(见QianmingXu；FujunMa*；ZhixingHe；YandongChen；JosepM.Guerrero,etal.AnalysisandComparisonofModularRailwayPowerConditionerforHigh-SpeedRailwayTractionSystem,IEEETransactionsonPowerElectronics,2017,32(8),pp.6031-6048.)，得到多端口铁路功率变换器a、b相牵引供电臂的参考电流信号分别在上叠加直流电压外环控制的有功电流微调分量，获得全桥型MMC输出电流指令4)每个H桥单元的电容电压uki与每相桥链电压平均值ukav的误差经过比例控制器K3，再依据桥臂电流ikp和ikn的方向修正符号，得到H桥单元电压平衡控制分量uzki，控制桥臂内部单个H桥单元电容电压的平衡；5)将k相桥臂电容电压的平均值ukav与参考值Usm_ref的误差经过比例调节器K1，得到k相桥臂环流指令的参考值；内环环流控制采用比例调节器K2和二次谐振控制器R2从而实现直流信号的闭环控制，同时抑制二次谐波环流，最终得到k相桥臂所有模块环流电压控制分量uzk，控制两桥臂间的功率平衡，实现桥臂之间的能量平衡控制；6)将直流侧电压参考值udc_ref与检测值udc相减，输出误差经过PI调节器，再加上直流侧电压参考值的一半udc_ref/2，可以得到每相桥链的上下桥臂直流偏移调节信号udc_bias；将udc_bias叠加到每个桥臂H桥单元的交流调制信号中，通过PWM调制环节使每个H桥单元输出一个稳定、相等的直流偏值量，从而实现直流侧电压的总体稳定控制；7)将全桥型MMC输出电流指令与a、b两相的实际输出交流电流ica、icb做差，然后采用准PR控制器进行闭环跟踪控制，输出为ea、eb；8)将ea、udc_bias，uzki和uzk相加，再除以NUsm_ref实现归一化，将每个桥链H桥单元的调制信号送到CPS-PWM环节，最终输出相应的交流和直流信号。步骤1)中，每相桥链的电容电压平均值ukav和总的电压平均值uav_T的计算公式如下：步骤3)中，a、b相的参考电流信号计算公式如下：其中，Pcaref，Pcbref为a、b相牵引供电臂的功率参考信号；ω为基波角频率；Um为牵引供电电压的幅值。步骤3)中，全桥型MMC输出电流指令的计算公式如下：其中，ΔId为电压外环控制器的输出。步骤7)中，电流控制器的输出ex的计算公式如下：其中，为全桥型MMC的x相电流的最终参考信号；GPR表示为PR控制器的传递函数。步骤8)中，最终输出调制波信号的计算公式如下：本专利技术高压交流级包括MMC，子模块采用全桥模块，MMC的输出端口产生一个较低电压的中压直流，一方面可减少全桥子模块的使用数量，另一方面也可减少隔离级DC-DC变换器的串联数量。而半桥型MMC因为子模块无法输出负电平，所以在相同交流侧电压等级、子模块电压等级以及相同调制度的情况下，无法输出和全桥型MMC一样的较低电压等级的中压直流。此外，该全桥型MMC还可以实现中压直流短路故障时的自阻断功能，当MMC发生直流短路故障时，只需要闭锁所有全桥子模块的开关管，当故障清除后再重新接入开关管，即可有效穿越故障，提高铁路功率调节器的可靠性。相对现有技术，本专利技术的有益效果为：1.交流级由MMC构成，子模块采用全桥模块，MMC的输出端口产生一个较低电压的中压直流，一方面可减少全桥子模块的使用数量，另一方面也可减少隔离级DC-DC变换器的串联数量。而半桥型MMC因为子模块无法输出负电平，所以在相同交流侧电压等级、子模块电压等级以及相同调制度的情本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种多端口铁路功率变换器，其特征在于，包括高压交流级、中间隔离级；所述高压隔离级包括全桥型MMC和与所述全桥型MMC连接的高频变换器；所述中间隔离级包括串联型ISOP变换器；所述高频变换器输出端与串联型ISOP变换器输入端连接；所述中间隔离级将所述高压交流级输出的中压直流电转换为低压直流电，同时实现中压侧和低压侧的电气隔离；所述全桥型MMC包括多个桥链，每个桥链包括多个级联的H桥单元。/n

【技术特征摘要】
1.一种多端口铁路功率变换器，其特征在于，包括高压交流级、中间隔离级；所述高压隔离级包括全桥型MMC和与所述全桥型MMC连接的高频变换器；所述中间隔离级包括串联型ISOP变换器；所述高频变换器输出端与串联型ISOP变换器输入端连接；所述中间隔离级将所述高压交流级输出的中压直流电转换为低压直流电，同时实现中压侧和低压侧的电气隔离；所述全桥型MMC包括多个桥链，每个桥链包括多个级联的H桥单元。


2.根据权利要求1所述的多端口铁路功率变换器，其特征在于，所述串联型ISOP变换器采用DAB变换器。


3.根据权利要求1所述的多端口铁路功率变换器，其特征在于，所述全桥型MMC的直流侧电压值稳定运行在任意设定值[0,+∞]。


4.一种权利要求1～3之一所述的多端口铁路功率变换器的前级MMC-PWM整流器的综合控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)检测每个桥链的H桥单元的电容电压，获得每相桥链的电容电压平均值ukav和总的电压平均值uav_T；k＝t,u,v,w；i＝1～2N；t,u,v,w表示全桥型MMC的桥链；N为每个桥链的H桥单元的数量；
2)将H桥单元电压参考值Usm_ref与总的电压平均值uav_T相减做PI调节，得到调节总电容电压平衡的有功调节信号ΔId，ΔId分别乘上a、b相的同步信号，输出得到两牵引臂的有功电流微调信号；
3)根据牵引供电系统的功率补偿策略，得到多端口铁路功率变换器a、b相牵引供电臂的参考电流信号分别在上叠加直流电压外环控制的有功电流微调分量，获得全桥型MMC输出电流指令
4)每个H桥单元的电容电压uki与每相桥链电压平均值ukav的误差经过比例控制器K3，再依据桥臂电流ikp和ikn的方向修正符号，得到H桥单元电压平衡控制分量uzki，控制桥臂内部单个H桥单元电容电压的平衡；
5)将k相桥臂电容电压的平均值ukav与参考值Usm_ref的误差经过比例调节器K1，得到k相桥臂环流指令的参考值；内环环流控制采用比例调节器K2和二次谐振控制器...

【专利技术属性】
技术研发人员：马伏军，邓凌峰，匡德兴，严格非，方璐，唐昱煊，刘思怡，马伏明，
申请(专利权)人：湖南大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43