CN113114049B

CN113114049B - 混合型模块化多电平铁路功率调节器及其控制方法、系统

Info

Publication number: CN113114049B
Application number: CN202110404967.6A
Authority: CN
Inventors: 马伏军; 丁红旗; 周发云; 章程; 周思邈; 韩蓉; 徐千鸣; 匡玉麟
Original assignee: Hunan University
Current assignee: Xinyuan Zhichu Energy Development Beijing Co ltd
Priority date: 2021-04-15
Filing date: 2021-04-15
Publication date: 2022-03-18
Anticipated expiration: 2041-04-15
Also published as: CN113114049A

Abstract

本发明公开了一种混合型模块化多电平铁路功率调节器及其控制方法、系统，该混合型模块化多电平铁路功率调节器包括四个并联的相单元；所述相单元由上、下两个桥臂经桥臂电感连接；所述上、下桥臂由多个半桥子模块和全桥子模块串联连接；所述相单元桥臂中点与交流牵引网连接。本发明中混合型模块化多电平铁路功率调节器采用半桥与全桥子模块混合增大了变换器的调制度，有效改善了牵引网电压抬升造成RPC过调制的问题。

Description

混合型模块化多电平铁路功率调节器及其控制方法、系统

技术领域

本发明涉及电力电子领域，特别是一种混合型模块化多电平铁路功率调节器(HMMC-RPC)及其控制方法。

背景技术

伴随着功率半导体器件的制造水平大幅提升，在高压大功率应用场景下，模块化多电平功率变换器得到迅猛发展。近年来，随着列车提速以及大规模铁路网的建成，高压大容量的铁路功率调节器需求日益增加，模块化多电平铁路功率调节器得到了广泛的应用。

传统的RPC前端通过工频变压器与单相交流电网相连，采用多个背靠背式的变换器并联，由于输送容量比较大，工频变压器的体积和重量成为不可忽略的关键因素，而采用模块化多电平结构，通过子模块的级联实现高压输出，省去了前端工频变压器；与两电平或三电平集中式电容不同的是，模块化多电平主电路拓扑采用多个子模块级联，利用较低电压等级的器件可实现高电压输出，其直流母线无支撑电容，直流母线的电压稳定是由各个子模块电容电压来决定的，子模块上的电容电压受到各相桥臂电流大小的影响产生波动，进而在相单元之间产生环流，环流的大小反过来又会影响子模块电容电压的平衡，现有的文献集中研究MMC的子模块的电容电压平衡以及环流抑制；在高压直流输电HVDC领域，考虑成本及控制的复杂度，子模块多用于半桥子模块，但半桥子模块只有两种输出电平，导致其不能有效闭锁直流故障，且其调制度范围有限。

考虑到牵引供电臂的电压波动，通常其波动范围在17.5kV-31kV，网压过高会造成调制度升高，引起超调；而变换器超调会导致某些开关器件工作条件恶化，严重威胁到变换器的安全可靠运行。为保证变换器在宽电压范围可靠工作，在设计时适当的提高直流电压Udc能有效缓解网压过高带来的过调制的影响，而直流电压的抬升会造成开关器件的工作电压抬升，器件的选型需留有相应的余量，从而增加了装置的成本。

考虑半桥MMC运行的不足，全桥子模块的MMC最先在高压直流输电场合开展研究，目的是解决直流短路故障，以保证装置安全运行；全桥子模块的运行方式灵活，而运行方式灵活带来控制难度增大，由于全桥子模块可输出正、负、零三种电平，因此，全桥子模块具有过调制运行的能力。全桥MMC器件数目是半桥MMC器件数目的2倍，虽然实现了故障闭锁和过调制，但其成本成为制约其应用的关键因素。

半桥(HBMMC)和全桥(FBMMC)已在铁路功率调节器开展研究，但考虑半桥HBMMC-RPC的运行范围受限，而全桥HBMMC-RPC对应的功率半导体器件、驱动、体积、散热等相关辅助设备是半桥的两倍，虽具有灵活性，但实际工程应用中成本高，经济效益差。

在控制策略上，针对混合型MMC的电路拓扑，在过调制下，随着调制度逐渐增大，全桥子模块的电压平均值与半桥子模块电压平均值差值将进一步增大，当m>＝2时，半桥子模块将只有充电没有放电(因此需保证m<2)。若不加入任何其他控制措施，全桥子模块的波动达到最大。因此，如何进一步综合考虑全桥子模块和半桥子模块输出电平特性制定相关的控制策略至关重要。

综上，亟需一种既能满足运行范围又节约成本的拓扑结构及相应控制策略。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种混合型模块化多电平铁路功率调节器及其控制方法、系统，为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种混合型模块化多电平铁路功率调节器，包括逆变侧变换器、整流侧变换器；所述逆变侧变换器与所述整流侧变换器并联；所述逆变侧变换器\整流侧变换器各包括两个并联的相单元；所述逆变侧变换器两个相单元的中点接交流牵引网第一供电臂；所述整流侧变换器两个相单元的中点接交流牵引网第二供电臂；每个所述相单元包括串联的上桥臂和下桥臂；所述上桥臂和下桥臂均包括N个串联的子模块；其中所述N个串联的子模块包括F个串联的全桥子模块和(N-F)个串联的半桥子模块。

列车牵引网的电压波动随负载波动大，网压过大会引起RPC过调制运行，严重影响变换器安全工作。本发明采用混合型子模块拓扑，省去了工频降压变压器，直挂牵引网；传统MMC-RPC的调制比m的范围在0～1之间，而HMMC-RPC调制度m范围延伸为0～2F/(N-F)且m<2。混合型子模块兼具了半桥子模块成本低以及全桥子模块输出负电平的两个优势，在牵引网压过高时，HMMC-RPC仍具有过调制运行优势。

本发明还提供了一种上述混合型模块化多电平铁路功率调节器的控制方法，其包括以下步骤：

1)检测第一供电臂的电网电压u_sa、u_sb及牵引供电臂的负载电流i_La、i_Lb，将电网电压经PLL锁相环锁相及dq变换得到u_sdx、u_sqx，利用u_sdx、u_sqx、负载电流i_La、i_Lb计算得到负载电流的有功分量i_dx、无功分量i_qx，获取逆变侧变换器/整流侧变换器的有功电流补偿指令i_d ^Δ及无功电流补偿指令i_q ^Δ；其中，x＝a,b；

2)对于整流侧变换器，利用下式计算电流内环的有功电流指令值i_da ^ref和无功电流指令值i_qa ^ref：

其中，k_up为电压外环比例系数，k_ui为电压外环积分系数；U_dc为直流侧总电压；U_dc ^ref为直流电压参考值；将i_da ^ref、i_qa ^ref分别对应减去逆变侧变换器交流侧电流的dq分量i_cda、i_cqa，并将其差值通过电流环PI控制器dq解耦后输出u_diffad、u_diffaq；将u_sda、u_sqa分别减去电流环输出u_diffad、u_diffaq，得到dq坐标下的调制信号u_rda、u_rqa；将dq坐标转换为单相坐标调制波u_ra，分别计算整流侧变换器A、B相上桥臂的调制波u_a__AS、u_{a_AX}和下桥臂的调制波u_{a_BS}、u_{a_BX}；

对于逆变侧变换器，取补偿电流i_d ^Δ作为有功指令值i_db ^ref；无功电流指令值i_qb ^ref为-i_q ^Δ；将有功电流指令值i_db ^ref及无功电流指令值i_qb ^ref分别减去逆变侧变换器交流侧电流采样值icda和整流侧变换器交流侧电流采样值icqa，并将误差量通过PI控制器实现dq解耦控制；将第二供电臂的电网电压u_sdb、u_sqb分别减去电流环输出u_diffbd、u_diffbq，得到dq坐标下的调制信号u_rdb、u_rqb；并将dq坐标转换为单相坐标调制波u_rb，分别计算逆变侧变换器A、B相上桥臂的调制波u_{b_AS}、u_{b_AX}和下桥臂的调制波u_{b_BS}、u_{b_BX}；

3)将所有调制波信号向下取整，得到整数部分；将各调制波信号的小数部分与载波比较，若调制波大于载波，则将所述小数部分记为1，小于载波则将所述小数部分记为0，将该值与所述整数部分叠加，获得投入的电平数。

4)本发明控制策略采用dq坐标系下，电压电流双环控制，能实现中间直流侧电压快速跟踪，同时，dq坐标下的电流环可以实现电流指令的无静差跟踪。通过给定铁路功率调节器的有功及无功电流指令，能有效改善三相网侧牵引网的负序和低功率因数的问题。

本发明的方法还包括：对于任一桥臂，实时采集该桥臂子模块电容电压，计算调制度m，m＝U_m/(U_dc/2)，U_m为交流电压幅值，电网电压波动增大，m增大，系统在过调制状态下(m>1)，为保持全桥子模块电压和半桥子模块电压平均值接近，引入虚拟因子k(0＜k≤1)；电网电压正常时，调制度m<1,虚拟因子保持k＝1；电网电压抬升至m>1，分别计算半桥子模块电压平均值Udc_aveHB＝(Udc_HB1+Udc_HB2+…+Udc_HB，N-F)/(N-F)，以及全桥子模块电压平均值Udc_aveFB＝(Udc_FB1+Udc_FB2+…+Udc_FB，F)/F，将Udc_aveHB与Udc_aveFB作差，其差值经PI控制器输出为δ，将各全桥子模块的电容电压均乘以虚拟因子k＝1-δ，进而得到全桥子模块修正的电容电压k*Udc_FBi，将电容电压k*Udc_FB1，k*Udc_FB2，k*Udc_FB3…，k*Udc_FBF，Udc_HB1，Udc_HB2，Udc_HB3…，Udc_HB，N-F进行排序；当投入的子模块电平数Q>0时，若上、下桥臂电流i_px、i_nx>0，从所有子模块中选电压低的Q个子模块投入，若桥臂电流i_px、i_nx<0，从所有子模块中选电压高的Q个子模块投入；投入子模块电平数Q<0时，若桥臂电流i_px、i_nx>0，从全桥子模块中选电压高的|Q|个子模块投入负电平，若桥臂电流i_px、i_nx<0，从所有子模块中选电压低的|Q|个子模块投入负电平；其中，k<＝1；j＝1，2…,N-F；i＝1,2…,F。HMMC-RPC由于子模块种类不同，子模块均压效果存在差异，在全桥子模块负电平输出时，平均电压与半桥子模块相比低，且承担负电平输出的全桥子模块越多，该平均电压差异越大。本发明通过引入虚拟因子k，在调制比m<1时，k＝1并采用通用均压方式；在调制比m>1时，引入两种子模块平均电压闭环控制得到虚拟因子，并将该虚拟因子作用到全桥子模块电压，进行排序，保证了全桥与半桥两种子模块输出平均电压一致。

作为一个发明构思，本发明还提供了一种上述混合型模块化多电平铁路功率调节器的控制系统，其包括计算机设备；所述计算机设备被配置或编程为用于执行上述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明中采用全桥和半桥混合型的子模块构成的模块化多电平铁路功率调节器，相比全为半桥子模块的功率调节器而言，因其全桥子模块能够输出负电平，从而提升变换器的调制度，针对牵引供电臂电网电压波动大，有效改善了牵引网电压抬升造成RPC过调制的问题，弥补传统半桥型多电平变换器的不足，保证RPC在恶劣网压下安全可靠运行；相比全为全桥子模块而言，混合型RPC能实现相同功能，且成本比全为全桥的大幅降低；采用半桥与全桥子模块混合既可以改善牵引网的电能质量，又可以满足过载运行要求，又显著降低了RPC的成本。在控制策略而上，由于混桥结构导致不同类型的子模块电压平衡存在差异，传统控制策略存在全桥子模块电压平均值低于半桥子模块电压平均值的问题，因而本发明在针对两种子模块差异的控制策略上，通过引入子模块电容电压平衡的虚拟因子k，不仅实现了全桥子模块和半桥子模块的平均电压一致平衡，还有效提升了RPC运行的稳定性。

附图说明

图1为HMMC-RPC拓扑结构示意图；

图2为HMMC-RPC的电流指令示意图；

图3为HMMC-RPC的整流侧及逆变侧dq解耦控制示意图；

图4为HMMC-RPC的单载波调制示意图；

图5为HMMC-RPC引入虚拟因子k及电容电压平衡控制的示意图。

具体实施方式

如图1，本发明实施例的混合型模块化多电平铁路功率调节器(HMMC-RPC)包括4个相单元(整流侧2个相单元及逆变侧2个相单元)；所述相单元由上、下两个桥臂经桥臂电感T_X1、T_X2(X＝A，B)串联，桥臂中点AB、A′B′分别与两侧的交流牵引网alfa、beta供电臂(第一供电臂、第二供电臂)相连；上、下桥臂均由F个全桥子模块(FB)和(N-F)个半桥子模块串联，以实现多电平输出。采用半桥与全桥的混合子模块组合，HMMC-RPC可实现过调制运行，调制度m范围为0～2F/(N-F)。

图2为HMMC-RPC补偿电流指令的计算原理图，由负载电流可得到所需转移的有功电流及补偿的无功电流为：

参见图3，整流侧变换器控制具体实施过程包括：采样总直流侧电压U_dc，将直流电压参考值U_dc ^ref减去U_dc并通过PI控制器，与电流补偿指令相加生成电流内环的指令值i_da ^ref；无功电流指令值i_qa ^ref即为i_q ^Δ：

其中，k_up为电压环比例系数，k_ui为电压环积分系数，本实施例中，k_up＝1.2，k_ui＝40。

将有功电流及无功电流给定值i_da ^ref、i_qa ^ref分别减去变换器交流侧电流采样值i_cda、i_cqa，并将该误差量通过PI控制器实现dq解耦控制；将u_sda、u_sqa分别减去电流环输出得到dq坐标下的调制信号u_rda、u_rqa：

其中，k_ip为电流内环比例系数，k_ii为电流内环的积分系数，本实施例中，k_ip＝1.8，k_ii＝20其中，w为电网角频率，L为桥臂电感值。

并将dq坐标转换为单相坐标调制波u_ra，分别计算A、B相上下桥臂的调制波u_{a_AS}、u_{a_AX}、u_{a_BS}、u_{a_BX}：

u_ra＝u_rda sin(θ₁)+u_rqa cos(θ₁)

其中，θ₁为第一供电臂电压锁相环输出的角度。

逆变侧变换器控制具体实施过程与整流侧变换器类似，此处不再赘述。

参见图4，图4为HMMC-RPC的单载波调制以及电容电压平衡控制示意图，调制策略具体实施过程包括：将桥臂的调制波分别除以各个子模块电压的平均值U_c，并向下取整得到桥臂投入模块数的整数部分，而将小数部分与载波进行比较，并将两者叠加作为最终的投入模块数；

参见图5，图5为HMMC-RPC引入虚拟因子k及电容电压平衡控制的示意图，实时采集各个桥臂子模块电容电压计算调制度m＝U_m/(U_dc/2)(Um为交流电压幅值的一半，Udc为直流侧总电压)，分别区分半桥子模块电压U_dcHBj(第j个半桥子模块的电压)和全桥子模块电压Udc_FBi(第i个全桥子模块的电压)，保持半桥子模块的电压不变，将全桥子模块的电容电压均乘以虚拟因子k，并对U_dcHBj，k*Udc_FBi(j＝1，2…,N-F；i＝1,2…,F)进行排序；当投入模块电平数Q>0时，若桥臂电流i_px、i_nx>0，从所有子模块中选电压低的Q个子模块投入，若桥臂电流i_px、i_nx<0，从所有子模块中选电压高的Q个子模块投入；投入模块电平数Q<0时，若桥臂电流i_px、i_nx>0，从全桥子模块FB中选电压高的|Q|个子模块投入负电平，若桥臂电流i_px、i_nx<0，从所有子模块中选电压低的|Q|个子模块投入负电平，由此获得各个子模块的驱动信号。

Claims

1.一种混合型模块化多电平铁路功率调节器的控制方法，混合型模块化多电平铁路功率调节器包括逆变侧变换器、整流侧变换器；所述逆变侧变换器与所述整流侧变换器并联；所述逆变侧变换器/整流侧变换器各包括两个并联的相单元；所述逆变侧变换器两个相单元的中点接交流牵引网第一供电臂；所述整流侧变换器两个相单元的中点接交流牵引网第二供电臂；每个所述相单元包括串联的上桥臂和下桥臂；所述上桥臂和下桥臂均包括N个串联的子模块；其中所述N个串联的子模块包括F个串联的全桥子模块和(N-F)个串联的半桥子模块；其特征在于，包括以下步骤：

2)对于整流侧变换器，利用下式计算电流环的有功电流指令值i_da ^ref和无功电流指令值i_qa ^ref：

其中，k_up为电压外环比例系数，k_ui为电压外环积分系数；U_dc为直流侧总电压；U_dc ^ref为直流电压参考值；将i_da ^ref、i_qa ^ref分别对应减去逆变侧变换器交流侧电流的dq分量i_cda、i_cqa，并将差值通过电流环PI控制器dq解耦后输出u_diffad、u_diffaq；将u_sda、u_sqa分别对应减去u_diffad、u_diffaq，得到dq坐标下的调制信号u_rda、u_rqa；将dq坐标转换为单相坐标调制波u_ra，分别计算整流侧变换器A、B相上桥臂的调制波u_{a_AS}、u_{a_AX}和下桥臂的调制波u_{a_BS}、u_{a_BX}；

对于逆变侧变换器，取补偿电流i_d ^Δ作为有功指令值i_db ^ref；无功电流指令值i_qb ^ref为-i_q ^Δ；将有功电流指令值i_db ^ref及无功电流指令值i_qb ^ref分别减去逆变侧变换器交流侧电流采样值i_cda和整流侧变换器交流侧电流采样值i_cqa，并将误差量通过PI控制器实现dq解耦控制；将第二供电臂的电网电压u_sdb、u_sqb分别对应减去u_diffbd、u_diffbq，得到dq坐标下的调制信号u_rdb、u_rqb；并将dq坐标转换为单相坐标调制波u_rb，分别计算逆变侧变换器A、B相上桥臂的调制波u_{b_AS}、u_{b_AX}和下桥臂的调制波u_{b_BS}、u_{b_BX}；u_ra＝u_rdasin(θ₁)+u_rqacos(θ₁)；

3)将所有调制波信号向下取整，得到整数部分；将各调制波信号的小数部分与载波比较，若调制波大于或等于载波，则将所述小数部分记为标记值1，小于载波则将所述小数部分记为标记值0；将标记值与所述整数部分叠加，获得投入的子模块电平数。

2.根据权利要求1所述的混合型模块化多电平铁路功率调节器的控制方法，其特征在于，还包括：当投入的子模块电平数Q>0时，若上、下桥臂电流i_px、i_nx>0，从所有子模块中选电容电压最低的Q个子模块投入，若桥臂电流i_px、i_nx<0，从所有子模块中选电容电压最高的Q个子模块投入；投入子模块电平数Q<0时，若桥臂电流i_px、i_nx>0，从所有子模块中选电容电压最高的|Q|个子模块投入负电平，若桥臂电流i_px、i_nx<0，从全桥子模块中选电容电压低的|Q|个子模块投入负电平。

3.根据权利要求2所述的混合型模块化多电平铁路功率调节器的控制方法，其特征在于，从所有子模块中选择相应子模块时，还包括对子模块电容电压排序，具体排序方法包括对于任一供电臂，实时采集该桥臂子模块电容电压，计算调制度m，m＝U_m/(U_dc/2)，U_m为交流电压幅值，引入虚拟因子k；电网电压正常时，调制度m<1,虚拟因子保持k＝1；电网电压抬升至m>1，分别计算半桥子模块电压平均值Udc_aveHB＝(Udc_HB1+Udc_HB2+…+Udc_HB，N-F)/(N-F)，以及全桥子模块电压平均值Udc_aveFB＝(Udc_FB1+Udc_FB2+…+Udc_FB，F)/F，将Udc_aveHB与Udc_aveFB作差，差值经PI控制器输出为δ，将各全桥子模块的电容电压均乘以虚拟因子k，此时k＝1-δ，得到全桥子模块修正的电容电压k*Udc_FBi，对电容电压k*Udc_FB1，k*Udc_FB2，k*Udc_FB3…，k*Udc_FBF，Udc_HB1，Udc_HB2，Udc_HB3…，Udc_HB，N-F进行排序；其中，0＜k≤1；Udc_HB1、Udc_HB2、…、Udc_HB，N-F分别为各半桥子模块的电容电压；Udc_FB1、Udc_FB2、…、Udc_FB，F为各全桥子模块的电容电压。

4.根据权利要求3所述的混合型模块化多电平铁路功率调节器的控制方法，其特征在于，调制度m范围为0～2F/(N-F)且m<2。

5.一种权利要求1所述混合型模块化多电平铁路功率调节器的控制系统，其特征在于，包括计算机设备；所述计算机设备被配置或编程为用于执行权利要求1～4之一所述混合型模块化多电平铁路功率调节器的控制方法的步骤。