1.背景介绍
目前我国电气化铁路大多数采用基于AT供电和V/v接线牵引变压器的牵引变电站结构。而电力机车作为一种特殊的流动性负荷，具有单向性、非线性、随机波动大等特点，当投入使用时，将会带来谐波、三相电压不平衡、电压波动等较为严重的电能质量问题。当电力机车进入牵引网时，牵引网电压最大波动范围从最小17.5KV到最大31.5KV，目前从牵引所27.5kV侧取得10kV电源主要是配置27.5/10kV单相-三相变压器方式。因为从原理上分析该方式三相电压不对称，当负载变化时不对称情况更严重，必须安装大容量电感、电容平衡不对称情况。而且机械式分接头方式的有载调压变压器，当负荷变化大，供电母线电压将随之变化大的工况下，存在动态调节响应速度慢、机械触头寿命短、变压器油老化等问题。再加上三相电压不对称的情况更加剧了这些问题，因此单相/三相有载调压变压器，并不适合电气化铁路牵引变电站。
如果通过外部电源接入站用电可以满足使用要求，如图1所示，但是需要额外从几十公里以外变电站引入电源，使用电缆长、成本高。因此，研究一种适合电气化铁路牵引变电站站用电源供电方式和设备，具有重要的社会经济意义。
图1 牵引站从外部引入电源
图2 牵引电站电源主电路结构
2.设计方案
本项目拟从变压器和电力电子技术着手，通过在变压器次边增加单相-三相模块化多电平变流器稳压电源的方法,来解决电源侧受牵引负荷影响而导致变压输出电压偏差大和谐波含量高的问题,研制一种能有效抑制牵引负荷带来的电压偏差的27.5/10kV稳压电源。
变压器原边接27.5KV接触网，次边10 KV接入变流器输入侧，变流器把交流电变换成稳定的直流电；变流器输出侧输出稳定的10KV三相交流电压。变流器采用MMC结构，MMC是Modular Multilevel Converter--模块化多电平变流器的简称；该拓扑结构采用模块化链式串联结构，如图2所示，输入侧两相模块阀组直接与降压变压器次边10kV连接；输入侧与输出侧直接背靠背相连，输出侧有三相阀组提供交流电源。每相阀组由上下桥臂组成，每个桥臂由若干个功率单元和一个桥臂电感串联组成。
图3 功率单元原理
变压器技术参数：电压变比两相27.5KV/两相10KV；容量0.5MVA。
变流器技术参数：
功率单元原理图如图3所示，两个开关器件T1、T2串联，再与直流电容C并联。并且开关器件T1、T2分别反并联二极管；T1与T2的公共端，电容C与T2的公共端作为每个单元的输出端，与其他单元相连。T1与T2必须互补导通，当T1导通T2截止时，单元输出高电平；当T2导通T1截止时，单元输出0电平；当T1、T2都截止时，单元处于闭锁状态，一般在故障与启动时使用。
并网运行后，每个功率单元工作在全电压或零电压状态。为叙述方便，定义功率单元处于全电压状态为开通，零电压状态为关断。于是，变流器单个相单元可以等效为图4（a）的结构。为了分析模块化多电平变流器技术的波形生成原理，不妨以a相为例进行说明。（a）中uao表示变流器a相单元输出的相电压，ua1、ua2分别代表a相单元上、下桥臂电压，Udc是直流电压。因为MMC结构变流器将电容器分散安装在每个功率单元内，为了维持直流电压恒定，每个相单元的上、下两桥臂总的导通模块个数恒定。图4（b）清晰地展现了变流器相电压波形的合成原理，从图中可以形象地看出各相单元上、下桥臂导通的模块数呈现此消彼长的变化趋势。变流器中三个相单元具有严格的对称性，每相桥臂可通过功率单元的投切控制桥臂输出电压，故每相桥臂均可等效为一个可控电压源，如图4（c），桥臂电压ua1和ua2的波形关于Udc/2对称，这表明任意时刻二者之和恒为Udc。
忽略变流器中桥臂电抗器的压降，可得：
由上述两式可以得出，模块化多电平变流器正常运行时每相单元中处于投入状态的功率单元数在任意时刻都相等且不变，通过对每相上、下桥臂中处于投入状态的功率单元数进行分配来实现变流器交流侧输出多电平波形。
由于模块化多电平变流器中三个相单元具有严格的对称性，相单元中的上、下桥臂也具有严格的对称性，因此直流电流Idc在三个相单元间均分，a相的输出端电流在上、下桥臂均分为两部分。因此，可以得到a相上、下桥臂电流为：
根据上述原理，当a相上桥臂中所有N个功率单元都切除时ua1=0，这时a相下桥臂所有的N个功率单元都要投入，才能得到直流电压Udc。又因为相单元中处于投入状态的功率单元数是一个不变的量，所以一般情况下，每个相单元中处于投入状态的功率单元数为N个，是该相单元中全部功率单元数2N的一半（不考虑冗余）。这样，单个桥臂处于投入状态的功率单元数可以是0，1，2，…，N，也就是说模块化多电平变流器最多能输出的电平数为N+1。
图4 基于MMC技术的多电平电压波形生成原理
总结
装置运行时，无论牵引站27.5kV单相电网如何波动，稳压电源始终控制总直流电压保持±10kV恒定不变。同时稳压电源的两相整流端还能够输出无功功率，稳定牵引站母线电压。
论文作者:周治国
论文发表刊物:《电力设备》2019年第3期
论文发表时间:2019/6/11
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