本发明公开了一种MMCC式直接铁路功率补偿器及其控制方法，MMCC式直接铁路功率补偿器为四边形单相AC-AC变换器结构，四个边都是由模块化、多电平级联变换器和电感组成，不需要降压变压器直接可与牵引供电臂连接。该种单相AC-AC变换器，中间不需要直流环节，能够实现功率的双向变换和流动，同时能补偿两个牵引供电臂的无功和谐波。同时，提出了MMCC式直接铁路功率补偿器的电压、电流综合控制方法，可以实现输出电流的快速响应，维持直流侧电压的稳定和均衡，能有效提高系统的控制性能。
1.一种MMCC式直接铁路功率补偿器的控制方法，MMCC式直接铁路功率补偿器包括四个功率补偿单元，所述功率补偿单元包括一个H桥链和一个与所述H桥链连接的滤波电感；
第一功率补偿单元的滤波电感与第二功率补偿单元的滤波电感连接；第三功率补偿单元的滤波电感与第四功率补偿单元的滤波电感连接；第一功率补偿单元的H桥链与第三功率补偿单元的H桥链连接；第二功率补偿单元的H桥链与第四功率补偿单元的H桥链连接；第一功率补偿单元与第二功率补偿单元的交点、第三功率补偿单元与第四功率补偿单元的交点接入牵引变压器的第一个牵引供电臂；第一功率补偿单元与第三功率补偿单元的交点、第二功率补偿单元与第四功率补偿单元的交点接入牵引变压器的第二个牵引供电臂；所述H桥链由多个H桥单元串联组成；其特征在于，该方法为：
1)检测MMCC式直接铁路功率补偿器中所有H桥单元的直流侧电压u1x，u2x，u3x和u4x，其中u1x表示第一功率补偿单元的H桥链的第x个H桥单元的直流侧电压，其它依次类推；
求取第一功率补偿单元的H桥链和第四功率补偿单元的H桥链的直流侧电压平均值uav1、第二功率补偿单元的H桥链和第三功率补偿单元的H桥链的直流侧电压平均值uav2以及所有H桥链的直流侧电压平均值uav，如下所示：其中，m表示每个H桥链的H桥单元数；
2)将H桥链的直流侧参考电压uref与检测的直流侧电压平均值uav相减，误差经过电压控制器调节后输出直流侧电压的调节指令ΔI；
3)根据直流侧电压的调节指令ΔI与负序和无功补偿指令信号 计算出MMCC式直接铁路功率补偿器的两相电流指令信号iar、ibr：其中，ua和ub分别表示牵引变压器两个牵引供电臂的电压；
4)将上述电流指令信号iar、ibr与MMCC式直接铁路功率补偿器输出的两相电流信号ica,icb相减，得到MMCC式直接铁路功率补偿器两相电流的跟踪误差信号ea,eb，将跟踪误差信号ea,eb分别通过电流控制器，得到误差调制信号Δma,Δmb；
5)利用下式求得MMCC式直接铁路功率补偿器的前馈调制信号 如下：
6)根据误差调制信号Δma,Δmb和前馈调制信号 求得MMCC式直接铁路功率补偿器的调制信号
7)将uav1减出第一功率补偿单元的H桥链第x个H桥单元的直流侧电压值u1x或者第四功率补偿单元的H桥链第x个H桥单元的直流侧电压值u4x，两者误差通过电压控制器的调节后与(ica-icb)/2相乘，得到均压调节指令Δu1x,Δu4x；将uav2减出第二功率补偿单元的H桥链第x个H桥单元的直流侧电压值u2x或者第三功率补偿单元的H桥链第x个H桥单元的直流侧电压值u3x，两者的误差通过电压控制器的调节后与(ica+icb)/2相乘，得到均压调节指令Δu2x,Δu3x；
8)将MMCC式直接铁路功率补偿器的调制信号 和均压调节指令Δu1x或Δu4x相加，得到第一功率补偿单元的H桥链或第四功率补偿单元的H桥链的第x个H桥单元的实际调制信号，将该实际调制信号送入移相PWM单元，得到第一功率补偿单元的H桥链第x个单元的开关驱动信号S1x或者第四功率补偿单元的H桥链第x个单元的开关驱动信号S4x；将MMCC式直接铁路功率补偿器的调制信号 和均压调节指令Δu2x或Δu3x相加，得到第二功率补偿单元的H桥链或第三功率补偿单元的H桥链的第x个H桥单元的实际调制信号，将该实际调制信号送入移相PWM单元，得到第二功率补偿单元的H桥链第x个单元的开关驱动信号S2x或者第三功率补偿单元的H桥链第x个单元的开关驱动信号S3x；
9)开关驱动信号驱动对应的H桥单元的功率开关管，使MMCC式直接铁路功率补偿器输出期望的电压电流。
一种MMCC式直接铁路功率补偿器及其控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及铁路牵引系统的电能质量治理领域,特别是一种MMCC式直接铁路功率补偿器及其控制方法。
背景技术
[0002] 高速电气化铁路作为当代高新技术的集成，具有运能大、能耗低、污染小、安全舒适等优势，是可持续性和环境友好性的运输模式，是国家创新能力、综合国力以及国家现代化程度的重要标志之一。然而，高速电气化铁路由于其独特的供电方式和机车负载特性，给电力系统带来了负序、谐波、电压波动和闪变等电能质量问题，降低了电力系统的供电质量，影响邻近电网安全稳定运行。近年来，随着高速铁路供电系统的进一步发展和壮大，由此带来的负序和无功等电能质量问题已越来越严重，必须采取有效的治理措施，来实现铁路牵引供电系统高质、安全和经济供电。
[0003] 为了治理铁路供电系统的负序、无功等电能质量问题，国内外有多种的电能质量补偿方案被提出和应用。有文献采用斯科特(SCOTT)变压器、阻抗匹配变压器等平衡变压器结构来减小负序电流平衡三相电流。在传统的电力机车线路上，由于其功率因数较低，有文献采用安装无源滤波器，无源部分容易与电网阻抗产生串并联谐振。有文献采用TCR型静止无功补偿器（Static Var Compensator，SVC）对牵引变电所的无功进行动态补偿，但是产生谐波电流。有文献提出了基于磁控电抗器的静止型动态无功补偿器，无谐波污染，但是动态补偿能力有限。为了抑制电力机车和静止无功补偿器产生的谐波电流，有文献采用混合型有源滤波器对谐波电流进行动态补偿，无源和有源混合在一起，结构复杂，可靠性不高。有文献提出采用全控型静止无功发生器(Static Var Generator,SVG)对牵引系统的无功和谐波动态补偿，但是SVG是安装在三相高压侧，结构复杂，功率器件多，成本昂贵。考虑到铁路供电系统的结构特点，日本学者提出了铁路功率调节器(Railway static Power Conditioner，RPC)，利用背靠背的2个功率变流器安装在供电系统的两供电臂上，两者可以联合进行有功、无功及谐波控制，能实现对负序和无功综合补偿。传统铁路功率调节器的拓扑结构如图1所示。为了提高功率补偿装置容量，有学者提出采用多模块并联形式组成一种多重化的铁路功率调节器，单个背靠背功率模块单元各个变流器（H桥）的交流侧通过降压分裂变压器的副边分裂绕组并联，直流侧电容相互独立，通过载波移相实现多重化。该种结构需要两个降压分裂变压器，容量与补偿容量相当的，从而导致装置的成本高，体积大笨重。
发明内容
[0004] 本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种可以直接进行功率的双向变换和流动的MMCC式直接铁路功率补偿器及确保MMCC式直接铁路功率补偿器能够实现有功转移和无功补偿的控制方法。
[0005] 为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种MMCC式直接铁路功率补偿器，包括四个功率补偿单元，所述功率补偿单元包括一个H桥链和一个与所述H桥链连接的滤波电感；第一功率补偿单元的滤波电感与第二功率补偿单元的滤波电感连接；第三功率补偿单元的滤波电感与第四功率补偿单元的滤波电感连接；第一功率补偿单元的H桥链与第三功率补偿单元的H桥链连接；第二功率补偿单元的H桥链与第四功率补偿单元的H桥链连接；所述第一功率补偿单元与第二功率补偿单元的交点、第三功率补偿单元与第四功率补偿单元的交点接入牵引变压器的第一个牵引供电臂；所述第一功率补偿单元与第三功率补偿单元的交点、第二功率补偿单元与第四功率补偿单元的交点接入牵引变压器的第二个牵引供电臂；所述H桥链由多个H桥单元串联组成。
[0006] 本发明还提供了上述MMCC式直接铁路功率补偿器的控制方法，该方法为：
[0007] 1）检测MMCC式直接铁路功率补偿器中所有H桥单元的直流侧电压u1x，u2x，u3x和u4x，其中u1x表示第一功率补偿单元的H桥链的第x个H桥单元的直流侧电压，其它依次类推；求取第一功率补偿单元的H桥链和第四功率补偿单元的H桥链的直流侧电压平均值uav1、第二功率补偿单元的H桥链和第三功率补偿单元的H桥链的直流侧电压平均值uav2以及所有H桥链的直流侧电压平均值uav，如下所示：
[0008]
[0009]
[0010]
[0011] 其中，m表示每个H桥链的H桥单元数；
[0012] 2）将H桥链的直流侧参考电压uref与检测的直流侧电压平均值uav相减，误差经过电压控制器调节后输出直流侧电压的调节指令ΔI；
[0013] 3）根据直流侧电压的调节指令ΔI与负序和无功补偿指令信号 计算出MMCC式直接铁路功率补偿器的两相电流指令信号iar、ibr：
[0014]
[0015] 其中，ua和ub分别表示牵引变压器两个牵引供电臂的电压；
[0016] 4）将上述电流指令信号iar、ibr与MMCC式直接铁路功率补偿器输出的两相电流信号ica,icb相减，得到MMCC式直接铁路功率补偿器两相电流的跟踪误差信号ea,eb，将跟踪误差信号ea,eb分别通过电流控制器，得到误差调制信号Δma,Δmb；
[0017] 5）利用下式求得MMCC式直接铁路功率补偿器的前馈调制信号 如下：
[0018]
[0019]
[0020] 其中， L为滤波电感值；
[0021] 6）根据误差调制信号Δma,Δmb和前馈调制信号 求得MMCC式直接铁路功率补偿器的调制信号
[0022]
[0023] 7）将uav1减出第一功率补偿单元的H桥链第x个H桥单元的直流侧电压值u1x或者第四功率补偿单元的H桥链第x个H桥单元的直流侧电压值u4x，两者误差通过电压控制器的调节后与(ica-icb)/2相乘，得到均压调节指令Δu1x,Δu4x；将uav2减出第二功率补偿单元的H桥链第x个H桥单元的直流侧电压值u2x或者第三功率补偿单元的H桥链第x个H桥单元的直流侧电压值u3x，两者的误差通过电压控制器的调节后与(ica+icb)/2相乘，得到均压调节指令Δu2x,Δu4x；
[0024] 8）将MMCC式直接铁路功率补偿器的调制信号 和均压调节指令Δu1x或Δu4x相加，得到第一功率补偿单元的H桥链或第四功率补偿单元的H桥链的第x个H桥单元的实际调制信号，将该实际调制信号送入移相PWM单元，得到第一功率补偿单元的H桥链第x个单元的开关驱动信号S1x或者第四功率补偿单元的H桥链第x个单元的开关驱动信号S4x；将MMCC式直接铁路功率补偿器的调制信号 和均压调节指令Δu2x或Δu3x相加，得到第二功率补偿单元的H桥链或第三功率补偿单元的H桥链的第x个H桥单元的实际调制信号，将该实际调制信号送入移相PWM单元，得到第二功率补偿单元的H桥链第x个单元的开关驱动信号S2x或者第三功率补偿单元的H桥链第x个单元的开关驱动信号S4x；
[0025] 9）开关驱动信号驱动对应的H桥单元的功率开关管，使MMCC式直接铁路功率补偿器输出期望的电压电流。
[0026] 与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明的MMCC式直接铁路功率补偿器有四个边（即四个功率补偿单元），每个边是一个多电平级联型H桥链，不需要降压变压器，可以与牵引变压器的牵引供电臂直接连接，同时中间不需要直流环节，可以直接进行功率的双向变换和流动，大大降低了铁路功率补偿器的成本和体积；本发明的控制方法能确保MMCC式直接铁路功率补偿器实现有功转移和无功补偿，从而实现牵引系统的负序补偿，同时采用了均压控制方法，可以实现输出电流的快速响应，维持了直流侧电压的稳定和均衡，能有效提高铁路功率补偿器的控制性能。
附图说明
[0027] 图1为传统铁路功率调节器的拓扑结构图；
[0028] 图2为本发明一实施例MMCC式直接铁路功率补偿器的拓扑结构图；
[0029] 图3为本发明一实施例MMCC式直接铁路功率补偿器的控制框图；
[0030] 其中，
[0031] 1：MMCC式直接铁路功率补偿器；2：H桥链；3：滤波电感。
具体实施方式
[0032] 如图2所示，本发明一实施例MMCC式直接铁路功率补偿器由四个边组成；每个边由一个H桥链2和一个滤波电感3组成；H桥链2是由多个H桥单元串联形成；四边形的四个交点按对角线分成两组，两组交点分别通过电缆与两个牵引供电臂相连接。该装置通过采用多电平级联变换器组成一个四边形单相AC-AC变换器，不需要降压变压器直接可与牵引供电臂连接。同时中间不需要直流环节，能够直接实现功率的双向变换和流动，同时能补偿牵引供电臂机车负载产生的无功。故装置通过采用多电平级联变换技术，节省了两个降压变压器，大大减小了装置的体积和成本。
[0033] 为了方便分析，首先定义电流i1流过的H桥链为第一个H桥链（指第一个功率补偿单元的H桥链，以下类同），其它依次类推。同时定义右边的牵引供电臂为a相供电臂，左边的牵引供电臂为b相供电臂。从结构图中可以看到，对于a相供电臂电源而言，第一个H桥链与第三个H桥链串联，第二个H桥链与第四个H桥链串联，然后两个H桥链组并联；对于b相供电臂电源而言，第一个H桥链与第二个H桥链串联，第三个H桥链与第四个H桥链串联，然后两个H桥链组并联。该种装置具有以下的基本特点和数量关系：
[0034]
[0035] 则有：
[0036]
[0037] 同时，假设第一个H桥链交流侧输出电压为u1，其他依次类推。则根据图中的电路结构有：
[0038]
[0039] 其中L表示表示单个滤波电感的电感值，ua和ub为两牵引供电臂的电压。根据该种结构的输出特性，有u1=u4,u2=u3。则可以推出：
[0040]
[0041] MMCC式直接铁路功率补偿器的控制框图如图3所示。系统的参数包括供电臂电压、补偿器两相输入电流和四个H桥链的电流，系统所有H桥单元的直流侧电压。具体控制步骤如下：
[0042] 故首先检测补偿器的所有H桥单元的直流侧电压u1x，u2x，u3x和u4x，其中u1x表示第一个H桥链的第x个单元的直流侧电压，其它依次类推。然后求取第一个H桥链和第四个H桥链、第二个H桥链和第三个H桥链以及所有H桥链的直流侧电压平均值，如下所示：
[0043]
[0044]
[0045]
[0046] 其中，m表示每个H桥链的H桥单元数。将直流侧参考电压uref与检测的直流侧电压平均值uav相减，误差经过电压控制器的调节后输出直流侧电压的调节指令ΔI；
[0047] 根据直流侧电压的调节指令ΔI与负序和无功补偿指令信号 计算出补偿器的两相电流指令信号：
[0048]
[0049] 其中，负序和无功补偿指令信号 由牵引供电系统的结构和两相负载功率决定。以SCOTT牵引变压器为例，将三相对称电压转换成两相对称供电臂电压。假定原边A相电网电压为uA=UAsin(ωt-2π/3)，则有a相供电臂的相角θa=0，b相供电臂的相角θb=-π/2。假设只有b相供电臂有负载，负载的有功功率为P，供电臂电压有幅值为U，则负载有功电流的幅值Im=2P/U。根据SCOTT变压器的负序补偿原理，则有补偿器的两相补偿指令电流为：
[0050]
[0051] 通过直流侧电压的闭环控制，维持补偿器的直流侧电压稳定，为H桥变流器提供一个稳定的直流电源，同时可以弥补功率器件损耗导致的电压下降。将补偿器的电流指令信号iar,ibr与其输出的电流信号ica,icb相减，得到两相电流的跟踪误差信号ea,eb，然后分别经过电流控制器的处理，得到误差调制信号Δma,Δmb。
[0052] 根据补偿系统的输出数学模型和负序补偿指令信号 和 ，可以求出系统前馈调制信号，如下：
[0053]
[0054]
[0055] 其中， m表示每个链的H桥单元数。
[0056] 这样通过前馈控制的调制信号，可以快速控制补偿器的功率开关管输出期望的电压电流，实现对指令电流的快速响应。根据补偿器的误差调制信号Δma,Δmb和前馈调制信号 可以得到补偿器的调制信号 如下：
[0057]
[0058] 为了保持H桥链内各个H桥单元的直流侧电压的均衡和稳定，从而保持系统的安全稳定运行，这里采用了一种均压控制方法。具体实现如下：
[0059] 将检测到直流侧电压平均值uav1减出第一个H桥链或者第四个H桥链第x个单元的直流侧电压值u1x,u4x，误差通过电压控制器的调节后与(ica-icb)/2相乘，可以得到均压调节指令Δu1x,Δu4x；将直流侧电压平均值uav2减出第二个H桥链或者第三个H桥链第x个单元的直流侧电压值u2x,u3x，误差通过电压控制器的调节后与(ica+icb)/2相乘，可以得到均压调节指令Δu2x,Δu4x。
[0060] 最后，将补偿器的调制信号 和均压调节Δu1x,Δu4x相加，得到第一个H桥链或第四个H桥链的第x个H桥单元的实际调制信号，然后送入移相PWM单元，可以得到第一个H桥链或者第四个H桥链第x个单元的开关驱动信号S1x,S4x；将调制信号 和均压调节Δu2x,Δu3x相加，得到第二个H桥链或第三个H桥链的第x个H桥单元的实际调制信号，然后送入移相PWM单元，可以得到第二额H桥链或者第三个H桥链第x个单元的开关驱动信号S2x,S4x；开关驱动信号驱动对应H桥单元的功率开关管使之输出期望的电压电流。
[0061] 根据载波移相PWM调制的原理，2m个H桥单元级联，每个单元的载波相角移相π/2m，这样可以有效提高系统的等效开关频率，减少输出电压、电流毛刺。
