新型牵引供电系统直流侧二次波动分析与抑制
华东交通大学电气与自动化学院的研究人员宋平岗、吴继珍、董辉，在2017年第7期《电工技术学报》上撰文，为解决传统牵引供电系统中存在的电能质量和过分相问题,介绍了一种基于模块化多电平换流器的多端柔性直流输电系统(MMC-MTDC)的新型牵引供电系统。
分析了新型牵引供电系统中出现的直流电压、电流二倍频波动问题,主要有两方面原因:一是受端单相H桥型模块化多电平换流器(SPH-MMC)正常工作时内部环流将流入直流侧引起直流电压、电流二倍频波动;二是送端三相MMC因电网电压不平衡时桥臂中存在的零序电压分量造成直流电压、电流二倍频波动。
为此,对于SPH-MMC基于准比例谐振控制器和二阶广义积分器设计环流抑制控制器;对于三相MMC设计无需锁相环和无需电流正、负序分解的电网不对称故障控制器,利用电压补偿技术设计直流侧二倍频波动抑制器。最后,以三端单相-三相MMC-MTDC仿真模型为例验证该文的分析结果和所提出的控制策略。
目前我国牵引供电系统主要采用的是单相工频交流供电模式，牵引变压器将公共电网的三相交流电降压成两单相交流电后，分别向变电所两侧的供电臂提供能量［1］。这是一种不对称的供电模式，主要存在电能质量和电分相两大问题，约束着高速重载电气化铁道的发展。
随着电力电子技术的发展，众多学者基于变流技术提出相关方案来解决传统牵引供电系统所存在的问题。基于电压源换流器的高压直流输电 (Voltage Source Converter High Voltage DirectCurrent，VSC-HVDC)技术自提出以来，凭借其技术优势得到了学术界和工业领域的高度关注，特别是近年来随着对模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter，MMC)的深入研究，为了克服现行牵引供电系统所存在的不利因素，本文将VSC-HVDC技术应用到牵引供电中，提出一种基于模块化多电平换流器的多端柔性直流输电系统(Modular Multilevel Converter MultiTerminal DirectCurrent，MMC-MTDC)的新型牵引供电系统。
利用三相MMC将公用电网的三相交流电整流成直流，单相H桥型MMC (Single-Phase H-Bridge MMC，SPH-MMC)变流器将直流电转换成单相交流电输送至牵引网。接触网内的电流制不变、相位统一，因此三相平衡，不存在电分相问题。
基于VSC-MTDC的新型牵引供电系统中直流电压的稳定是整个系统正常运行的关键，然而由于以下两方面原因直流电网将出现二倍频波动:
一是SPH-MMC正常运行时为保持交、直流两端瞬时功率的平衡，直流侧功率将出现二倍频波动;
二是由于电网出现不对称故障时，零序电压分量存在于三相MMC整流站桥臂电压中，引起直流电压、电流二倍频波动。直流端的不稳定最终将影响整个新型牵引供电系统正常工作，必须设计相关控制器将故障隔离到单站内。
对于原因一，在中小功率场所两电平的单相VSC系统主要通过两种方式来抑制直流侧波动问题: 一是通过改进控制策略的方式; 二是通过改进拓扑结构增加储能元件。然而，对于运用于大功率场合下由若干个子模块(Sub-Module，SM)串联而成的单相MMC，上述文献所提出的方案并不能直接套用。
对于原因二，已有文献根据瞬时功率理论针对电网出现不平衡故障时提出了 MMC的相关控制策略: 文献［12，13］针对直流电压二倍频波动分别设计了抑制控制器，其控制器内环电流部分相对较复杂，需要设置正、负序两个电流控制器; 文献［14］提出将电网不平衡时直流电压、电流二倍频波动转换为抑制零序环流问题且无需正、负序分离，取得了很好的效果，但仍需要整流和逆变两端协调控制。
本文首先介绍了基于MMC-MTDC的新型牵引供电系统; 然后分别针对由 SPH-MMC和三相MMC所引起的新型牵引供电系统中直流侧二次波动问题进行了分析; 对于SPH-MMC，通过设计环流抑制器即可在无需增加其他器件的情况下，利用MMC的优越拓扑特性抑制直流侧二次波动; 对于三相MMC，设计电网不平衡下无锁相环控制策略和直流电压二倍频抑制控制器; 最后在PSCAD/EMTDC中搭建仿真模型验证本文所提出的控制策略。
图1 基于VSC-MTDC的新型牵引供电系统框图
结论
1）将HVDC技术应用于铁道电气化牵引供电系统中，可以解决传统牵引供电系统中所存在的电能质量和过分相两大问题。与其他基于电力电子变流技术的改进方案相比，基于VSC-MTDC的新型牵引供电系统具有明显优势。
2）单相变流器交流侧瞬时功率以二倍频波动，将引起直流侧瞬时功率同样二倍频波动。与传统的两电平VSC相比，MMC型单相变流器由于子模块电容的储能特性，使得变流器交、直流瞬时功率的二倍频分量并非完全一样，直流侧波动主要是由于环流流入直流侧引起的。根据该结论无需改进电路拓扑的情况下，设计环流抑制控制器，明显抑制了直流侧的二次波动。但由于MMC中环流只能尽可能抑制，并不能完全消除，因此直流侧仍存在微弱的波动现象。
3）当电网出现不对称故障时，新型牵引供电系统中直流电压、电流同样会出现二倍频波动，以抑制交流负序电流为目标设计控制器和直流侧波动抑制器，所设计出的控制器无需锁相环，利用电压补偿技术设计直流侧波动抑制器，抑制效果明显，可以保证电网故障时三相MMC直流端仍然正常工作。
本文所设计的相关控制器能够将送端和受端 MMC所引起的直流侧二倍频波动分别隔离到各自换流站内，能够保持整个牵引供电系统的正常运行。但尚未考虑受端SPH-MMC在并联运行状态下牵引网电压可能不稳定的情况，这将是本文作者下一步主要研究的内容。