采用MMC-RPC治理牵引供电系统负序和谐波的PIR控制策略
华东交通大学电气与电子工程学院、国网智能电网研究院的研究人员宋平岗、林家通、李云丰、吴继珍、文发，在2017年第12期《电工技术学报》上撰文，为综合治理铁路牵引变压器的负序、无功、谐波问题，设计了基于模块化多电平换流器的铁路功率调节器（MMC-RPC）。
首先设计了频率自适应功率分离器，并从功率角度分析了Scott牵引变压器（STT）牵引供电系统综合治理的补偿量；然后在构造虚拟正交分量后建立了单相MMC数学模型，在同步旋转坐标系下分析机车谐波电流的特性，指出单相奇次谐波电流在dq坐标系下都以4的倍数次波动；最后提出了需要更少的谐振控制器数量的比例-积分-谐振控制策略。在Matlab中搭建MMC-RPC仿真模型进行仿真，结果证明了所提控制策略有效性。
由于铁路的单相供电方式和不同供电区间的负载不同，三相系统存在较大的负序电流[1,2]。另外，机车运行在消耗大量无功功率同时向牵引系统中注入大量谐波[3,4]。我国电气化铁路的高速化和重载化发展，对铁路牵引电力系统的影响逐渐增大。
为解决铁路牵引系统的负序电流问题，补偿无功功率，抑制机车带来的谐波问题，日本学者在1993年提出了铁路功率调节器（Railway staticPower Conditioner, RPC）[2]。传统RPC采用两个两电平的电压源型换流器（Voltage SourceConverter, VSC）背靠背连接，通过降压变压器后分别接入两侧牵引供电臂[5]，传统VSC电压水平低，限制了RPC的容量，同时降压变压器占地面积大、成本较高，限制了其推广应用。
2003年德国学者提出的模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter, MMC）是一种新型VSC。有学者提出采用两个单相H桥MMC（Single PhaseH-bridge MMC, SPH-MMC）背靠背连接构造新型的RPC（MMC-RPC）[6-8]，不仅可以实现传统RPC的所有功能，还可以通过增加级联模块数提高电压水平，直接接入牵引网，省去降压变压器，同时具有输出波形质量好等优点，无需滤波装置。
传统的RPC通常采用滞环比较的方法跟踪电流实现牵引电网的综合治理[5]，但对于MMC拓扑来说由于是子模块级联方式，因此无法采用滞环比较的方法。目前，对于MMC控制比较流行的方法是在同步旋转坐标系下采用双闭环比例积分（ProportionalIntegral, PI）控制，即内环采用定电流解耦控制，外环采用定电压或定功率控制。
该方法具有较好的控制效果与响应速度[9,10]，但因PI控制器无法控制交流分量，所以双闭环PI控制无法跟踪机车负载的谐波电流。为解决跟踪问题，有学者提出并联谐振控制器（ResonantController, RC）构建比例积分谐振（Proportional Integral Resonant，PIR）控制器跟踪多倍频波电压或电流波动。为避免电网电压不平衡和电力谐波对双馈感应发电机（Doubly-FedInduction Generator, DFIG）的负面影响，有学者提出采用PIR控制器抑制DFIG的转矩和功率多倍频波动[11,12]，或者分别对正、负分量采用PIR控制[13]，令DFIG达到较优的运行效果，但因DFIG和MMC的结构不同，其控制策略无法直接应用于MMC控制。
文献[14,15]将PIR控制器应用于抑制MMC桥臂的二倍频环流，取得较为明显的效果，但因为环流仅作用在MMC换流器内部，而MMC-RPC需要向牵引网主动注入的机车谐波电流相位相反的电流，所以环流抑制的控制策略无法直接应用。文献[11-15]都是针对三相系统而设计PIR控制策略，而针对SPH-MMC设计PIR控制策略的相关文献较少，采用PIR控制策略用来抑制牵引网上谐波电流的控制方式也较少。
本文以Scott牵引变压器（Scott TractionTransformer, STT）供电系统为例，从功率角度分析STT的补偿量，并设计频率自适应提取负载的基波、谐波功率方法。构造虚拟SPH-MMC的正交分量，在dq坐标系下建立数学模型。分析单相谐波电流在dq坐标系下的特性，并指出3、5、7、9次谐波电路中dq坐标下调制成4、8次波动，减小一半的谐振控制器，并采用频率自适应的PIR内环控制器以满足电流完全跟踪和补偿。最后在Matlab/Simulink中建立仿真模型并验证MMC-RPC的作用以及控制策略有效性。
图4 MMC-RPC控制系统框图
结论
1）用MMC拓扑换流器背靠背构建RPC，应用于STT的补偿，可有效地完成负序电流、无功补偿与谐波电流的综合治理。
2）本文设计的功率分离器，能有效地分离出负载的基波、谐波的功率，并从功率角度分析Scott补偿量，准确为MMC-RPC提供精确的综合治理的补偿参考值。
3）本文提出的频率自适应PIR控制器能有效地跟适应频率变化，并跟踪补偿多倍频谐波电流；稳定直流电压控制策略保证了直流段稳定。同时在潮流逆转的复杂情况下能在一个周期内完成调整，说明该控制策略具有较快的动态响应特性。
仿真结果证明了将MMC-RPC拓扑结构应用于铁路牵引供电系统综合治理的可行性，以及本文所提补偿量检测方法及PIR控制策略有效性。