[发明专利]一种多电平铁路功率调节器及其无源非线性控制方法

说明书

技术领域

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MRPC式直接铁路功率补偿器及其控制方法。

背景技术

电气化铁路在在现代社会发展中发挥越来越重要的作用，高速铁路必将是未来铁路发展的主要方向。铁路牵引系统设备工作于中高压场合，由于电力电子半导体器件容量的限制，大多采用晶闸管半控器件；晶闸管是相控器件，大量半控型器件接入电网中会给电网带来谐波污染，降低了供电系统的功率因数，电能利用率较低。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。

目前针对这些电气化供电系统电能质量低下的状况，世界各国根据自身电气化铁路供电系统电能质量的实际情况和本身的技术水平采取相应的治理措施。有的采用晶闸管控制电抗器(TCR)，它是通过调节晶闸管阀的导通角来调节接入电网的等效电抗，从而实现无极和动态地改变输出的感性无功，但是会产生谐波。有的采用静止同步补偿器(STATCOM)，主电路采用全控型IGBT器件，具有很高的开关速度，电流补偿精度高，响应时间快，具有优异的补偿性能，但是结构复杂，功率器件多，成本昂贵。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。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。但是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，体积大且笨重。为此，本发明采用了一种多电平铁路功率调节器(multi-level railway power conditioner，MRPC)，它有四个边(即四个功桥链)，每个边是一个多电平级联型H桥链，不需要降压变压器，只需要通过一个隔离变压器与牵引变压器的牵引供电臂连接，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，大大降低了功率补偿器的成本和体积。

对电流的控制可以通过多种方法实现，如电流内环无差拍控制、PR控制器、单载波调制控制等。大多数的控制方法都是先将逆变器模型的非线性方程做线性化处理，使其变为线性方程，然后再采用传统的线性控制方法对其进行控制。这些方法在实际的实验研究当中，也证明了其控制的有效性。但实际上，由于级联形式的RPC是一个非线性、多变量型系统，所以采用传统的线性控制方法无法得到很好的动态效果，难以实现精确的控制。

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，提供一种可以直接进行功率双向变换和流动的多电平铁路功率调节器及确保MRPC能够实现有功转移的控制方法。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种多电平铁路功率调节器(multi-level railway power conditioner,MRPC)，包含四个桥链，每个桥链包括由模块化、多电平级联H桥和一个与所述H桥相连的滤波电感，每个桥链输出端通过连接一个滤波电感再并联到牵引变压器二次侧上。其中，第一桥链的滤波电感与第二桥链的滤波电感连接；第三桥链的滤波电感与第四桥链的滤波电感连接；第一桥链与第三桥链相连；第二桥链与第四桥链相连所述第一桥链与第三桥链的交点、第二桥链与第四桥链的交点接入牵引变压器的第一个牵引供电臂；所述第一桥链与第二桥链的交点、第三桥链与第四桥链的交点接入牵引变压器的第二个牵引供电臂；牵引变压器的高压侧接三相对称电网。

本发明还提供了上述MRPC的控制方法，该方法为：