Luận văn, Điện tử công suất, đề tài tốt nghiệp, đồ án, thực tập tốt nghiệp, đề tài
Modular Multilevel Converters for Railway Supply Arif Haider XR-EE-EME-2010:006 R OYAL I NSTITUTE OF T ECHNOLOGY S CHOOL OF E LECTRICAL E NGINEERING E LECTRICAL M ACHINES AND P OWER E LECTRONICS Stockholm 2010 Submitted to the School of Electrical Engineering in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master. Stockholm 2010 XR-EE-EME-2010:006 This document was prepared using Microsoft Word 2003. i Sammanfattning Normalt strömförsörjs tåg från en kontaktledning med växel- eller likspänning. Kontakledningen förses med effekt på olika sätt t.ex. med likriktare vid likspänningsmatning eller från transformatorer, roterande eller statiska omformare vid växelspänningsmatning. Växelspänningssystem som använder 3 2 16 Hz behöver omriktare från trefas- till enfas- spänning. Sådana omriktare har framställts med hjälp av roterande omformare, cyklo- omriktare eller spänningsstyva omriktare (Voltage Source Converter = VSC) kopplade back- back med gemensam likspänningssida. Det har föreslagits att man skulle använda en topologi känd som "modulär multinivå omriktare" (Modular Multilevel Converter = MMC), liknande den som används i kraftöverföring med högspänd likström (High Voltage Direct Current = HVDC), dock utrustad med fullbryggor i submodulerna. De gemensamma skenorna, vilka motsvarar likspänningsuttagen i HVDC-omriktarna, kommer då att utgöra de två utgående växelspänningsterminalerna. Ett 15 kV system baserat på MMC kan direkt producera den önskade växelspänningen och man eliminerar därigenom behovet av en stor och dyrbar lågfrekvenstransformator. Dessutom reduceras förlusterna och de dynamiska prestanda förbättras. Effekten som tillförs tågen pulserar till följd av den enfasiga matningen via kontaktledningen. Kapaciteten i MMC- omriktarens interna energilager är tillräckligt stor för att reducera de (subharmoniska) pulsationerna i effekten som dras från det matande nätet. Strukturen för MMC-omriktaren med full-bryggor beskrivs i [1] och det påpekas att full fyrkvadrantdrift åstadkoms utan separat energitillförsel till de individuella likspänningskondensatorerna i submodulerna. Alla submoduler har samma märkdata och systemet är därför enkelt skalbart. Man noterar också att låginduktiva skensystem inte är nödvändiga för att koppla ihop submodulernas kondensatorer; vanliga kablar kan användas. I denna rapport har en kontinuerlig modell (oändligt antal submoduler, oändlig switchfrekvens) av den MMC-baserade frekvensomriktaren för järnvägsmatning utvecklats i Matlab/Simulink. I modellen levereras 15 kV växelspänning 3 2 16 Hz från ett 50 Hz trefasnät ii via en trasformator med huvudspäningen 15 kV. Egenskaperna för omriktaren byggd med den nya teknologin introduceras baserat på en öppen styrstrategi. Simuleringar och analytiska undersökningar visar omriktarens attraktiva egenskaper. Kontinuerlig drift med aktiv last såväl som dynamiskt beteende vid laständringar, återmatning och reaktiva belsatningsförändringar demonstreras med simuleringsresultat. Strömmarna på den matande sidan har försumbar harmonisk distortion och de bildar ett symmetriskt trfassystem vid stationär drift. Slutligen har en nollföljdskomponent adderats till spänningen (common mode voltage injection) för att maximera utnyttjningen av omriktarens huvudkrets. iii Abstract Trains normally are powered from a catenary supplying AC or DC to the rolling stock. Various means can power the catenary e.g. rectifier stations for DC systems and transformers, rotating or static converters for AC systems. For AC systems using 3 2 16 Hz three-phase to single-phase converters are required. Such converters have been implemented using rotating converters, cyclo-converters and Voltage Source Converters (VSC) connected back-back with a common DC link. It has been proposed that the Modular Multilevel Converter (MMC) topology, similar to the one used in HVDC, can be used for the AC/AC conversion, however using sub-modules equipped with full-bridges. The common bars for the phase legs, corresponding to the DC bars in the HVDC, then will constitute the single- phase AC side terminals. For a 15 kV system the MMC directly can produce the requested AC voltage, thereby eliminating the bulky and costly low-frequency transformer. Moreover the losses are reduced and the dynamical performance can be improved. The power to the rolling stock pulsates due to the single-phase connection to the catenary. The MMC has sufficient internal energy storage capability that can minimize these pulsations (sub-harmonics) in the power drawn from the grid. The structure of the MMC with full-bridges is described in [1] and it is pointed out that full four quadrant operation can be achieved without separate energy supply to the DC-capacitors. All sub-modules have the same ratings and the system is easy to scale. It is also pointed out that no low-inductive busbars are needed to connect the capacitors; ordinary cables can be used. In this work a continuous model (infinte number of sub-modules, infinite switching frequency) of the AC/AC MMC-based railway supply is developed in Matlab/Simulink. It provides single-phase AC 15 kV / 3 2 16 Hz and it is fed from the 50 Hz network through a transformer with the line-line voltage 15 kV. The basic characteristics of this new converter technology will be introduced based on an open-loop control strategy. Simulations and analytical investigations underline the attractiveness of this converter. Steady state operation with active load as well as dynamic behaviour of the converter at load changes, regeneration iv and reactive load changes has been demonstrated with simulation results. Negligible harmonic distortion appears in the line-side currents, which form a symmetrical three-phase system in steady state. Finally common mode voltage injection has been applied in order to maximize the utilisation converter hardware. Keywords: Modular Multilevel Converter, Traction, Power transmission, MMC, Future Technology , Electric Railway, Electric Traction, Electrification v vi Acknowledgements Thanks to Allah the most merciful the most compassionate. My deepest gratitude goes to my supervisors, Prof. Hans-Peter Nee and Prof. Lennart Ängquist. It is an honor and a pleasure for me to have Prof. Hans-Peter Nee as my supervisor and examiner. It is also a privilege for me to be a student of Prof. Lennart Ängquist. I am grateful for his generosity to share with me his deep understanding and knowledge to develop the model. Without his guidance, this project cannot reach the same level as it is today. I am grateful to Hongbo Jiang (Banverket) for many inspiring discussions. At KTH, I would like to thank all the colleagues in the Electrical Machines and Power Electronics department. In particular, I would like to thank PhD students Antonios Antonopoulos and Noman Ahmed for guidance and support. Many thanks to my parents and siblings for their love and support. Arif Haider Stockholm, Sweden November 2010 vii viii . Modular Multilevel Converters for Railway Supply Arif Haider XR-EE-EME-2010:006 R OYAL I NSTITUTE. ................................................................................................................................. 16 Modular Multilevel Converter (MMC) Model for Railway Supply ....................................... 16