適用于電氣化鐵道的靜止無(wú)功發(fā)生器SVG的研究

張永剛，肖彥君，吳茂杉

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 城市軌道交通中心，北京100081）

電氣化鐵道使用交流工頻單相供電方式，其牽引負(fù)荷是電力系統(tǒng)的主要不平衡負(fù)荷，且具有非線性、大功率、分布廣、大波動(dòng)性等特征。隨著電氣化鐵道運(yùn)營(yíng)里程的不斷增加以及鐵路運(yùn)輸列車的提速，電氣化鐵道的電能質(zhì)量問(wèn)題［1］，如無(wú)功、諧波等亟待解決。目前我國(guó)電氣化鐵道牽引變電所的無(wú)功補(bǔ)償絕大部分采用并聯(lián)電容器固定補(bǔ)償，但是這種補(bǔ)償方式效果不理想，而且響應(yīng)速度慢，已經(jīng)不能滿足電氣化鐵道無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊?。與傳統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償裝置相比，SVG具有調(diào)節(jié)連續(xù)、諧波小、損耗低、運(yùn)行范圍寬、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)廣泛用于配電網(wǎng)、輸電網(wǎng)等電路系統(tǒng)中。從SVG的原理出發(fā)，結(jié)合電氣化鐵道供電的實(shí)際情況，對(duì)SVG的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，主要解決補(bǔ)償無(wú)功功率的問(wèn)題，并對(duì)電氣化鐵道中含量較高的低次諧波進(jìn)行抑制。

1 SVG的工作原理

從圖1中可以看出SVG的工作原理：首先，檢測(cè)電路從接觸網(wǎng)上檢測(cè)到系統(tǒng)電壓、系統(tǒng)電流及負(fù)載電流，然后轉(zhuǎn)化為控制信號(hào)，輸送到主電路逆變器上，再把反饋的補(bǔ)償電流輸送回輸電線，從而達(dá)到直接電流控制實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

2 SVG主電路結(jié)構(gòu)選擇

目前己經(jīng)投入運(yùn)用的SVG主要以多重化結(jié)構(gòu)為主。多重化即為對(duì)幾個(gè)輸出電壓為方波的相同變換器，將它們依次錯(cuò)開相同的相位角，然后把它們疊加起來(lái)，形成一個(gè)接近于正弦波的階梯波，以達(dá)到消除某些含量高低次諧波的目的。但是在應(yīng)用到電氣化鐵路上時(shí)，多重化結(jié)構(gòu)的問(wèn)題是承受系統(tǒng)不平衡能力有限，在系統(tǒng)故障時(shí)往往退出運(yùn)行，且還存在多重化變壓器價(jià)格昂貴、占地面積大、損耗大以及直流磁偏、飽和導(dǎo)致的控制困難等問(wèn)題。而多電平結(jié)構(gòu)中的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)在系統(tǒng)不平衡的狀態(tài)下具有更好的諧波特性，而且所有鏈節(jié)的結(jié)構(gòu)完全相同，可以實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，便于擴(kuò)展裝置容量及維護(hù)，適用于高壓、大容量場(chǎng)合［2］。所以鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)更能夠符合電氣化鐵道無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊?。以H橋?yàn)榛締卧膯蜗噫準(zhǔn)街麟娐方Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 SVG接入電氣化鐵道系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 電流檢測(cè)方法研究

傳統(tǒng)的基于瞬時(shí)無(wú)功功率的ipiq法檢測(cè)框圖如圖3所示。

圖2 單相鏈?zhǔn)紿橋結(jié)構(gòu)圖

圖3 ipiq檢測(cè)法原理圖

首先U d經(jīng)鎖相環(huán)PLL和正余弦發(fā)生器獲得與相電壓基波分量同相位的正余弦信號(hào)。負(fù)載電流I p、I q、I c經(jīng)Cαβ變換及C變換得I p、I q，到低通濾波器LPF檢出其中的直流分量ˉI p、ˉI q，經(jīng)反變換得負(fù)載基波電流I af、I bf、I cf，再與負(fù)載電流相減得到補(bǔ)償電流指令值I ah、I bh、I ch。

但是現(xiàn)有的ipiq檢測(cè)法應(yīng)用在電氣化鐵道上，存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

（1）現(xiàn)有的ipiq法只適用于三相系統(tǒng)，而電氣化鐵道為單相供電；

（2）現(xiàn)有的ipiq法中的鎖相環(huán)裝置無(wú)法適用于電氣化鐵道。

必須根據(jù)上面的幾個(gè)問(wèn)題，對(duì)現(xiàn)有的電流檢測(cè)法進(jìn)行改進(jìn)。

①單相供電問(wèn)題

現(xiàn)有的基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的電流檢測(cè)法都是基于三相電路。對(duì)于單相電路，可以構(gòu)造出一個(gè)對(duì)稱的三相系統(tǒng)，從而應(yīng)用三相電路的瞬時(shí)無(wú)功功率理論。

設(shè)單相電路的系統(tǒng)電壓、電流分別為：

令U a＝U s，i a＝i s，把單相電路電壓和電流都分別滯后π，構(gòu)造出如下的三相電路：

②鎖相環(huán)問(wèn)題

現(xiàn)有的鎖相環(huán)裝置一般采用的相位同步方法是過(guò)零比較法。這種方法原理簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，但在同一個(gè)周期內(nèi)只有2個(gè)過(guò)零檢測(cè)點(diǎn)，限制了同步速度。而且電氣化鐵道電壓畸變比較大，因此過(guò)零比較法不能準(zhǔn)確地檢測(cè)到正序基波的過(guò)零點(diǎn)，甚至在基波過(guò)零點(diǎn)附近出現(xiàn)多個(gè)信號(hào)過(guò)零點(diǎn)，因此這種相位同步方法不能適用于電氣化鐵道，設(shè)法消除鎖相環(huán)裝置或改進(jìn)其相位跟蹤方式十分必要。

文獻(xiàn)［3］提出了一種基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的SPLL鎖相方式，這種方式的原理如圖4所示。

這種鎖相方式的基本原理是將三相電源電壓U a、U b、U c經(jīng)αβ變換和pq變換后得到U q（pq變換中用到的相位為鎖相的輸出*θ），0與U q相減后經(jīng)PI調(diào)節(jié)，再與基波頻率相減并積分，最終得到輸出的相位*θ。整個(gè)過(guò)程構(gòu)成負(fù)反饋，通過(guò)調(diào)節(jié)PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)鎖相。這種鎖相方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，可以應(yīng)用于本文中SVG的電流檢測(cè)以取代鎖相環(huán)。

解決了上面的問(wèn)題，可以得到適用于電氣化鐵道SVG的電流檢測(cè)法原理圖如圖5。

圖4 SPLL鎖相方式結(jié)構(gòu)圖

圖5 改進(jìn)型的電流檢測(cè)法原理圖

對(duì)改進(jìn)型的電流檢測(cè)法在matlab中進(jìn)行仿真，可以得到波形圖如圖6～圖8。

圖6 負(fù)載電流I a波形圖

圖7 基波電流I af波形圖

圖8 諧波、無(wú)功電流總和I ah波形圖

通過(guò)上面的仿真可以看出，改進(jìn)型的電流檢測(cè)方法能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)單相電路中諧波、無(wú)功電流的檢測(cè)，而且這種檢測(cè)方法不依賴于系統(tǒng)電壓，在系統(tǒng)電壓突變時(shí)也可以保證檢測(cè)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性，可以用于電氣化鐵道中SVG的電流檢測(cè)。

4 控制電路研究

（1）電流跟蹤方式

為了改善控制精度，采用雙滯環(huán)同時(shí)控制。為了解決滯環(huán)寬度與控制精度的矛盾問(wèn)題，考慮將滯環(huán)寬度設(shè)為零，這樣只在每個(gè)采樣時(shí)刻才對(duì)指令電流與實(shí)際補(bǔ)償電流進(jìn)行比較，如果二者相等，則保持原狀態(tài)，不相等則發(fā)出控制信號(hào)。這樣就用系統(tǒng)的采樣頻率取代了滯環(huán)寬度，同時(shí)也決定了開關(guān)器件的最高工作頻率，緩解了開關(guān)損耗過(guò)大的問(wèn)題。這時(shí)候滯環(huán)比較器相當(dāng)于過(guò)零比較器。

（2）SVG主電路直流側(cè)電壓控制

要控制直流側(cè)電壓，除了選擇合適的直流側(cè)電容外，還必須利用額外的控制電路［4］來(lái)調(diào)控直流側(cè)電壓。

直流側(cè)電壓控制電路如圖9所示，直流側(cè)電壓指令值Udc·ref與實(shí)際值Udc之差經(jīng)過(guò)PI調(diào)節(jié)得到了直流分量Δi p，將其乘以與基波電壓同頻率的余弦量，然后疊加到檢測(cè)的無(wú)功電流i h上，這樣i h中就包含了一定的基波有功電流，則跟蹤的補(bǔ)償電流中也包含一定的基波電流分量，使SVG直流側(cè)與交流側(cè)交換能量，由PWM控制得到直流側(cè)電壓實(shí)際值Udc，通過(guò)閉環(huán)控制調(diào)節(jié)直流側(cè)電壓到一個(gè)穩(wěn)定的值。

圖9 直流側(cè)電容電壓控制圖

5 系統(tǒng)仿真分析

針對(duì)電氣化鐵道的補(bǔ)償要求，本文設(shè)計(jì)的SVG同時(shí)具有補(bǔ)償無(wú)功功率和抑制諧波的功能。下面分別對(duì)SVG系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償和抑制諧波的效果進(jìn)行仿真。

（1）無(wú)功補(bǔ)償效果仿真

分別在系統(tǒng)中接入感性負(fù)載和容性負(fù)載，SVG在0.2 s時(shí)接入系統(tǒng)，可以得到系統(tǒng)電壓（粗）與負(fù)載電流（細(xì)）的波形圖如圖10、圖11所示。

從圖10、圖11波形圖可以看出，系統(tǒng)接入感性（容性）負(fù)載時(shí)，補(bǔ)償前負(fù)載電流明顯滯后（超前）系統(tǒng)電壓，而補(bǔ)償后系統(tǒng)電壓和負(fù)載電流相位基本相同，且濾去了無(wú)功電流，使負(fù)載電流明顯減小，此時(shí)系統(tǒng)功率因數(shù)接近1，而且過(guò)渡過(guò)程在一個(gè)周期內(nèi)即可完成。從而表明本文設(shè)計(jì)的SVG具有很好的無(wú)功補(bǔ)償效果。

（2）抑制諧波效果仿真

保持系統(tǒng)電壓不變，根據(jù)電氣化鐵道中諧波主要以3次、5次為主的實(shí)際情況，將帶有諧波源（11次以內(nèi)）的負(fù)載接入系統(tǒng)，未投入SVG時(shí)的負(fù)載電流波形和頻譜圖分別如圖12和圖13所示。

圖10 SVG接入感性負(fù)載時(shí)仿真波形圖

圖11 SVG接入容性負(fù)載時(shí)仿真波形圖

圖12 未投入SVG時(shí)負(fù)載電流情況

圖13 未投入SVG時(shí)電流頻譜圖

可以看出，未投入SVG時(shí)，負(fù)載電流中含有大量的奇次諧波，T HD（諧波含量）為49.94%，嚴(yán)重超標(biāo)。下面來(lái)看SVG投入使用后系統(tǒng)的諧波情況（圖14、圖15）。

圖14 投入SVG后負(fù)載電流情況

圖15 投入SVG后負(fù)載電流頻譜圖

通過(guò)比較可以看出，經(jīng)過(guò)SVG補(bǔ)償后，負(fù)載電流不但與電壓同相，而且基本變?yōu)檎也?，諧波含量也降為3.27%，完全可以滿足T HD≤5%的標(biāo)準(zhǔn)要求。從而證明本文設(shè)計(jì)的SVG也具有良好的抑制諧波功能。

6 結(jié)束語(yǔ)

仿真驗(yàn)證表明，本文設(shè)計(jì)的SVG裝置可以快速、準(zhǔn)確地對(duì)電氣化鐵路進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，文中SVG采用的各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，如多電平鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)、改進(jìn)的電流檢測(cè)法、改進(jìn)的滯環(huán)控制法以及直流側(cè)電容控制策略等，為以后SVG裝置在電氣化鐵路上的應(yīng)用提供了一定的理論和技術(shù)依據(jù)。

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