基于載波移相技術(shù)的電鐵電能質(zhì)量治理方案

朱子棟，金 鈞，張 偉

基于載波移相技術(shù)的電鐵電能質(zhì)量治理方案

朱子棟，金 鈞，張 偉

針對(duì)現(xiàn)階段電氣化鐵路的電能質(zhì)量治理的現(xiàn)狀提出在電氣化鐵路車站附近裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置對(duì)供電電能質(zhì)量進(jìn)行治理。提出了多重化SVG并聯(lián)運(yùn)行與高壓電容器組配合使用的補(bǔ)償方案，設(shè)計(jì)了SVG的控制策略，并在控制策略中引入了載波移相技術(shù)。應(yīng)用MATLAB/SIMULINK軟件進(jìn)行了建模仿真，仿真結(jié)果表明本文所設(shè)計(jì)的方案能夠很好地實(shí)現(xiàn)對(duì)車站附近的供電電能質(zhì)量的治理，而且載波移相技術(shù)的應(yīng)用，提高了電力電子器件的等效開關(guān)頻率，減少了SVG輸出電流的諧波含量。仿真驗(yàn)證了文中設(shè)計(jì)方案的可行性和控制效果，有效提高了牽引供電系統(tǒng)車站附近的供電質(zhì)量和穩(wěn)定性。

SVG；載波移相脈寬調(diào)制（CPS-SPWM）；牽引供電；電能質(zhì)量

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)電氣化鐵路的飛速發(fā)展，越來越多的高鐵與動(dòng)車投入運(yùn)行，許多既有車站的運(yùn)行是各種車型的混跑，例如韶山系列、和諧系列、動(dòng)車、高鐵的混合運(yùn)行，而且不同時(shí)段車站的運(yùn)行狀況不同，某些時(shí)段負(fù)荷相對(duì)集中，而夜間高鐵回庫(kù)和早晨高鐵集中出庫(kù)發(fā)車，所以車站在某些時(shí)段電能質(zhì)量波動(dòng)較大。而目前大多數(shù)文獻(xiàn)都是對(duì)FC+TCR以及SVG在牽引變電所的補(bǔ)償效果進(jìn)行研究或者是最佳固定補(bǔ)償容量選擇的研究[1，2]。很少有關(guān)于在車站增設(shè)無功補(bǔ)償裝置對(duì)電能質(zhì)量進(jìn)行治理的方案。本文針對(duì)車站負(fù)荷集中、運(yùn)行狀態(tài)多元化、機(jī)車類型多元化造成的電能質(zhì)量波動(dòng)較為頻繁問題，提出在車站增設(shè)靜止無功發(fā)生器SVG和高壓電容器組，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行無功功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，以提高車站附近的供電穩(wěn)定性、可靠性和安全性。

靜止無功發(fā)生器SVG作為一種較為理想的無功補(bǔ)償和諧波抑制設(shè)備，得到了越來越深入的研究和更為廣泛的應(yīng)用[3～5]。SVG的主電路設(shè)計(jì)有3種：基于H橋級(jí)聯(lián)的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)；基于單繞組變壓器變流器多重化結(jié)構(gòu)；基于多繞組變壓器的變流器多重化結(jié)構(gòu)。鏈?zhǔn)絊VG需要多個(gè)H橋模塊級(jí)聯(lián)，價(jià)格較高，尤其是在容量不大的場(chǎng)合沒有成本優(yōu)勢(shì)；基于多繞組變壓器的多重化SVG，雖然控制算法相對(duì)簡(jiǎn)單，但是變壓器成本較高[6～8]。

本文綜合分析了3種設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一套單繞組變壓器隔離型的多重化SVG，配合高壓電容器組進(jìn)行無功補(bǔ)償和諧波抑制，這樣即可以減小裝設(shè)的SVG容量要求，大大的減小了投入，又可以有效抑制牽引網(wǎng)的諧波。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，具有無功控制精度高、諧波抑制能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定、響應(yīng)速度快、投入經(jīng)費(fèi)低等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足電氣化鐵路牽引網(wǎng)的無功補(bǔ)償實(shí)際要求。

1 主電路的設(shè)計(jì)

SVG的實(shí)質(zhì)就是有源逆變器，它通過電抗器接入系統(tǒng)，其控制系統(tǒng)通過控制逆變器輸出反映的幅值和相位，控制SVG發(fā)出的無功功率的大小和方向，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康腫9]。單相SVG H 橋主電路如圖1所示。

圖1 單相SVG結(jié)構(gòu)圖

所謂基于單繞組變壓器隔離型多重化SVG，就是通過隔離變壓器將SVG和高壓側(cè)的系統(tǒng)母線隔離開，低壓側(cè)SVG采用多SVG模塊并聯(lián)運(yùn)行連接到隔離變壓器低壓繞組上。根據(jù)現(xiàn)有無功補(bǔ)償裝置的容量大小和SVG容量大小，可以選擇不同的SVG并聯(lián)數(shù)目。

該設(shè)計(jì)方案有以下特點(diǎn)：與高壓電容器組配合使用，使有源補(bǔ)償容量減少，從而降低裝置整體成本；每重SVG易于集中控制且不會(huì)產(chǎn)生相互干擾補(bǔ)償?shù)膯栴}；可以冗余降額運(yùn)行，一個(gè)變流器出現(xiàn)故障，不會(huì)造成全部停機(jī)；每重SVG都使用獨(dú)立的變流器單元，與共用直流電容的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，在每重SVG變流器之間無環(huán)流；每重SVG可以實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)，方便移植，并可根據(jù)容量大小擴(kuò)充模塊個(gè)數(shù)。

本文設(shè)計(jì)的方案是在電氣化車站側(cè)進(jìn)行綜合補(bǔ)償，主電路由SVG支路、隔離變壓器以及高壓電容器組HVC支路組成，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主電路結(jié)構(gòu)圖

HVC高壓電容器組，具體個(gè)數(shù)視情況而定。SVG可以根據(jù)牽引網(wǎng)的無功補(bǔ)償容量計(jì)算選擇安裝的容量以及數(shù)量。HVC可以依次設(shè)為3次、5次、7次濾波支路等。T為隔離變壓器，考慮到SVG逆變器部分IGBT的耐壓程度，隔離變壓器的參數(shù)選擇高壓側(cè)為27.5 kV，低壓側(cè)選為1 250 V。

2 接觸網(wǎng)無功電流檢測(cè)

目前比較成熟的基于瞬時(shí)無功功率檢測(cè)方法是基于三相電路的，而對(duì)于電氣化鐵道單相電路的檢測(cè)可以考慮通過單相構(gòu)造三相的思路，更簡(jiǎn)單的是可以直接從單相電流構(gòu)造α，β兩相電流，即令iα= is，延時(shí)90°為iβ，其檢測(cè)結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 基于瞬時(shí)無功理論的單相無功電流檢測(cè)圖

根據(jù)瞬時(shí)無功功率理論：電路瞬時(shí)無功電流ip和瞬時(shí)有功電流iq分別為系統(tǒng)電流i在矢量e及法線上的投影。即：

從而有

式中，ip、iq分別經(jīng)過LPF濾波后得到有功電流和無功電流；ispf、isqf為基波電流的有功分量和無功分量。

3 控制方案

3.1 閉環(huán)控制系統(tǒng)

本文的設(shè)計(jì)方案是所有的SVG逆變器模塊共用一個(gè)控制器，控制器對(duì)牽引供電系統(tǒng)電壓、電流信號(hào)進(jìn)行采集，然后運(yùn)用瞬時(shí)無功功率理論計(jì)算得到應(yīng)補(bǔ)償?shù)臒o功電流值，平均分配給并網(wǎng)運(yùn)行的SVG的逆變器模塊，作為輸出無功電流的指令?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4中，isqf為圖3中得到的牽引網(wǎng)的無功電流，經(jīng)過加法器后變?yōu)橄到y(tǒng)需要補(bǔ)償?shù)臒o功電流，然后與SVG輸出的電流反饋至比較，得到系統(tǒng)需要補(bǔ)償?shù)臒o功電流參考值，直流側(cè)電壓Ud和直流側(cè)目標(biāo)電壓Udref兩者比較后得到直流側(cè)電壓補(bǔ)償值，然后經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器得到有功電流補(bǔ)償值Ipref，再與SVG輸出的電流有功分量作比較，得出需要補(bǔ)償?shù)挠泄﹄娏魉矔r(shí)量，經(jīng)電流調(diào)節(jié)后再與調(diào)節(jié)得到的無功電流值一起做d q -α β 變換，得出SVG系統(tǒng)的控制電流iα，即PWM模塊的調(diào)制波，調(diào)制波送到脈沖發(fā)生器PWM模塊與三角載波進(jìn)行比較產(chǎn)生逆變器模塊所需要的觸發(fā)脈沖，控制SVG的輸出電流。

控制系統(tǒng)整體使用了電流閉環(huán)反饋和直流側(cè)電壓閉環(huán)反饋的雙閉環(huán)控制策略，并運(yùn)用了d q -α β變換和 d q -α β反變換，使得直流側(cè)電壓與控制電流是解耦關(guān)系，給工程上的PI調(diào)節(jié)帶來了方便。

圖4 SVG雙閉環(huán)控制圖

3.2 多重化載波移相PWM技術(shù)

在控制系統(tǒng)中引入多重化載波移相技術(shù)（CPS-SPWM），載波移相正弦脈寬調(diào)制技術(shù)是一種適用于全控型器件的開關(guān)調(diào)制方法，隨著SVG并聯(lián)重?cái)?shù)的增加，開關(guān)的等效頻率會(huì)越來越高，從而有效控制SVG輸出電流中的特征次諧波頻率，使SVG輸出波形更加接近正弦波[10～12]。

載波移相正弦脈寬調(diào)制技術(shù)的基本思想是：設(shè)并聯(lián)多重化的SVG數(shù)為N，SVG每個(gè)H橋變流模塊用一個(gè)調(diào)制波信號(hào)Us(wst)，角頻率為KCws，其中每重逆變橋的三角波載波頻率為KCws，將每重逆變器模塊的三角波相位錯(cuò)開三角周波的1/N，則第X（1≤X≤N）逆變器的三角波初相角ψL= ψC+ 2πX/N，N重化的逆變器模塊輸出電流的疊加，那么多重化SVG逆變器總的輸出的電流等效開關(guān)頻率為NKCws[13～17]。

4 仿真驗(yàn)證

在MATLAB/SIMULINK里建立圖2所示的系統(tǒng)模型，對(duì)該方案的無功補(bǔ)償能力進(jìn)行仿真驗(yàn)證。仿真模型中系統(tǒng)電壓采用額定電壓27.5 kV、50 Hz交流電源，采用3 200 V/750 A的高速IGBT管搭建SVG的主電路，單個(gè)SVG額定容量SN= 5 000 kV·A；直流側(cè)直流支撐電容值為0.2 F；交流側(cè)連接電感值為1 mH；變流器IGBT工作頻率為500 Hz；負(fù)載部分根據(jù)電氣化鐵路現(xiàn)有電力機(jī)車的負(fù)載特性設(shè)計(jì)負(fù)載模型，負(fù)載產(chǎn)生諧波部分有整流模塊和直流負(fù)載模擬，由于電氣化鐵路額定電壓為27.5 kV，為保證變壓器安全運(yùn)行，副邊電壓選為1 250 V。系統(tǒng)電流電壓相位關(guān)系見圖5。

從圖5 a看出電流和電壓相位存在一定差值，功率因數(shù)比較低；而當(dāng)系統(tǒng)裝設(shè)SVG后，其電壓電流相位差基本為零，功率因數(shù)非常接近于1（圖5 b）。

圖5 系統(tǒng)電流電壓相位關(guān)系圖

利用MATLAB軟件仿真分析了單個(gè)SVG接入和三重化SVG接入系統(tǒng)時(shí)電流波形以及輸出電流的頻譜。從圖6可以看出，單個(gè)SVG接入系統(tǒng)時(shí)，SVG輸出電流中可以很明顯看出諧波電流，通過對(duì)輸出電流的FFT分析可以看出2種情況下輸出電流的諧波含量均在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)范圍以內(nèi)，對(duì)比可以看出SVG三重化接入系統(tǒng)時(shí)的諧波含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單個(gè)SVG接入系統(tǒng)時(shí)的諧波含量。由此驗(yàn)證了多重化載波移相技術(shù)的設(shè)計(jì)。隨著SVG多重化的增加會(huì)使得SVG等效開關(guān)頻率越來越高，從而輸出電流的諧波含量逐漸降低。當(dāng)設(shè)定SVG的開關(guān)頻率為1 kHz時(shí)，三重化時(shí)等效開關(guān)頻率即為3 kHz，從諧波頻譜可以看出諧波含量主要集中在3次、5次、7次諧波，該設(shè)計(jì)方案中的HVC可以根據(jù)諧波的含量而設(shè)計(jì)為3次、5次、7次的濾波特性，從而濾除SVG輸出電流中的諧波，大大減少注入牽引網(wǎng)的諧波含量，提高供電品質(zhì)。

圖6 不同重?cái)?shù)SVG運(yùn)行時(shí)的輸出電流圖

另外，利用MATLAB軟件，模擬了車站有電力機(jī)車啟動(dòng)加速離開車站和機(jī)車減速滑行停靠的工況，隨著機(jī)車在不同運(yùn)行狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)的負(fù)荷也隨之變化，負(fù)荷的變化引起無功功率的變化，從而會(huì)引起牽引供電系統(tǒng)的供電電壓的波動(dòng)。仿真曲線如圖7所示。

圖7 a中，0.3 s為模擬電力機(jī)車啟動(dòng)加速駛出車站：即在系統(tǒng)內(nèi)增設(shè)與電力機(jī)車相同負(fù)荷特性的負(fù)載模塊，此時(shí)系統(tǒng)負(fù)荷增加，無功功率也隨之增加，導(dǎo)致系統(tǒng)供電電壓的波動(dòng)，電壓略微低于穩(wěn)定時(shí)的電壓，而從0.7 s切掉部分負(fù)荷模擬機(jī)車抵達(dá)車站附近后減速滑行進(jìn)站的工況，從圖7 a中可以看出：0.7 s工況發(fā)生變化后，系統(tǒng)供電電壓隨著負(fù)荷的變化產(chǎn)生波動(dòng)，若把0.7 s前的電壓視為穩(wěn)定時(shí)的電壓，則電壓略高于穩(wěn)態(tài)電壓，隨著電氣化鐵路的不斷發(fā)展，車站每天經(jīng)過的機(jī)車越來越多，這也意味著車站附近的供電電壓會(huì)頻繁波動(dòng)，圖7 b為系統(tǒng)連接SVG后與圖7 a相同工況時(shí)的系統(tǒng)電壓波形，對(duì)比圖7 a、b兩圖的電壓波形可以看出，當(dāng)系統(tǒng)連接SVG后電壓在負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)沒有明顯的波動(dòng)，說明SVG在一定程度上能起到穩(wěn)定系統(tǒng)電壓的作用。

圖7 負(fù)荷波動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的供電電壓曲線圖

5 結(jié)論

本文通過分析電氣化鐵路現(xiàn)階段的狀況，得出車站附近電力機(jī)車混跑以及運(yùn)行工況復(fù)雜，在某些時(shí)段牽引網(wǎng)車站附近的電能質(zhì)量較差，提出在車站附近增設(shè)無功補(bǔ)償裝置，并提出了具體的安裝方案；本文應(yīng)用MATLAB/SIMULINK軟件建立了仿真模型，仿真了設(shè)計(jì)方案，仿真分析驗(yàn)證了本文所提出的設(shè)計(jì)安裝方案的補(bǔ)償效果：該設(shè)計(jì)方案具有補(bǔ)償速度快、控制精度高、無功輸出調(diào)節(jié)范圍靈活、模塊化設(shè)計(jì)和投入經(jīng)費(fèi)低等優(yōu)點(diǎn)。與此同時(shí)在控制策略中引入的多重化載波移相技術(shù)，使多重化的SVG裝置達(dá)到較高的等效開關(guān)頻率，從而大大降低了輸出電流的諧波含量，具有很高的使用價(jià)值和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

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The paper proposed electrification of the railway station in the vicinity of the installation of reactive power compensation device for power quality of governance based on the status at this stage electrified railway power quality of governance. This paper presents a compensation scheme that SVG parallel operation multi and High voltage capacitor be used in conjunction, and the carrier phase shift be introduced in the control strategy technology. The paper used MATLAB / SIMULINK simulation software for modeling and simulation results show that the scheme can be able to achieve a good governance quality for the power supply station. And the introduction of carrier phase shift technology improved the equivalent switching frequency of the power electronic devices greatly. Simulation verified the feasibility of the paper and control results of the design, effectively improved the traction power supply system of power quality and stability.

SVG; carrier phase shift pulse width modulation (CPS-SPWM); traction power supply; power quality

U223.5+2

B

1007-936X(2015)01-0021-05

2014-05-06

朱子棟.大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院，碩士研究生，電話：15518071589；

金 鈞.大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院，副教授；

張 偉.大連交通大學(xué)電氣信息學(xué)院，碩士研究生。