高速鐵路負序和諧波問題治理方案研究

張 珊，陳劍云，鄧才波

(1.華東交通大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，江西 南昌 330000；2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 徐州供電分公司，江蘇 徐州 221000；3.國網(wǎng)江西省電力有限公司 電力科學(xué)研究院，江西 南昌 330000)

高速鐵路運營的一般為交直交型電力機車，并采用單位功率因數(shù)控制策略的變流器，但這種技術(shù)將產(chǎn)生高次諧波[1]。高速鐵路的牽引負荷功率明顯比普通電氣化機車的功率大很多，而且采用了單相進行供電，這是產(chǎn)生負序電流的主要原因。因此，高速鐵路采用交直交型電力機車對公共電網(wǎng)造成的主要影響是負序與諧波問題。

國內(nèi)外學(xué)者針對高速電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的負序和諧波治理提出了很多優(yōu)化解決方案和相關(guān)控制策略，各種方案的實際效果不同。例如無源濾波器方案雖然可以在提供一定無功功率和去除指定次數(shù)諧波方面起到一定的作用，但會伴隨著一定頻次諧波電流的增加[2]。而可以很好抑制諧波電流的有源濾波器，卻不能抑制負序電流的大小[3]。鐵路功率調(diào)節(jié)器RPC(Railway Static Power Conditioner)由日本學(xué)者首先提出，該調(diào)節(jié)器采取背靠背變流器裝置及其控制策略同時實現(xiàn)負序和諧波抑制。文獻[4]提出一種兩相三線制變流器TTC結(jié)構(gòu)，與RPC調(diào)節(jié)器相比，在不增加開關(guān)器件承受電壓的基礎(chǔ)上減少了一臂開關(guān)器件的使用。文獻[5]在RPC調(diào)節(jié)器上增加了無源補償裝置，并通過仿真驗證了該方案在負序和諧波抑制的可行性。

本文結(jié)合上述提到模型的優(yōu)勢，并對模型的控制方法加以改進，在兩相三線制變流器的基礎(chǔ)上，提出一種增加無源裝置的綜合補償方案，其中無源部分包括晶閘管控制電抗器TCR與晶閘管投切電容器TSC，并將TTC兩相三線制變流器作為補償系統(tǒng)的有源部分。在該方案中，將大部分無功補償由TSC和TCR承擔(dān)，而TTC主要負責(zé)有功功率調(diào)節(jié)和諧波補償，以增加綜合補償系統(tǒng)的可靠性和降低裝置的成本。因此，有源部分TTC的容量將會大大降低。本文基于兩相三線制變流器的綜合補償方案，運用負序與諧波的實時檢測方法，對直流側(cè)電壓加以控制使其保持穩(wěn)定，采用無差拍控制方法實現(xiàn)對電流的實時跟蹤控制。通過仿真驗證了所提補償方案的有效性和可行性。

1 工作原理

1.1 基本結(jié)構(gòu)

該綜合補償方案結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要為有源部分的兩相三線制變流器TTC和一套多組晶閘管控制電抗器TCR和一套多組晶閘管投切電容器TSC，其中兩相三線制變流器由對稱的三橋臂IGBT、兩個輸出電感、降壓變壓器構(gòu)成，連接于兩相供電臂。TSC安裝于滯后電流相位的供電臂α相上，TCR安裝在超前于電流相位的供電臂β相上，其中TSC與TCR均在變壓器的降壓側(cè)，同時并聯(lián)于TTC兩側(cè)。我國的高速鐵路牽引供電系統(tǒng)，大多采用具有結(jié)構(gòu)簡單和容量利用率高的三相V/V變壓器，該變壓器將三相電壓轉(zhuǎn)換為兩個單相供電系統(tǒng)[6]。本文以應(yīng)用V/V變壓器的牽引供電系統(tǒng)為研究對象，深入研究該系統(tǒng)的電能質(zhì)量綜合補償方案。

圖1 新型綜合補償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.2 綜合補償方案的工作原理

圖1中，IA、IB、IC分別表示V/V變壓器網(wǎng)側(cè)三相電流；V/V牽引變壓器低壓側(cè)電流分別用Iα、Iβ表示；Uα、Uβ為V/V變壓器低壓側(cè)電壓；ILα、ILβ為牽引系統(tǒng)供電臂兩側(cè)的機車負載電流；ICα、ICβ為綜合補償方案在降壓變壓器高壓側(cè)的補償電流。

在高速電力機車運行過程中，由于鐵路運行工況時刻在更新，牽引供電臂兩側(cè)的負載功率一般都是不相同的，而在極端情況下會出現(xiàn)單供電臂負載的情況。為了便于分析研究，假定牽引變壓器的變比為1，并取α相供電臂為重載側(cè)的情況進行分析，即ILα>ILβ，負序補償?shù)南辔环治鋈鐖D2所示。

圖2 牽引供電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)負序補償相位圖

圖2僅分析了基波電壓和電流的相位。在未進行負序補償前，牽引變壓器高壓側(cè)電流相位分別為

(1)

在補償一定的有功功率之后，三相網(wǎng)側(cè)電流分別為

(2)

(3)

從式(3)可以看出，三相電流的基波成分理論上已達到平衡。

上述只是簡略地探討了三相網(wǎng)測電流的基波信息，還未考慮諧波信息，因而補償方案仍需考慮對應(yīng)的諧波電流以抵消負載產(chǎn)生的諧波。因此，對諧波和負序信息補償后，牽引變壓器高壓側(cè)電流如式(3)所示，不含負序與諧波，理論上只含有基波成分。

2 負序和諧波補償電流檢測與控制方法

補償方案需要由TTC和TCR、TSC一起來完成，而且無功補償由TTC和TCR、TSC共同協(xié)調(diào)，所以務(wù)必需完成無功數(shù)據(jù)、有功數(shù)據(jù)和諧波數(shù)據(jù)之間的分離，即單獨檢測出這些信號。文獻[7]提出了基于三相瞬時無功理論來分析和求解三相供電系統(tǒng)中單相電路的電流、電壓諧波大小。文獻[8]提出了采用單相瞬時功率理論測量單相電路參數(shù)的綜合測量方案。在高速鐵路牽引供電系統(tǒng)中，電力機車為單相供電。因此，本文將采用文獻[8]提出的單相瞬時功率理論對本方案進行綜合檢測，實現(xiàn)對TTC、TCR以及TSC的綜合協(xié)調(diào)控制，為負序和諧波治理提供基礎(chǔ)支撐。

通過以上分析可知，本文提出的綜合補償方案中TTC、TCR和TSC承擔(dān)不同的任務(wù)。TTC主要功能是有功功率轉(zhuǎn)移和諧波電流補償，而TCR和TSC用于補償無功功率；TTC在調(diào)節(jié)牽引供電系統(tǒng)無功功率的過程中，亦可以彌補TSC和TCR階梯式調(diào)節(jié)的缺點，滿足牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量治理的需求。

為了便于分析，將以電網(wǎng)A相為參考，α相和β相電壓可以表示為

(4)

將無源器件提供的無功電流與負載機車電流等效為負載電流，牽引臂的α相和β相電流瞬時值可以表示為

(5)

式中：ILα和ILβ分別為α相和β相負載基波電流的有效值；ILα h和ILβ h分別為α相和β相負載h次基波諧波電流的有效值；φα h和φβ h分別為α相和β相負載h次基波諧波電流的相位角。

(6)

從式(6)可以看出，Pα與Pβ中均包括直流信息和交流信息，令Pα與Pβ兩者相加，讓其經(jīng)過低通濾波器，得到的結(jié)果只有直流分量，即

(7)

由式(7)可以看出，經(jīng)過低通濾波器后的功率為牽引臂峰值電流之和的一半，此值是TTC轉(zhuǎn)移有功功率之后兩個供電臂應(yīng)當(dāng)實現(xiàn)的電流有效值。然而該情況下，仍不能達到牽引供電臂兩側(cè)電流的完全平衡。由圖2的向量圖可以看出，若想達到完全意義上的兩側(cè)功率平衡，則需要在α相供電臂補償超前30°的無功功率，β相相應(yīng)地補償滯后30°的無功功率。將最終值乘以三相網(wǎng)側(cè)電壓中Uα和Uβ的電壓同步信號，即可得到補償后平衡的電流值。

(8)

式中：iα為補償負序與諧波之后α相供電臂理論上應(yīng)當(dāng)達到的電流值；iβ為補償負序與諧波之后β相牽引供電系統(tǒng)電流目標(biāo)值的大小。

兩相三線制變流器TTC的α、β相的補償電流參考電流值即為上述兩側(cè)電流與負載電流大小的差值，即

(9)

3 直流側(cè)電壓控制

兩相三線制變流器正常運行需要以直流側(cè)電壓保持穩(wěn)定為前提[9-10]。為了滿足本文提出的綜合補償方案的調(diào)節(jié)效果和精確度，需要考慮由于調(diào)節(jié)補償方案中有源器件TTC、無源裝置TSC、TCR功率損耗引起的直流側(cè)電壓波動問題，需要采取電壓外環(huán)控制策略進行直流側(cè)穩(wěn)壓控制，使得直流側(cè)電壓穩(wěn)定在一個固定值附近。為了更好地保持兩相三線制變流器TTC直流側(cè)信號的穩(wěn)定，本文采用具有較強跟蹤調(diào)節(jié)效果的PI調(diào)節(jié)器，對直流電壓信號進行實時跟蹤控制。上述分析對直流側(cè)電壓控制提供了一個切實可行的方案，其具體調(diào)節(jié)過程的相關(guān)原理如圖3所示，該控制系統(tǒng)中所用PI調(diào)節(jié)器的控制值為直流電壓參考值與實時測量值的差值，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后輸出調(diào)節(jié)值，調(diào)節(jié)值分別乘以兩側(cè)供電臂電壓基準(zhǔn)信號，并與電流檢測環(huán)節(jié)得到的補償電流信號相加即可得到TTC實際需要補償?shù)碾娏髦怠?/p>

圖3 直流側(cè)穩(wěn)壓控制方案

4 電流控制

本文采用的綜合補償方案，主要是通過采集、分離牽引供電系統(tǒng)電流的相關(guān)參數(shù)實現(xiàn)對電能質(zhì)量的綜合治理，并選擇對電流信號具有較好跟蹤效果的無差拍PWM控制[11-12]。該方法的主要特點是通過比較系統(tǒng)采集的實時狀態(tài)量與設(shè)定的下一時刻目標(biāo)參考值，計算得出對電流實時跟蹤的PWM脈寬控制量。該方法的特點是有較好的動態(tài)調(diào)節(jié)性能、數(shù)學(xué)模型的建立科學(xué)可靠、跟蹤控制無過沖、對電流等線性信號的控制準(zhǔn)確性高。

4.1 無差拍電流控制原理

系統(tǒng)信號的瞬時狀態(tài)方程為

(10)

假設(shè)T為系統(tǒng)采樣時間，瞬時狀態(tài)方程離散化可以表示為

X(k+1)=H·X(k)+G·U(k)

(11)

式中：H=eATs；G=(eATs-I)·A-1·B，I為單位矩陣，Ts為采樣的時間間隔。

對于兩相三線制逆變器，假設(shè)輸入向量為

(12)

式中：d(k)為系統(tǒng)第k時刻的脈寬控制量。

如果用給定的參考狀態(tài)Xr替換系統(tǒng)第k+1時刻的狀態(tài)，替換之后可將式(12)改寫為

Xr=H·X(k)+G·d(k)·Udc

(13)

根據(jù)式(13)可知，在計算出k時的PWM脈寬控制量d(k)后，可以根據(jù)式(13)推算得出k+1時的系統(tǒng)狀態(tài)量。以此類推，可以完成系統(tǒng)運行過程中實時無差拍控制。

4.2 電流跟蹤控制算法

由上述提出的兩相三線制逆變器TTC的控制方案，可建立系統(tǒng)電路方程

(14)

式中：參考值iCα、iCβ、iCγ為補償指令值；iα(k)、iβ(k)、iγ(k)為系統(tǒng)k時刻的電流值，將上述參數(shù)代入式(13)可以計算出系統(tǒng)PWM脈寬控制量dα(k)、dβ(k)、dγ(k)。

(15)

由上述公式推導(dǎo)可知，通過計算每個采樣間隔的脈寬控制量和兩相三線制變流器TTC的調(diào)節(jié)，將牽引供電臂的電流調(diào)節(jié)為目標(biāo)值，從而完成高速鐵路牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的綜合治理。

5 仿真

本文基于PSIM9.0仿真軟件建立綜合補償方案仿真模型，以驗證所提出的控制原理和方案的可行性。該模型的模擬工況為兩牽引供電臂不平衡負載，即α相負載等于3倍的β相負載。本文建立的基于兩相三線制變流器的綜合補償方案仿真模型如圖4所示。該系統(tǒng)設(shè)定的仿真參數(shù)見表1。

在仿真運行過程中，負載在0 s時投入運行，0.16 s時投入搭建的補償裝置，仿真結(jié)果如圖5～圖8所示。

圖4 含TTC的綜合補償方案PSIM仿真模型

系統(tǒng)參數(shù)數(shù)值三相電源電壓/kV220V/V牽引變壓器變比220∶27.5直流側(cè)電容/μF20 000降壓變壓器變比25∶1TTC輸出電感/mH0.8直流側(cè)電壓/V2 500

圖5 牽引供電系統(tǒng)補償前電網(wǎng)電流波形

圖6 牽引供電系統(tǒng)補償后電網(wǎng)電流波形

圖7 投入補償前牽引變壓器二次側(cè)電流波形

圖8 投入補償后牽引變壓器二次側(cè)電流波形

比較上述補償前后的電流波形圖可以看出，補償前三相電流和V/V變壓器副邊含有負序電流，且補償前的波形有較多毛刺，即諧波，應(yīng)用本方法補償以后，基本實現(xiàn)了三相電流對稱，V/V變壓器副邊電流也基本實現(xiàn)了大小相同。

6 結(jié)束語

本文提出一種基于兩相三線制變流器改進的應(yīng)用于高速鐵路系統(tǒng)中負序與諧波問題治理的補償方案，通過利用晶閘管控制電抗器和晶閘管投切電容器作為系統(tǒng)無功補償?shù)闹饕糠?，以降低兩相三線制變流器的成本和容量大小。運用負序與諧波的實時檢測方法，并對直流側(cè)電壓加以調(diào)整使其保持穩(wěn)定，應(yīng)用無差拍控制方法實現(xiàn)了對電流的實時跟蹤控制。仿真結(jié)果表明，所提綜合補償方案能較好地抑制諧波和負序。