基于空間矢量控制的綜合電能質(zhì)量治理裝置在軌道交通行業(yè)的應(yīng)用探究

楊 華，王恩波，焦云飛，王貴有，趙海春

（1.大連地鐵運營有限公司，遼寧 大連 116000；2.銳芯電氣技術(shù)（大連）有限公司，遼寧 大連 116000）

1 對城市軌道交通的影響

在城市軌道交通運輸過程中，需要直流電和交流電互相轉(zhuǎn)換帶動列車運行。而直流電和交流電在相互轉(zhuǎn)換的過程中就會產(chǎn)生諧波。近年來，地鐵因其運行速度快、運載量大等優(yōu)勢，逐漸成為城市軌道交通運輸中的主角[1]。而地鐵運行過程中，運行的安全與舒適程度又需要配置數(shù)量眾多的調(diào)頻設(shè)備和各種監(jiān)控系統(tǒng)、排風(fēng)系統(tǒng)等。而這眾多配套設(shè)備的運行也會產(chǎn)生大量的諧波，影響到城市軌道交通運輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性。

1.1 影響電網(wǎng)安全性

諧波對城市交通運輸安全的影響非常嚴重。首先，為了能夠使地鐵正常運行，需要安裝各種配套設(shè)備系統(tǒng)，如配電系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、應(yīng)急系統(tǒng)和接地安全系統(tǒng)等。而這些設(shè)備的運行會產(chǎn)生大量的諧波，會導(dǎo)致接地安全設(shè)備失靈，影響整個電網(wǎng)的安全。其次，要抵消大量的諧波就要進行無功補償，使得電力系統(tǒng)增加電力供給，而電力供給量的增大，又會造成電力絕緣體破損，增速電力設(shè)備的老化。

1.2 增加損耗

諧波使變壓器的銅耗增大，其中包括電阻損耗、導(dǎo)體中的渦流損耗與導(dǎo)體外部因漏磁通引起的雜散損耗都要增加。諧波還使變壓器的鐵耗增大，這主要表現(xiàn)在鐵心中的磁滯損耗增加，諧波使電壓的波形變得越差，則磁滯損耗越大。

2 綜合電能質(zhì)量治理裝置介紹

綜合電能質(zhì)量治理裝置是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)與高速DSP器件的數(shù)字信號處理技術(shù)研制出來的專門用于治理電力諧波、補償無功的新型設(shè)備裝置。綜合電能質(zhì)量治理裝置通常由兩個電路系統(tǒng)組成，即指令電流電路與補償電流發(fā)生電路。綜合電能質(zhì)量治理裝置的工作原理是：首先指令電流電路在對電網(wǎng)電流實時監(jiān)控過程中，把電流信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字電流信號，并將數(shù)字信號傳輸?shù)教幚砥?，?shù)字信號處理器把數(shù)字電流信號分解成諧波與基波；然后補償電流發(fā)生電路中接收到驅(qū)動脈沖，并使通過驅(qū)動脈沖產(chǎn)生的電流幅值與電網(wǎng)中的諧波電流幅值相同；最后把不是同一極的補充電流輸入電網(wǎng)，進而抑制和抵消原來電路中的諧波，使諧波得到有效治理。軌道交通電網(wǎng)中安裝了有源濾波裝置后，無論哪種諧波都會得到抑制。此外，綜合電能質(zhì)量治理裝置在治理諧波的同時還能對電網(wǎng)電流實現(xiàn)動態(tài)跟蹤和補充。因此，該裝置可以同時實現(xiàn)消除諧波和無功補償?shù)哪繕恕?/p>

3 空間矢量控制策略介紹

用于綜合電能質(zhì)量治理裝置控制方法很多，如空間矢量控制、預(yù)估電流控制、無差拍控制、自適應(yīng)控制、磁通軌道控制等[2]。通過空間矢量控制電壓是其中方法之一。本文應(yīng)用該方法是因為其具有清晰物理概念，能夠在開關(guān)控制頻率相對較低情況下仍然具有等同于滯環(huán)比較控制的較好控制效果。如今空間矢量控制已被許多領(lǐng)域廣泛使用，實踐應(yīng)用效果良好。

基于最優(yōu)矢量的空間矢量控制策略，能夠在系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)下對下一控制周期相關(guān)的全部開關(guān)狀態(tài)（矢量）三相電流之綜合誤差加以預(yù)測計算出來，從而找出三相開關(guān)狀態(tài)的誤差最低值，作為其后面的控制周期指令加以應(yīng)用。也即選擇最優(yōu)矢量，從而達到有效控制目的。

圖1是電壓矢量控制策略扇區(qū)判斷圖。

圖1 空間矢量控制策略扇區(qū)判斷

由圖1可知，其中矢量S000～S111代表與變流器相對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)（8種），其中a，b，c各相對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)用S之后的三位數(shù)字分別代表，當(dāng)該相的上橋臂關(guān)斷而下橋臂導(dǎo)通時則用“0”代表，而當(dāng)上橋臂導(dǎo)通而下橋臂關(guān)斷時則用“1”代表。如圖1所示，Ⅰ～Ⅵ代表電壓矢量對應(yīng)六個扇區(qū)，其通過六邊形三條對角線加以分隔開來，該三條對角線與直線uab=0、ubc=0、uca=0相對應(yīng)，如與矢量001相對應(yīng)的邊即ubc＞0、ubc＜0分界線。這種情況下計算電壓矢量u時，都可以通過uab、ubc、uca分量符號加以判斷其所在區(qū)域范圍，即只要對a、b、c各相指令電壓矢量ua*、ub*、uc*加以計算，進而運用uab*、ubc*、uca*符號就可以對指令電壓矢量ua*、ub*、uc*所在的扇區(qū)加以判斷出來。

4 基于空間矢量控制策略綜合電能質(zhì)量治理裝置在城市軌道交通中的應(yīng)用效果分析

為了有效改善城市地鐵軌道交通電網(wǎng)正常運轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的數(shù)量巨大的無功及諧波，提高配電系統(tǒng)的供電效果，地鐵全線一般安裝電能質(zhì)量治理裝置。在眾多的治理裝置中，基于空間矢量控制策略綜合電能質(zhì)量治理裝置補償無功與抑制諧波的效果最佳，具有如下突出的優(yōu)點。第一，該裝置具備響應(yīng)時間最短的電流拓撲，因此其空間矢量控制策略準確度極高，運行也更平穩(wěn)，不僅能夠穩(wěn)態(tài)補償無功及諧波，而且還能夠在動態(tài)情況下有優(yōu)異的無功、諧波補償性能。第二，該裝置具備模塊化的設(shè)計原理，因此在使用過程中方便調(diào)式，使擴容更加便捷。第三，該裝置具備能夠?qū)崿F(xiàn)對橋臂的過流和保護。第四，該裝置整體設(shè)計使具體的操作和后期的維護更加方便[3]。大量實踐證明，在城市地鐵軌道工程中安裝了基于空間矢量控制策略綜合電能質(zhì)量治理裝置后，明顯減少了城市軌道交通配電系統(tǒng)的無功耗損，有效抑制了配電系統(tǒng)中的諧波，提升了城市軌道交通配電系統(tǒng)整體的供電質(zhì)量，提高了配電系統(tǒng)中電力設(shè)施和設(shè)備的使用時間，保障了城市軌道交通配電系統(tǒng)運行的整體質(zhì)量和安全系數(shù)。圖2為綜合電能質(zhì)量裝置補償前電網(wǎng)電流，圖3為基于空間矢量控制策略的綜合電能質(zhì)量裝置補償后電網(wǎng)電流。

5 結(jié) 論

在城市軌道交通配電系統(tǒng)中安裝基于空間矢量控制策略綜合電能質(zhì)量治理裝置，能夠有效補償電網(wǎng)中的無功與抑制諧波，增強配電系統(tǒng)整體的運行功率，減少電網(wǎng)運行中的耗損，提高了軌道交通配電系統(tǒng)的整體運行能力，確保了城市軌道交通系統(tǒng)的安全運行。

圖2 綜合電能質(zhì)量治理裝置補償前電網(wǎng)電流

圖3 基于空間矢量控制策略的綜合電能質(zhì)量治理裝置補償后電網(wǎng)電流