電氣化鐵路背靠背SVG補償系統(tǒng)方案研究

常 非，李群湛，趙麗平，張 麗

(西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都610031)

0 引言

負(fù)序、無功、諧波一直是電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)存在的技術(shù)難題，為了解決這些問題，目前用于電鐵電能質(zhì)量治理的方式主要有無源濾波和有源濾波2種.目前無源濾波方式的研究相對比較成熟，較多地通過SVC等補償裝置來完成，SVC用來動態(tài)補償無功和諧波，但很難解決負(fù)序問題;而有源濾波方式的治理主要是通過SVG裝置來完成.目前電氣化鐵路領(lǐng)域研究較熱的是同相牽引供電技術(shù)，包括基于對稱補償技術(shù)的同相供電系統(tǒng)和基于潮流控制器的同相供電系統(tǒng)［1-4］.同相供電方案可取消電分相，實現(xiàn)負(fù)序、無功及諧波的綜合治理，效果較好，但是同相供電技術(shù)的推廣和使用還需要一段時間.為此，筆者采用SVG背靠背連接與固定補償相結(jié)合的方式，在現(xiàn)有供電方式的基礎(chǔ)上，就電氣化鐵路存在的電能質(zhì)量問題進行綜合解決.最后以實測牽引負(fù)荷作為給定負(fù)荷，通過MATLAB仿真驗證了該方案的可行性.

1 基于平衡變壓器的背靠背SVG補償系統(tǒng)

背靠背SVG方案適合于無功、諧波、負(fù)序的綜合電能質(zhì)量補償.牽引變壓器采用YN-vd平衡變壓器的接線方式，這種平衡變壓器低壓側(cè)的兩相輸出電路既完全獨立，又無互感耦合關(guān)系.負(fù)荷端口配置3，5次諧波補償裝置，同時將兩臺SVG的輸出端通過隔離變壓器分別接入兩個端口負(fù)荷，然后將SVG的直流電容并聯(lián)，從而組成了牽引供電系統(tǒng)以及補償系統(tǒng)，如圖1所示.

圖1 背靠背SVG補償系統(tǒng)Fig.1 Structure of back-to-back SVG compensation system

兩個背靠背SVG，通過共同使用一個直流電容，將兩個單相SVG連接起來，系統(tǒng)可實現(xiàn)無功、諧波、負(fù)序的綜合治理.兩臂負(fù)荷相差較大時，可以根據(jù)負(fù)荷的差量，通過中間的直流電容傳遞有功，使得兩個供電臂負(fù)荷基本相等，這樣通過平衡變壓器可以在系統(tǒng)一次側(cè)等效為對稱負(fù)荷從而解決負(fù)序問題［5-7］.

2 三電平潮流控制器主電路結(jié)構(gòu)

三電平潮流控制器如圖2所示，它由“背靠背”的四象限電壓型變流器組成，主電路為二極管箝位型三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，兩端口變流器通過兩直流電容耦合在一起.其主要功能在于實現(xiàn)牽引負(fù)荷功率在牽引變壓器不同負(fù)荷端口之間的交換.牽引負(fù)荷與普通電力負(fù)荷的主要區(qū)別之一就是其具有不對稱性，利用潮流控制器將兩相牽引變壓器其中一相并聯(lián)接入另一相，對牽引負(fù)荷產(chǎn)生的無功功率與諧波均由潮流控制器予以補償，可使?fàn)恳儔浩鲀H僅傳遞有功功率，從而大大降低其容量，實現(xiàn)原邊三相電流完全對稱.

圖2 綜合潮流控制器結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of integrated power flow controller

三電平潮流控制器左右結(jié)構(gòu)對稱，下面以左側(cè)VSC為例來介紹其工作結(jié)構(gòu).Sa1～Sa4、Sb1～Sb4為額定值3 300 V、1 200 A的IGBT開關(guān)，D1～D4為箝位二極管，C1和C2為直流側(cè)兩個支撐電容.A橋臂與直流分壓電容C1、C2組成一個半橋式三電平變流器，其輸出相電壓為UaN;同理B橋臂與C1、C2也組成一個半橋式三電平變流器，其輸出相電壓為UbN.由于半橋式二極管箝位型三電平變流器輸出相電壓具有±Ud/2，0，共3個電平，所以單相全橋二極管箝位型三電平變流器的輸出線電壓 Uab=UaN-UbN，將出現(xiàn)0，±Ud/2，±Ud共5個電平.

與傳統(tǒng)兩電平變流器相比，二極管箝位三電平變流器每一個功率器件所承受的關(guān)斷電壓僅為直流側(cè)電壓的一半.這樣，在相同的情況下，直流電壓可以提高1倍，容量也可以提高1倍.

從單相全橋式二極管箝位三電平變流器結(jié)構(gòu)可以看出，開關(guān)器件承受的關(guān)斷電壓為Ud/2，是傳統(tǒng)兩電平變流器中開關(guān)器件承受電壓應(yīng)力的一半.由于變流器輸出電壓有5個電平，所以輸出電壓與兩電平變流器輸出電壓相比更接近正弦，諧波含量更小，可以降低開關(guān)器件頻率，減小開關(guān)損耗.

3 潮流控制器控制原理

3.1 電流諧波及無功檢測方法

檢測電路采用了基于鑒相原理的瞬時諧波電流檢測法［5-7］，如圖3所示.由于α、β兩相負(fù)載相互獨立，故以α相為例，設(shè)α相的電壓為

α相的負(fù)載電流用傅里葉級數(shù)可表示為

式中：ip(t)，iq(t)，ih(t)依次為基波有功分量、基波無功分量和諧波分量.

圖3 平衡補償方法的電流諧波及無功檢測框圖Fig.3 The algorithm of harmonic and reactive current detecting

鎖相環(huán)檢測出與電壓同相位的單位正弦信號，將它與式(2)的負(fù)載電流信號相乘，可得到：

通過低通濾波器濾去交流分量之后，得到的直流分量等于Iαp/2，即為α相負(fù)載電流有功分量幅值的一半.依此類推，可得到Iβp/2這兩個直流信號之和即為所需的隔離變壓器輸出電流幅值Is.Is分別乘上鎖相環(huán)輸出的與α、β相電壓同相位的單位正弦信號，即可得到所需要的兩相輸出電流 iαs(t)和 iβs(t);其分別與負(fù)載電流 iαL、iβL做差，即得兩相補償電流 iαc和 iβc.

變流器工作時，其能量損耗會引起直流側(cè)電容電壓ud的降低，但為了保證PWM變流器的正常工作，ud必須維持恒定.為此算法中增加了一個檢測直流電壓的PI控制器，以保持直流環(huán)節(jié)的電壓.算法定義逆變器吸收的有功功率由兩相均攤，PI控制器的輸出與 Iαp/2、Iβp/2 一起構(gòu)成新的Is，以維持逆變器的正常工作.

3.2 三角載波電流控制策略［8］

三角載波電流控制的載波頻率固定，且等于三角載波的頻率，適合大容量多重化補償場合，其原理框圖如圖4所示.該方法將潮流控制器指令電流 iαc、iβc與實際輸入電流 iαcf、iβcf的差值送入 PI調(diào)節(jié)器，將調(diào)節(jié)結(jié)果作為變流器的輸出電壓給定值，然后與多電平三角載波進行比較，得到功率器件的開關(guān)信號，驅(qū)動變流器工作.

圖4 潮流控制器控制原理框圖Fig.4 Block diagram of power flow controller

為了抑制中點電位偏移，在控制輸出補償電流的同時，加入了電容電壓均衡控制環(huán)節(jié).將電容電壓偏差Δu=uc1-uc2送入PI調(diào)節(jié)器，用調(diào)節(jié)結(jié)果對載波占空比進行修正，以調(diào)節(jié)分壓電容充放電時間，最終實現(xiàn)電容電壓均衡.

4 仿真驗證

仿真驗證時以實測牽引負(fù)荷作為給定負(fù)荷，牽引負(fù)荷數(shù)據(jù)源于牽引變電所實測，數(shù)據(jù)長度為24 h，其負(fù)荷具有隨機波動性、功率因數(shù)低及諧波含量高的特點.筆者選取其中的一段負(fù)荷數(shù)據(jù)進行仿真驗證.

采用Matlab/simulink建立了與圖1對應(yīng)的牽引供電系統(tǒng)仿真模型［9］，平衡變壓器采用 YNvd接線.仿真中取直流側(cè)電壓為3 300 V，隔離變壓器變比KT=27 500 V/1 770 V，三角載波頻率fc=1 000 Hz，直流側(cè)支撐電容C1=C2=0.1 F，三電平VSC交流側(cè)電感參數(shù)L1=L2=2 mH，仿真結(jié)果如圖5～9所示.

(1)無功補償分析.在由平衡變壓器和SVG結(jié)合構(gòu)成的牽引供電補償系統(tǒng)下，牽引變壓器副邊兩端口各承擔(dān)1/2的有功功率，補償之前牽引變壓器副邊端口平均功率因數(shù)為0.923 3，補償之后為0.999 9(接近1)，無功補償達到滿意效果.

(2)諧波抑制分析.根據(jù)國標(biāo)規(guī)定，該牽引變電所注入系統(tǒng)的各次諧波電流允許值見表1，與仿真值相比，符合國標(biāo)要求.可見，背靠背SVG對電流諧波的補償作用很明顯，不會對電力系統(tǒng)供電質(zhì)量造成影響.

圖9 補償之后系統(tǒng)側(cè)電流波形Fig.9 The three-phase current of power system side after compensation

表1 各次諧波電流允許值與仿真值對照表Tab.1 Comparison between the harmonic current allowable value and the actual value

(3)負(fù)序補償分析.圖8表明，補償后，牽引變壓器副邊兩相電流幅值相等，相位互差90°，從圖9可以看出，補償后系統(tǒng)側(cè)電流波形三相對稱，補償效果良好.

5 結(jié)論

經(jīng)仿真驗證，基于單相全橋式二極管箝位型三電平電壓源變流器構(gòu)成的背靠背SVG補償系統(tǒng)不僅能夠動態(tài)補償系統(tǒng)中的無功電流，而且還能夠補償諧波以及實現(xiàn)有功功率在兩臂之間的流動，是一種較為理想的補償裝置.

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