基于V/V牽引變壓器的同相供電系統(tǒng)電能質(zhì)量混合補(bǔ)償研究

張晨萌 陳柏超 袁佳歆* 鐘永恒田翠華蔡超

基于V/V牽引變壓器的同相供電系統(tǒng)電能質(zhì)量混合補(bǔ)償研究

張晨萌1陳柏超1袁佳歆1* 鐘永恒1田翠華1蔡超2

（1. 武漢大學(xué)電氣工程學(xué)院 湖北武漢 430072 2. 國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院 湖北武漢 430077）

為了綜合補(bǔ)償V/V同相牽引供電系統(tǒng)中的諧波、無(wú)功和負(fù)序等電能質(zhì)量問題，提出了一種基于磁控靜止無(wú)功補(bǔ)償器（MSVC）和綜合電能質(zhì)量補(bǔ)償器（HPQC）的電能質(zhì)量混合補(bǔ)償方法。通過協(xié)同控制MSVC和HPQC使得HPQC的直流電壓最小，從而達(dá)到完全補(bǔ)償無(wú)功、負(fù)序條件下，HPQC有源容量最小。再利用無(wú)源濾波器和HPQC有源濾波共同濾除系統(tǒng)中的諧波，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的負(fù)序、無(wú)功和諧波的綜合補(bǔ)償。另外還分析了混合補(bǔ)償系統(tǒng)的負(fù)序、無(wú)功和諧波電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，提出了HPQC和MSVC的協(xié)同控制策略，使得整個(gè)系統(tǒng)響應(yīng)速度滿足補(bǔ)償要求。與傳統(tǒng)有源補(bǔ)償設(shè)備相比，降低了有源部分的補(bǔ)償容量和直流電壓，降低了補(bǔ)償成本。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的混合補(bǔ)償方法的有效性和可行性。

同相供電系統(tǒng)電能質(zhì)量容量?jī)?yōu)化協(xié)同控制

1 引言

電氣化鐵路牽引負(fù)荷具有非線性、功率因數(shù)低和三相不平衡的特點(diǎn)，會(huì)產(chǎn)生諧波、無(wú)功和負(fù)序等電能質(zhì)量問題[1]。

近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)電氣化鐵路電能質(zhì)量治理進(jìn)行了深入研究。文獻(xiàn)[2]討論了利用無(wú)源的靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）對(duì)不平衡電流進(jìn)行補(bǔ)償。但是SVC僅能對(duì)負(fù)序和無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，無(wú)法解決諧波問題。近年來基于電力電子器件的有源電能質(zhì)量綜合治理方法成為研究熱點(diǎn)[3-5]。日本學(xué)者首先提出鐵路功率調(diào)節(jié)器（RPC）的概念[3]，RPC能有效地補(bǔ)償牽引供電系統(tǒng)的無(wú)功、諧波和負(fù)序問題。文獻(xiàn)[4]分析了、RPC應(yīng)用于V/V變壓器牽引供電系統(tǒng)的補(bǔ)償原理，并給出了測(cè)試結(jié)果。文獻(xiàn)[5]對(duì)RPC的控制方法進(jìn)行了詳細(xì)的研究，提出了一種模糊遞推PI控制方法。但采用RPC對(duì)牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量問題進(jìn)行綜合補(bǔ)償方法存在補(bǔ)償容量大、成本高等不足。

近些年隨著電力機(jī)車不斷提速，常規(guī)牽引供電系統(tǒng)存在的過分相問題日益明顯, 過分相不僅會(huì)造成列車速度下降，旅客感覺不適，還需要加裝復(fù)雜的自動(dòng)控制設(shè)備[6]。為了解決這個(gè)問題，文獻(xiàn)[7-10]提出同相牽引供電系統(tǒng)。同相供電系統(tǒng)不僅將分區(qū)亭的數(shù)目減少一半，而剩下的分區(qū)亭也可以由分相器代替。由于相鄰供電區(qū)間的電壓差很小，因此對(duì)分相器的絕緣要求不高。文獻(xiàn)[7]提出了基于平衡變壓器和有源電力調(diào)節(jié)器（APC）的同相供電系統(tǒng)方案。文獻(xiàn)[8]詳細(xì)介紹了APC結(jié)合阻抗平衡變壓器的實(shí)際應(yīng)用，并對(duì)實(shí)際設(shè)備運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于三相-單相固態(tài)電力電子變壓器的同相供電系統(tǒng)。文獻(xiàn)[10]提出了基于V/V牽引變壓器和混合式電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（HPQC）的同相供電系統(tǒng)電能質(zhì)量解決方案。但對(duì)于同相供電系統(tǒng)而言，其供電臂的供電距離比普通牽引供電系統(tǒng)供電距離要長(zhǎng)一倍，因此供電臂上同時(shí)運(yùn)行的機(jī)車數(shù)量會(huì)更多，因此有源補(bǔ)償設(shè)備的容量相較常規(guī)牽引供電系統(tǒng)更大。補(bǔ)償設(shè)備容量大的問題限制了以上技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。

為降低有源部分容量，本文提出一種V/V牽引變壓器下的同相供電系統(tǒng)電磁混合補(bǔ)償方法。該補(bǔ)償系統(tǒng)由一套HPQC和與其并聯(lián)的磁控靜止無(wú)功補(bǔ)償器（MSVC）組成[11]。通過控制MSVC補(bǔ)償容量，可以使得HPQC基波容量最小，同時(shí)降低HPQC直流電壓。針對(duì)MSVC暫態(tài)響應(yīng)速度較慢的缺點(diǎn)，通過協(xié)同控制，利用HPQC響應(yīng)速度快的優(yōu)勢(shì)在暫態(tài)過程中提高整個(gè)補(bǔ)償系統(tǒng)的響應(yīng)速度。相應(yīng)的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文提出補(bǔ)償系統(tǒng)的有效性。

2 混合補(bǔ)償系統(tǒng)拓?fù)?/h2>

本文提出的混合補(bǔ)償系統(tǒng)如圖1所示。其中MSVC由磁控電抗器（MCR）和在基波下顯容性的無(wú)源濾波器構(gòu)成，MSVC與晶閘管投切無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備相比，可以根據(jù)負(fù)荷變化連續(xù)平滑地改變補(bǔ)償容量。與晶閘管控制電抗器（TCR）型SVC相比較，MCR輸出諧波含量小，采用新型雙級(jí)磁飽和技術(shù)的MCR總諧波含量小于5%[11]，滿足國(guó)家并網(wǎng)設(shè)備輸出諧波的要求。經(jīng)過無(wú)源濾波器和HPQC的有源濾波作用，可以完全消除系統(tǒng)中的諧波問題。

圖1 混合補(bǔ)償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the hybrid compensation system

3 混合補(bǔ)償系統(tǒng)電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償原理

3.1基于V/V牽引變壓器的補(bǔ)償電流

首先求得在V/V變壓器下的同相供電系統(tǒng)所需的補(bǔ)償電流。對(duì)于圖1，將補(bǔ)償設(shè)備（MSVC和HPQC）看作一個(gè)整體，已有文獻(xiàn)[4,5,10,11]推導(dǎo)了補(bǔ)償電流的表達(dá)式，這里不再贅述，僅給出最后結(jié)果如（1）所示:

式（1）中IL1p為負(fù)載電流的基波有功分量有效值；IL1q為負(fù)載電流的基波無(wú)功分量有效值；iLh為負(fù)載的諧波電流。從中可以看出補(bǔ)償設(shè)備需要將負(fù)荷有功功率的一半從ac側(cè)傳遞到bc側(cè)，并在兩側(cè)補(bǔ)償相應(yīng)的無(wú)功功率。

3.2HPQC和MSVC在基波域下的工作狀態(tài)

由式（1）可知，對(duì)于基波而言，補(bǔ)償電流包括有功電流和無(wú)功電流。HPQC作為有源補(bǔ)償裝置，既可以提供有功電流也可以提供無(wú)功電流。MSVC作為無(wú)源的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，只能提供無(wú)功電流。下面討論如何控制MSVC的輸出無(wú)功容量，以使得HPQC的輸出容量最小。

HPQC的結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖2中，ac側(cè)變流器經(jīng)過LC支路與ac側(cè)牽引供電臂直接相連，bc側(cè)變流器串聯(lián)電感后經(jīng)過隔離變壓器與bc側(cè)牽引供電臂相連。下面以ac側(cè)為例分析補(bǔ)償系統(tǒng)在基波域下的工作狀態(tài)。

圖2 側(cè)HPQC結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of HPQC

以ac側(cè)牽引供電臂電壓為參考向量，可以得出ac側(cè)補(bǔ)償向量圖如圖3所示。

圖3 ac側(cè)補(bǔ)償向量圖Fig.3 Compensation vector diagram of ac side

圖中I˙acf為（1）中補(bǔ)償系統(tǒng)需要補(bǔ)償?shù)幕娏?，其由三部分組成:I˙acnfp為ac側(cè)變流器發(fā)出的有功電流；I˙acnfq為ac側(cè)變流器發(fā)出的無(wú)功電流；I˙acmf為ac側(cè)MSVC發(fā)出的無(wú)功電流。其中I˙acnfp和I˙acnfq之和構(gòu)成了ac側(cè)變流器發(fā)出的總電流I˙acnf。

ac側(cè)變流器輸出串聯(lián)的LC電路的阻抗值表達(dá)式如（2）所示，和混合式有源電力濾波器[12]類似，LC電路被設(shè)計(jì)成在某一諧波頻率下諧振，其在基波下顯容性。

可以得出變流器的輸出電壓為:

由于所需有功補(bǔ)償電流只能由HPQC提供，故I˙acnfp=IL1p2。為了使得HPQC設(shè)備容量最小，應(yīng)使得HPQC的補(bǔ)償電流I˙acnf對(duì)于變流器的輸出電壓V˙vscaf為純有功電流（即兩向量同向或反向），并滿足如下關(guān)系:

式（4）說明了逆變器此時(shí)的輸出容量?jī)H為需要傳遞的有功功率，補(bǔ)償所需無(wú)功功率由LC支路和MSVC提供，故此時(shí)逆變器的輸出功率最小。

從圖3還可以看出此時(shí)逆變器的輸出電壓Vvscaf是小于供電臂電壓Vac的，兩者之間的關(guān)系為:

從式（5）、（6）中可以看出，對(duì)于恒定的牽引供電電壓Vac，逆變器的輸出電壓大小和逆變器串聯(lián)LC支路阻抗Xac和負(fù)荷的基波有功電流IL1p有關(guān)，其關(guān)系如圖4所示。

圖4 cosδ和LC支路阻抗、負(fù)荷有功電流的關(guān)系Fig.4 The relationship of cosδ, LC branch impedance and active current

常規(guī)APC型補(bǔ)償設(shè)備在ac側(cè)的輸出電壓大于供電電壓[7]，相應(yīng)的直流電壓也必須高于其輸出電壓的峰值。而從圖4中可以看出，本文提出的最小容量補(bǔ)償方式下兩側(cè)逆變器的輸出電壓總是小于供電電壓，因此直流電壓也與常規(guī)APC相比有所下降，且隨著負(fù)荷功率越大輸出電壓越小。

由圖3可以計(jì)算出ac側(cè)HPQC的基波補(bǔ)償電流為:

從式（7）中可以看出，對(duì)于確定的負(fù)載和LC串聯(lián)阻抗值，可以得到兩組結(jié)果，這兩組結(jié)果都能滿足變流器輸出功率最小的條件，我們將得到的兩種結(jié)果稱作補(bǔ)償方式1（取負(fù)號(hào)）和補(bǔ)償方式2（取正號(hào)），下面對(duì)這兩組結(jié)果進(jìn)行分析。

圖5 兩種補(bǔ)償方法的分析Fig.5 The analysis of the two compensation methods

從圖5中可以看出，雖然兩種補(bǔ)償方式下的HPQC的補(bǔ)償電流是不同的，但是HPQC的輸出功率是一定的，即都滿足式（4）。補(bǔ)償方式1所需補(bǔ)償電流較小，變流器輸出電壓較大；補(bǔ)償方式2所需補(bǔ)償電流較大，變流器輸出電壓較小。對(duì)于MSVC設(shè)備，補(bǔ)償方式1需要其提供容性無(wú)功功率，補(bǔ)償方式2需要其提供感性無(wú)功功率?？紤]到變流器的損耗和其輸出電流大小密切相關(guān)，且MSVC輸出感性無(wú)功時(shí)需要配置更大容量的MCR，所以在這里本文選擇補(bǔ)償方式1。

同理，可以推導(dǎo)出bc側(cè)HPQC的補(bǔ)償電流:

補(bǔ)償系統(tǒng)所需的無(wú)功電流是由HPQC和MSVC共同提供的，由式（1）、（7）和（8）可得MSVC基波補(bǔ)償電流為:

對(duì)于實(shí)際中時(shí)刻變化的機(jī)車負(fù)載，只要MSVC的輸出電流根據(jù)（9）來確定，就能保證HPQC的輸出容量最小。

3.3諧波抑制原理

電鐵機(jī)車負(fù)荷會(huì)產(chǎn)生一系列諧波電流。與MCR并聯(lián)的固定電容器通常串聯(lián)一定電感構(gòu)成無(wú)源濾波器。由于機(jī)車負(fù)荷中三次諧波含量最大，因此將MSVC電容支路設(shè)置為三次諧波濾波支路。將HPQC串聯(lián)的LC支路設(shè)置為五次諧波諧振，用于濾除負(fù)荷中含量第二多的五次諧波分量。即，

由于無(wú)源補(bǔ)償設(shè)備的作用，系統(tǒng)中含量較大的三次諧波和五次諧波含量會(huì)大大降低，剩余的諧波電流通過HPQC的有源濾波進(jìn)行濾除。

HPQC輸出諧波電流為:

bc側(cè)的結(jié)構(gòu)和ac側(cè)的結(jié)構(gòu)類似，只是bc側(cè)只接有補(bǔ)償設(shè)備，沒有負(fù)載諧波電流，可以得出bc側(cè)HPQC輸出諧波電流為:

以上分析了混合補(bǔ)償設(shè)備綜合補(bǔ)償負(fù)序、無(wú)功和諧波的原理。以韶山4型機(jī)車的實(shí)際工況為例[13]，諧波電流畸變率為23.4%，功率因數(shù)約為0.82。設(shè)機(jī)車的視在功率為10MVA，可根據(jù)（1）式求得補(bǔ)償裝置對(duì)兩側(cè)供電臂補(bǔ)償基波有功、基波無(wú)功和諧波的容量需求為:

式中，acfP、acfQ和achP分別為ac側(cè)基波有功、基波無(wú)功和諧波功率；bcfP、bcfQ和bchP分別為bc側(cè)基波有功、基波無(wú)功和諧波功率。若單獨(dú)使用參考文獻(xiàn)[7]中的APC進(jìn)行補(bǔ)償，所需APC的容量需求為:

若使用本文提出的補(bǔ)償系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償，并假設(shè)無(wú)源濾波器可以濾除70%的相應(yīng)次諧波，則該系統(tǒng)中HPQC和MSVC的容量分別為:合補(bǔ)償系統(tǒng)的造價(jià)為9.61x，比單獨(dú)使用APC相比節(jié)省了32.4%。

MSVC的成本約為APC的1/8。設(shè)APC設(shè)備造價(jià)為x/MVA，則采用APC的造價(jià)為14.2x，采用混

4 混合補(bǔ)償系統(tǒng)控制策略

本文提出的混合補(bǔ)償系統(tǒng)控制策略如圖6所示。

圖6 混合補(bǔ)償系統(tǒng)控制框圖Fig.6 control diagram of the hybrid compensation system

控制系統(tǒng)主要分為參考信號(hào)檢測(cè)、MSVC控制和HPQC控制三個(gè)部分。

設(shè)負(fù)荷電流表達(dá)式為:

式中，1LpI和1LqI分別為負(fù)載的基波有功功率有效值和基波無(wú)功功率有效值；LhI為h次諧波電流的有效值；Lhφ為h次諧波的相位。

根據(jù)鑒相檢測(cè)原理[14]，將iL乘以電壓同步信號(hào)，乘積再通過低通濾波器即可求出基波有功電流幅值的1/2，即2IL1p。同理，將iL乘以電壓滯后π2的信號(hào)，乘積通過低通濾波器即可求得無(wú)功電流幅值的1/2，即2IL1q。

為了完全消除負(fù)序和諧波電流，補(bǔ)償后期望的供電臂電流為:

MSVC控制采用了PI控制方式，將實(shí)際測(cè)得的MSVC電流經(jīng)過FFT變換求得實(shí)際電流基波有效值之后，將實(shí)際值和指令值做差，偏差信號(hào)經(jīng)過PI調(diào)節(jié)以后控制MCR的容量，以達(dá)到動(dòng)態(tài)跟蹤指令參考電流的目的。

HPQC要正常工作，直流電壓必須保持恒定，因此，HPQC在進(jìn)行負(fù)序諧波補(bǔ)償時(shí)，需要在其參考指令電流的基礎(chǔ)上疊加一個(gè)直流電壓控制信號(hào)得到的有功電流分量。直流電壓的實(shí)測(cè)值與參考值比較后經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器，再乘以相應(yīng)供電臂的電壓同步參考信號(hào)，得到直流電壓調(diào)節(jié)信號(hào)，再與參考指令信號(hào)疊加，得到實(shí)際參考指令電流和。通過直流電壓控制，使兩側(cè)有功功率平衡，兩側(cè)功率模塊的損耗由兩側(cè)變流器分擔(dān)。HPQC采用滯環(huán)電流跟蹤控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)參考電流的快速跟蹤。

采用圖6所示的控制系統(tǒng)可以提高整個(gè)系統(tǒng)在暫態(tài)過程中的響應(yīng)速度。MCR型無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備與TCR型設(shè)備相比，雖然輸出諧波含量大大減小，但是響應(yīng)速度偏慢。對(duì)于快速變化的機(jī)車負(fù)荷（特別是高鐵機(jī)車負(fù)荷），MSVC的響應(yīng)速度無(wú)法滿足暫態(tài)過程中的補(bǔ)償要求。HPQC是電力電子型有源補(bǔ)償設(shè)備，響應(yīng)速度很快，能夠滿足暫態(tài)補(bǔ)償過程的要求。當(dāng)負(fù)荷突然增大時(shí)，信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)迅速檢測(cè)到負(fù)荷變化，MSVC的指令參考電流隨即增大，但是由于MCR需要一定的響應(yīng)時(shí)間，此時(shí)MSVC提供的無(wú)功電流就會(huì)出現(xiàn)一定的缺額。由于HPQC的參

MSVC的基波指令參考電流根據(jù)（9）式計(jì)算得出。將期望電流減去MSVC補(bǔ)償電流和負(fù)荷電流后，得到的就是HPQC的參考指令電流?？茧娏魇瞧谕娏鳒p去負(fù)荷電流和MSVC的電流，因此控制系統(tǒng)自動(dòng)利用HPQC自身的容量發(fā)出MSVC的無(wú)功缺額，從而使得整個(gè)系統(tǒng)保持平衡。當(dāng)MSVC的輸出電流逐漸增大并最終達(dá)到新的指令電流的過程中，HPQC的輸出無(wú)功逐漸減小并最終達(dá)到穩(wěn)態(tài)。利用這種協(xié)同補(bǔ)償方式可以在整個(gè)暫態(tài)過程中使得補(bǔ)償系統(tǒng)響應(yīng)速度滿足要求。

5 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

5.1仿真結(jié)果

為了驗(yàn)證電磁混合補(bǔ)償系統(tǒng)的有效性，本文利用MATLAB/Simulink軟件進(jìn)行了仿真分析，仿真時(shí)長(zhǎng)1s，采樣頻率200kHz。仿真原理如圖1所示。V/V變壓器由兩個(gè)20MVA， 220kV:27.5kV單相變壓器連接而成，機(jī)車負(fù)荷用線性阻抗和諧波源并聯(lián)模擬[15]，機(jī)車負(fù)荷視在功率為8.4MVA，其中基波有功容量為8MW，基波無(wú)功容量為2Mvar。

表1 仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters

補(bǔ)償前牽引變高壓側(cè)三相電流波形和牽引供電臂電流如圖7所示。從圖中可以看出，由于牽引臂只有ac側(cè)有負(fù)載，補(bǔ)償前牽引變高壓側(cè)只有A相和C相有電流，三相電流含有較大的負(fù)序、無(wú)功和諧波成分。

圖7 補(bǔ)償前系統(tǒng)電壓電流波形Fig.7 Voltage and current waveforms before the compensation

圖8 為采用本文提出的混合補(bǔ)償系統(tǒng)后的補(bǔ)償結(jié)果。補(bǔ)償系統(tǒng)相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示，HPQC的直流電壓為38kV。從圖8可以看出，經(jīng)過混合補(bǔ)償系統(tǒng)補(bǔ)償后，牽引變高壓側(cè)三相電流基本平衡，功率因數(shù)補(bǔ)償為1，且電流諧波含量顯著降低，說明本文提出的混合補(bǔ)償系統(tǒng)具有很好的補(bǔ)償效果。

圖8 混合補(bǔ)償系統(tǒng)補(bǔ)償后補(bǔ)償結(jié)果Fig.8 Compensation results of hybrid compensation

圖10 為采用傳統(tǒng)APC型補(bǔ)償設(shè)備的補(bǔ)償結(jié)果，APC結(jié)構(gòu)圖如圖9所示，相關(guān)參數(shù)如表1所示。APC直流電壓50kV。經(jīng)過補(bǔ)償后，三相電流平衡且不含諧波，補(bǔ)償后功率因數(shù)接近于1，同樣具有很好的補(bǔ)償效果。

圖9 APC結(jié)構(gòu)圖Fig.9 Structure of APC

圖10 APC補(bǔ)償結(jié)果Fig.10 Compensation results with APC

兩種補(bǔ)償方式結(jié)果的比較如表2所示。

表2 混合補(bǔ)償系統(tǒng)和APC補(bǔ)償結(jié)果對(duì)比Tab.2 Compensation performance comparison using hybridcompensation and APC

從表2可以看出兩種補(bǔ)償方式的都具有很好的補(bǔ)償效果。但是混合補(bǔ)償系統(tǒng)兩側(cè)變流器輸出電壓都比牽引供電臂電壓（27.5kV）要小，因此所需直流電容電壓更??；同時(shí)混合補(bǔ)償系統(tǒng)中的HPQC輸出電壓電流都是同相（或反相），輸出功率僅為負(fù)荷有功功率的一半，因此總輸出基波容量更小。而APC在ac側(cè)輸出電壓高于牽引臂電壓，造成所需直流電容電壓更高，同時(shí)兩側(cè)變流器輸出容量更大。可以看出，混合補(bǔ)償系統(tǒng)在和APC補(bǔ)償系統(tǒng)具有同等補(bǔ)償效果的條件下有效減小了有源部分的補(bǔ)償容量。

為了驗(yàn)證混合補(bǔ)償系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，設(shè)計(jì)在0.5s時(shí)負(fù)荷容量從4.2MVA突變到8.4MVA。系統(tǒng)暫態(tài)相應(yīng)特性如圖11所示。從圖11（a）中可以看出混合補(bǔ)償系統(tǒng)總的響應(yīng)速度在一個(gè)周波以內(nèi)，滿足電鐵負(fù)荷補(bǔ)償要求。圖11（b）為ac側(cè)MSVC輸出電流波形圖。從圖中可以看出，在系統(tǒng)負(fù)荷突然增大的過程中，MSVC的容量是緩慢變化的，約需要5個(gè)周波達(dá)到穩(wěn)定值。圖11（c）為ac側(cè)HPQC輸出電流波形圖，可以看出在暫態(tài)過程中，HPQC的輸出電流先增大，再趨于穩(wěn)態(tài)，很好地彌補(bǔ)了MSVC響應(yīng)速度慢的問題。從而使總的系統(tǒng)響應(yīng)速度在一個(gè)周波以內(nèi)。

圖11 混合補(bǔ)償系統(tǒng)暫態(tài)特性Fig.11 Transient characteristics of hybrid system

表3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab.3 Experiment parameters

5.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證本文提出理論的正確性，在實(shí)驗(yàn)室搭建了小容量實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。相關(guān)實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表3所示。采用2臺(tái)降壓變壓器模擬V/V牽引變壓器，由于容量限制，在兩側(cè)供電臂上都裝設(shè)了降壓變壓器，采用線性電阻模擬機(jī)車負(fù)載，采用TMS320F2812DSP作為核心控制器，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D12所示。

圖12 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)物圖Fig.12 Photos of experiment platform

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。從圖中可以看出，補(bǔ)償前只有A、C相有電流，三相電流負(fù)序含量很大。補(bǔ)償后三相電流基本補(bǔ)償平衡，負(fù)序補(bǔ)償效果明顯。

圖13 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.13 Experiment results

6 結(jié)論

為了解決傳統(tǒng)有源電能質(zhì)量補(bǔ)償系統(tǒng)有源補(bǔ)償設(shè)備容量大的問題，在基于V/V牽引變壓器的同相牽引供電系統(tǒng)下，本文提出了一種MSVC和HPQC的混合補(bǔ)償系統(tǒng)。該補(bǔ)償系統(tǒng)通過合理控制MSVC的輸出容量，使得HPQC的輸出容量最小，混合補(bǔ)償系統(tǒng)與傳統(tǒng)APC型補(bǔ)償設(shè)備相比，降低了逆變器的輸出容量和電壓，并使得整個(gè)系統(tǒng)的造價(jià)得到降低。提出了一種針對(duì)混合補(bǔ)償系統(tǒng)的負(fù)序、無(wú)功和諧波電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法，還設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制系統(tǒng)，通過HPQC和MSVC相配合，利用HPQC補(bǔ)償?shù)目焖傩詮浹a(bǔ)了MSVC響應(yīng)速度慢的問題，使得整個(gè)補(bǔ)償系統(tǒng)的響應(yīng)速度滿足實(shí)際補(bǔ)償要求。最后利用仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文理論的有效性。

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Research on a Hybrid Compensation System for V/V Co-phase Railway Power Supply System

Zhang Chenmeng Chen Baichao Zeng Wenjun Yuan Jiaxin*
（School of Electrical Engineering, Wuhan University Wuhan 430072 China）

To solve the power quality problem in V/V co-phase railway power supply system, a hybrid compensation system based on MSVC and HPQC is proposed in this paper. To minimize the capacity of HPQC, the capacity of MSVC is conducted. The harmonic current is eliminated by passive and active filters. So the negative, reactive and harmonic currents are fully compensated. Based on the instantaneous current detecting and reactive current distribution method, the collaboration control strategy is proposed. The responding speed is satisfied. Compared with traditional active compensation method, the capacity and DC voltage of active compensator are reduced. The simulation and experiment results verify the correctness of the proposed hybrid compensation system.

Co-phase power supply system, Power quality, Capacity optimize, Collaborate control

TM92

張晨萌 男，1988年生，湖北襄陽(yáng)人，博士研究生，研究方向?yàn)镕ACTS設(shè)備在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。

國(guó)家自然科學(xué)基金(50807041)、武漢市科技攻關(guān)計(jì)劃（2013-060501010164）、武漢市青年科技晨光計(jì)劃（2013070104010010）和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助(2014207020202)資助項(xiàng)目。

2014-- 改稿日期 2014--

陳柏超 男，1960年生，湖北武漢人，博士學(xué)歷，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)樾滦痛趴丶夹g(shù)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用。