電氣化鐵路電能質(zhì)量綜合治理控制策略研究

周京華，楊征，李秋霈，章小衛(wèi)

（北方工業(yè)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，北京 100144）

電氣化鐵路電能質(zhì)量綜合治理控制策略研究

周京華，楊征，李秋霈，章小衛(wèi)

（北方工業(yè)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，北京 100144）

鏈?zhǔn)届o止同步補(bǔ)償器（STATCOM）是解決現(xiàn)有的電氣化鐵路電能質(zhì)量問題的有效手段。針對鏈?zhǔn)絊TATCOM提出了一種多PR調(diào)節(jié)器并聯(lián)的多目標(biāo)控制策略，可以自動補(bǔ)償無功電流及部分低次諧波電流，同時，也可對鏈節(jié)懸浮電容電壓的平衡進(jìn)行有效控制，達(dá)到電氣化鐵路電能質(zhì)量綜合治理的目的。最后，通過鏈?zhǔn)絊TATCOM實驗樣機(jī)，驗證了多目標(biāo)控制策略的可行性及有效性。

鏈?zhǔn)届o止同步補(bǔ)償器；多目標(biāo)控制策略；電能質(zhì)量

電氣化鐵路具有提高鐵路運輸能力、降低運輸成本、保護(hù)生態(tài)環(huán)境等優(yōu)點，但由于機(jī)車負(fù)載變化頻繁，呈現(xiàn)出阻性、感性、容性、非線性等不同負(fù)載特性，使得電氣化鐵路供電系統(tǒng)受到很大的影響，形成的供電系統(tǒng)電能質(zhì)量問題對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行和其他電力系統(tǒng)用戶的正常用電造成了不可忽視的危害。

電氣化鐵路供電系統(tǒng)電能質(zhì)量問題主要包括無功及諧波兩個方面，無功電流的產(chǎn)生勢必會帶來功率因數(shù)調(diào)整費的支出［1］，加大鐵路企業(yè)的成本，諧波電流的產(chǎn)生也會造成電氣設(shè)備的額外附加損耗以及增加輸電線路的電能損耗［2］，所以隨著電氣化鐵路的發(fā)展，如何治理現(xiàn)有的電氣化鐵路的電能質(zhì)量問題也越來越重要。

當(dāng)鏈?zhǔn)絊TATCOM與機(jī)車負(fù)載共同并聯(lián)于電網(wǎng)上時，主要對機(jī)車負(fù)載產(chǎn)生的無功電流進(jìn)行補(bǔ)償，往往忽略了負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流。為了對電氣化鐵路電能質(zhì)量問題進(jìn)行綜合治理，本文基于多PR調(diào)節(jié)器并聯(lián)提出了一種多目標(biāo)控制策略，可以使鏈?zhǔn)絊TATCOM在自動補(bǔ)償無功電流的同時，自動補(bǔ)償部分低次（5次及7次）諧波電流，同時給出了一種鏈?zhǔn)絊TATCOM鏈節(jié)懸浮電容電壓的平衡控制方法。實驗結(jié)果表明多目標(biāo)控制策略的有效性。

1　鏈?zhǔn)絊TATCOM結(jié)構(gòu)

目前，電氣化鐵路牽引網(wǎng)采用27.5 kV的單相電網(wǎng)供電，在機(jī)車通過鐵軌時，會產(chǎn)生大量的無功及諧波電流?，F(xiàn)有的治理措施多采用鏈?zhǔn)絊TATCOM對電氣化鐵路供電網(wǎng)中的無功電流進(jìn)行補(bǔ)償，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1中ug為電氣化鐵路接觸網(wǎng)電壓；ig為接觸網(wǎng)電流；iload為機(jī)車負(fù)載電流；is為STATCOM輸入電流；L為裝置的濾波電抗器；ux為每個鏈節(jié)的交流側(cè)輸出電壓，其中x=1，2，…，n，n為鏈節(jié)數(shù)；us為鏈節(jié)級聯(lián)后輸出電壓。

圖1　n級單相鏈?zhǔn)絊TATCOM結(jié)構(gòu)圖Fig.1　The structure diagram of n-level single-phase cascade SATCOM

2　多目標(biāo)控制策略

本文所提出的多目標(biāo)控制策略包括補(bǔ)償無功電流、補(bǔ)償部分低次諧波電流及平衡鏈?zhǔn)絊TATCOM鏈節(jié)懸浮電容電壓。

2.1無功及諧波電流的提取

為了對電氣化鐵路供電網(wǎng)中的無功及諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償，如何提取負(fù)載無功及諧波電流是整個系統(tǒng)控制的前提。在三相系統(tǒng)中，多采用基于瞬時無功功率理論的無功及諧波電流檢測方法，而電氣化鐵路采用單相電網(wǎng)供電，針對單相系統(tǒng)多采用延時構(gòu)造三相的方法，但延時的引入勢必會導(dǎo)致負(fù)載無功及諧波電流變化不能被及時響應(yīng)，所以有必要采用一種無延時的電流檢測方法。文獻(xiàn)［3］中利用鎖相環(huán)產(chǎn)生的與電網(wǎng)電壓同頻同相的正余弦信號與低通濾波器，提出了一種無延時適用于單相系統(tǒng)的無功電流及任意次諧波電流的檢測方法，該方法控制簡單、容易實現(xiàn)。圖2所示為基波無功電流的檢測框圖，圖3所示為任意次諧波電流的檢測框圖。

圖2　基波無功電流的檢測框圖Fig.2　The detection diagram of the fundamental reactive current

圖3　任意次諧波電流的檢測框圖Fig.3　The detection diagram of any harmonic current

圖2中，cos（ωt）為鎖相環(huán)產(chǎn)生的與電網(wǎng)電壓同頻同相的余弦信號，i（qt）為從負(fù)載電流中提取的無功電流。圖3中，cos（nωt）為鎖相環(huán)產(chǎn)生的n倍于電網(wǎng)電壓頻率的余弦信號，in（ht）為從負(fù)載電流中提取的n次諧波電流。

2.2多目標(biāo)控制策略電流環(huán)的設(shè)計

由于鏈?zhǔn)絊TATCOM既要補(bǔ)償負(fù)載無功電流還要補(bǔ)償諧波電流，所以從負(fù)載提取出的無功電流與諧波電流之和取反便可作為多目標(biāo)控制電流環(huán)的電流指令值之一。

考慮到系統(tǒng)為單相系統(tǒng)，且電流環(huán)給定電流值為交流信號，傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器在單相系統(tǒng)中無法實現(xiàn)對交流信號的無靜差跟蹤［4］，根據(jù)內(nèi)模原理，在單相系統(tǒng)中可采用準(zhǔn)比例-諧振（PR）調(diào)節(jié)器對交流信號進(jìn)行無靜差跟蹤［5］，由于給定信號中除了含有基波頻率的無功電流外，還含有5倍基波頻率和7倍基波頻率的諧波信號，所以需要采用多個準(zhǔn)PR調(diào)節(jié)器并聯(lián)的方式對不同頻率的交流電流給定信號進(jìn)行跟蹤，圖4所示為鏈?zhǔn)絊TATCOM的電流環(huán)控制框圖。

圖4　鏈?zhǔn)絊TATCOM電流環(huán)控制框圖Fig.4　The control diagram of STATCOM current loop

在圖4中，i5h，i7h分別為負(fù)載電流經(jīng)過諧波電流提取出的5次，7次諧波，ip為鏈?zhǔn)絊TATCOM為補(bǔ)償系統(tǒng)損耗而形成的有功電流給定值。

2.3鏈?zhǔn)絊TATCOM懸浮電容電壓平衡控制

鏈?zhǔn)絊TATCOM各鏈節(jié)直流側(cè)電容電壓平衡是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提，所以可靠有效地鏈節(jié)電容電壓平衡控制方法是至關(guān)重要的，文獻(xiàn)［6］中提出了一種基于有功電流進(jìn)行內(nèi)部分配的控制方法。該方法對各鏈節(jié)直流側(cè)電容電壓進(jìn)行閉環(huán)控制，輸出為有功電流的調(diào)節(jié)量。圖5所示為鏈?zhǔn)絊TATCOM的懸浮電容電壓平衡控制框圖。

圖5　懸浮電容電壓平衡控制框圖Fig.5　The balance control diagram of suspended capacitance voltage

3　系統(tǒng)整體控制策略

對于鏈?zhǔn)絊TATCOM，如果鏈節(jié)懸浮電容電壓恒定，且輸出電壓一致，則整個系統(tǒng)可以等效為1個H橋單元來控制。當(dāng)鏈?zhǔn)絊TATCOM等效為1個H橋單元時，可結(jié)合傳統(tǒng)的單相H橋控制策略，采用電壓電流雙閉環(huán)對鏈?zhǔn)絊TATCOM進(jìn)行控制。

基于圖3～圖5可得以5個鏈節(jié)為例的單相鏈?zhǔn)絊TATCOM多目標(biāo)整體控制策略框圖，如圖6所示。

圖6　鏈?zhǔn)絊TATCOM的多目標(biāo)整體控制框圖Fig.6　The overall multi-objective control strategy block of chain STATCOM

4　實驗驗證

為了進(jìn)一步驗證本文提出的多目標(biāo)控制的正確性，搭建了基于DSP TMS320F28335控制的實驗平臺。圖7所示為構(gòu)建的實驗平臺結(jié)構(gòu)圖，以感性負(fù)載模擬無功負(fù)載，以電流源模擬諧波源。

圖7　實驗平臺結(jié)構(gòu)圖Fig.7　Experimental platform structure diagram

圖8　未加入平衡控制時各鏈節(jié)電容電壓波形Fig.8　Chain suspension capacitor voltage waveforms without balance control

樣機(jī)采用5個鏈節(jié)串聯(lián)，實驗額定參數(shù)如下：電網(wǎng)電壓220 V，額定電流15 A，電網(wǎng)頻率50 Hz，鏈節(jié)母線電容3 300 μF，鏈節(jié)母線電壓80 V，濾波電感10 mH，無功負(fù)載5 Ω+10 mH，5次諧波電流源3A，7次諧波電流源2A。

圖8所示為未加入懸浮電容電壓平衡控制時的各鏈節(jié)的直流電壓波形。

由圖8可見，由于各鏈節(jié)參數(shù)及脈沖延時的不一致性，鏈節(jié)直流側(cè)電容電壓會出現(xiàn)差異。這里由于示波器通道數(shù)限制，只顯示了鏈節(jié)1～鏈節(jié)4的懸浮電容電壓波形。

圖9所示為加入平衡控制算法后4個鏈節(jié)的懸浮電容電壓波形。

圖9　加入平衡控制后各鏈節(jié)電容電壓波形Fig.9　Chain suspension capacitor voltage waveforms with balance control

由圖9可見，4個鏈節(jié)的懸浮電容電壓值均穩(wěn)定在30 V左右，可見加入了懸浮電容電壓平衡算法后，4個鏈節(jié)的懸浮電容電壓值差異幾乎為零，不平衡現(xiàn)象得到了較好的控制。

為了進(jìn)行無功負(fù)載的補(bǔ)償實驗，實驗中采用電感和電阻串聯(lián)來模擬無功負(fù)載。圖10所示為無功補(bǔ)償前后電網(wǎng)電壓和電流波形。

圖10　鏈?zhǔn)絊TATCOM無功補(bǔ)償實驗波形Fig.10　Chain STATCOM reactive power compensation waveforms

在圖10中，由于感性無功負(fù)載的接入，未補(bǔ)償前電網(wǎng)電流ig滯后電網(wǎng)電壓一定相位，功率因數(shù)較低。加入鏈?zhǔn)絊TATCOM補(bǔ)償后，電網(wǎng)電流ig與電網(wǎng)電壓ug基本同相位，系統(tǒng)達(dá)到單位功率因數(shù)，補(bǔ)償效果較好，而且切換過程比較穩(wěn)定。

為了驗證鏈?zhǔn)絊TATCOM對5次及7次諧波電流的補(bǔ)償能力，在感性負(fù)載上并聯(lián)2個電流源來模擬5次及7次諧波源。

圖11所示為投入鏈?zhǔn)絊TATCOM的網(wǎng)側(cè)電壓ug及電流ig。圖11中，在t1時刻開始投入無功電流補(bǔ)償算法；在t2時刻投入5次諧波電流補(bǔ)償算法；在t3時刻投入7次諧波電流補(bǔ)償算法。

圖11　補(bǔ)償之后的網(wǎng)側(cè)電壓及電流Fig.11　The grid side voltage and current after the compensation

在圖11中，t1～t2時間內(nèi)網(wǎng)側(cè)電壓ug及電流ig基本同相位，但由于未對5次及7次諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償，電流畸變率仍然較大。t2～t3時間內(nèi)為系統(tǒng)補(bǔ)償了無功電流及5次諧波電流之后的網(wǎng)側(cè)電壓ug及電流ig，t3時刻之后為系統(tǒng)補(bǔ)償了無功、5次及7次諧波電流之后的網(wǎng)側(cè)電壓ug及電流ig，從圖11中可以看出，此時網(wǎng)側(cè)電流ig即保證了與網(wǎng)側(cè)電壓的同相位，同時保證了較高的正弦度。

通過以上樣機(jī)實驗，各鏈節(jié)懸浮電容電壓實現(xiàn)了平衡控制，無功電流補(bǔ)償和低次諧波補(bǔ)償效果較好，驗證了多目標(biāo)控制的有效性和正確性。

5　結(jié)論

本文通過對電氣化鐵路的介紹，闡述了其供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量問題，針對鏈?zhǔn)絊TATCOM提出了一種多目標(biāo)控制策略，并給出了無功及諧波電流控制策略與鏈節(jié)懸浮電容電壓平衡控制方法，最后通過實驗樣機(jī)驗證了控制策略的可行性及有效性。

［1］ 耿杰，鈕承新.電氣化鐵路的功率因數(shù)與經(jīng)濟(jì)效益［J］.中國鐵路，2000（12）：18-20.

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Control Strategy Research on Electrified Railway Power Quality's Comprehensive Treatment

ZHOU Jinghua，YANG Zheng，LI Qiupei，ZHANG Xiaowei
（Engineering and Control Engineering School，North China University of Technology，Beijing 100144，China）

Chain static synchronous compensator（STATCOM）is effective to solve the existing problem of electrified railway power quality.Put forward a more PR regulator parallel multi-objective control strategy for STATCOM.That could automatically compensate the reactive current and part of low harmonic current.At the same time，it was also effective to control link suspended capacitor voltage to achieve the goal of electrified railway power quality comprehensive treatment.Finally，the result of the chain STATCOM experiment prototype verifies the feasibility and effectiveness of the multi-objective control strategy.

chain static synchronous compensator；multi-objective control strategy；power equality

U482.1

A

2015-09-02

修改稿日期：2016-01-21

北京市自然科學(xué)基金項目（3142008）

周京華（1974-），男，博士，教授，Email：zjh@ncut.edu.cn