基于旋轉(zhuǎn)坐標系結(jié)合PI控制的鐵路功率調(diào)節(jié)器

江友華, 江相偉

(上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090)

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基于旋轉(zhuǎn)坐標系結(jié)合PI控制的鐵路功率調(diào)節(jié)器

江友華, 江相偉

(上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090)

采用鐵路功率調(diào)節(jié)器(RPC)來治理高速鐵路供電系統(tǒng)中存在的負序、無功和諧波等電能質(zhì)量問題.使用兩個背靠背的變流器來實現(xiàn)無功補償和諧波處理.在RPC系統(tǒng)下,提出Vv變壓器下電流檢測方法和旋轉(zhuǎn)坐標系結(jié)合PI的控制策略,用以減少工程的計算量和交流誤差,實現(xiàn)RPC直流側(cè)的質(zhì)量穩(wěn)定.并利用Matlab進行試驗仿真,仿真結(jié)果顯示RPC具有良好的電能優(yōu)化能力,能進行負序的補償和諧波治理.

諧波治理; 旋轉(zhuǎn)坐標系; PI控制; 鐵路功率調(diào)節(jié)器

由于鐵路系統(tǒng)中負載不平衡,導(dǎo)致了負序電流的產(chǎn)生[1-3].而負序電流和諧波會影響電力傳輸系統(tǒng)的承載能力,并帶來額外的損耗,更有可能導(dǎo)致發(fā)電機組和機車無法穩(wěn)定運行[4-5].因此,鐵路系統(tǒng)中供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性是亟待解決的難題.

目前,國內(nèi)采用了三相高壓側(cè)安裝配電網(wǎng)靜止同步補償器的方法,但由于主電路要承受110 kV或者220 kV的電壓,所以有很高的復(fù)雜性和難度.而采用有源濾波器雖然可以治理諧波,但是不能補償負序電流.湖南大學(xué)吳傳平等人的鐵路功率調(diào)節(jié)器(Railway Static Power Conditioner,RPC)[6]采用交流進行PI控制,但會引起靜態(tài)誤差且工作量巨大.本文采用旋轉(zhuǎn)坐標系變換,使得控制量變?yōu)橹绷髁?以減小靜態(tài)誤差.仿真結(jié)果表明,采用這種方法的效果較好.

1 RPC 的基本原理

RPC的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示.圖1中未畫出自耦變壓器.

圖1 RPC 結(jié)構(gòu)示意

由圖1可以看出,兩個背靠背的變流器通過并聯(lián)直流電容提供穩(wěn)定的電壓,并且通過輸入阻抗連接降壓變壓器,最后連接供電臂額定的27.5 kV電壓.通過控制兩變流器的電流來控制左右兩臂之間的功率流向,進而抑制諧波和提供無功功率.

假設(shè)圖1中的左右供電分別為a相和b相單相供電.若不考慮諧波影響,以電網(wǎng)的A相電壓為基準,則兩邊的基波電流分別為:

(1)

式中:IaLf,IbLf——a相和b相的基波電流的有效值.

設(shè)V/v變壓器變比為K,可知:

(2)

假設(shè)IaLf>IbLf,這時三相電流如圖2所示.

從圖2可看出,三相電流均不同,A 相電流滯后電壓 30°,B 相電流超前 B 相電壓 30°,系統(tǒng)中存在負序電流.

圖2 補償前的三相電流向量示意

此時,只用補償無功電流就可以讓三相電流對稱,應(yīng)補償?shù)臒o功電流為:

(3)

其中a相發(fā)出的無功功率被b相吸收.補償后的三相電流如圖4所示.

圖3 RPC調(diào)節(jié)兩供電臂有功功率后的三相電流向量

圖4 RPC調(diào)節(jié)兩供電臂的有功功率和無功功率后三相電流向量

從圖4可以看出,三相電流已完全對稱.

綜上可知,當IaLf>IbLf時與上述情況相似,得出一般情況下 RPC 兩變流器在兩供電臂電壓側(cè)的負序補償電流為:

(4)

式中:Icaf,Icbf——RPC 中a相和b相側(cè)變流器在27.5 kV下的等效電流,以流入RPC 的方向為正方向.

RPC產(chǎn)生與負載諧波電流幅值相等、相位相反的電流來抵消負載諧波.設(shè)a相和b相的負載諧波電流分別為IaLh和IbLh,則RPC產(chǎn)生的諧波補償電流為:

(5)

故RPC兩變流器的綜合補償電流為:

(6)

設(shè)降壓變壓器變比為kt,將式(6)乘以kt即可得到RPC 兩變流器在低壓側(cè)的補償電流.

2 負序與諧波補償電流檢測方法

因為RPC的參考電流需要有功部分和無功部分,故設(shè)計了其電流檢測電路,如圖5所示.

圖5 負序和諧波電流檢測電路

設(shè)a相和b相兩供電臂負載瞬時電流分別為:

(7)

式中:iaL,ibL——a相和b相供電臂的負載瞬時電流;

IaLh,IbLh——a相和b相第h次諧波電流有效值;

φah,φbh——第h次諧波的相位.

兩供電臂的瞬時有功功率Pa和Pb與單臂電流對應(yīng)的電壓經(jīng)鎖相環(huán)(Phase Locked Loop,PLL)產(chǎn)生的電壓同步信號相乘,有:

(8)

(9)

進一步化簡為:

Pa和Pb中的直流分量之和為:

(12)

(13)

式中:ia,ib——經(jīng)補償負序和諧波后a相和b相供電臂的電流值.

從式(13)可以看出,a相和b相供電臂電流包括了需將三相電流補償為對稱電流的有功和無功電流.再將三相側(cè)A相和B相電流的理論值減去a相和b相供電臂電流,即得出RPC中a相和b相供電臂側(cè)兩變流器的補償電流參考電流量:

(14)

(15)

將式(7)代入式(14)和式(15),化簡得:

(16)

(17)

則ktica和kticb就是補償電流ica′和icb′.

3 基于旋轉(zhuǎn)坐標系的RPC控制策略

為了使變流器正常工作,需要提供一個穩(wěn)定的直流電壓,因此RPC的補償電流在原有基礎(chǔ)上再疊加一個直流有功分量.對兩變流器采用PI控制,為了使PI控制更加迅速準確,采用旋轉(zhuǎn)坐標系變換,使得控制量變?yōu)橹绷髁?以減小靜態(tài)誤差,其原理如圖6所示.假設(shè)坐標變換輸出為d,輸入為i′ca和θ,則變換公式為:

(18)

設(shè)b為輸出,d和θ為輸入,則逆變換公式為:

(19)

圖6 RPC 控制原理示意

4 仿真分析和驗證

使用Matlab的Simulink來進行仿真,驗證上述控制策略的有效性.用電阻負載和不可控整流負載并聯(lián)來模擬高速鐵路電力機車負載.

表1 RPC系統(tǒng)仿真參數(shù)

分別讓左右兩臂承受4 800 kW和0負載,仿真結(jié)果如圖7所示.由圖7可以看出,RPC并網(wǎng)前三相電流無功功率不平衡,有諧波;RPC 補償后,三相電流質(zhì)量得到明顯提高.

以上實驗證明:在RPC系統(tǒng)下,使用兩個背靠背的變流器可以實現(xiàn)無功補償和諧波處理.對Vv變壓器采用電流檢測方法和旋轉(zhuǎn)坐標系結(jié)合PI的控制策略,確實能夠減少工程的計算量和交流誤差,實現(xiàn)RPC直流側(cè)的質(zhì)量穩(wěn)定.

圖7 RPC補償前后三相電流波形

5 結(jié) 論

(1) RPC的兩個變流器結(jié)合V/v變壓器能夠在大功率場合提供良好的諧波治理能力和無功補償效果;

(2) 旋轉(zhuǎn)坐標系轉(zhuǎn)換后的直流量有利于PI控制,保證了RPC控制響應(yīng)的快速性.

[1] 李群湛,連級三,高仕斌.高速鐵路電氣化工程[M].成都:西南交通大學(xué)出版社,2006:155-165.

[2] KNESCHKE T A.Control of utility system unbalance caused bysingle-phase electric traction[J].IEEE Transactions on Industry Applications,1985,21(6):1 559-1 569.

[3] 張力強,羅文杰,呂利軍.電氣化鐵路牽引負荷的不利影響及治理方案[J].電網(wǎng)技術(shù),2006,30(增刊):196-198.

[4] 李群湛.牽引變電所供電分析及綜合補償技術(shù)[M].北京:中國鐵道出版社,2006:1-50.

[5] 歐陽帆,周有慶,高樂,等.基于平衡變壓器的三相-單相對稱供電條件研究及參數(shù)匹配[J].中國電機工程學(xué)報,2008,28(3),158-162.

[6] 吳傳平,羅安,徐先勇,等.采用V/v變壓器的高速鐵路牽引供電系統(tǒng)負序和諧波綜合補償方法[J].中國電機工程學(xué)報,2010,30(16):111-117.

(編輯 白林雪)

Railway Static Power Conditioner Based on Rotating Coordinate System Combined PI Control

JIANG Youhua, JIANG Xiangwei

(SchoolofElectronicsandInformationEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

A railway static power conditioner is used to manage the problem of power quality about harmonic,reactive and negative-sequence that exists in the power supply system of high speed railway.And two back-to-back converters is used to realize reactive power compensation and harmonic treatment.In the RPC system,the current detection method and rotating coordinate control strategy combining PI is proposed to reduce the amount of computation and communication engineering error,and to achieve stable quality of RPC DC side.Finally,Matlab is used to conduct simulation test.The simulation results show that PRC has good power optimization ability,compensation and harmonic control to negative sequence.

harmonic elimination; negative sequence current; rotating coordinate system combined PI; railway power regulator

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.01.008

2016-03-16

江相偉(1991-),男,在讀碩士,安徽安慶人.主要研究方向為電力系統(tǒng)信號檢測與節(jié)能控制.E-mail:243866450@qq.com.

上海市地方能力建設(shè)項目(14110500900).

U223.52;TP183

A

1006-4729(2017)01-0033-06