CN101635460B - 电气化高速铁路负序与谐波综合补偿系统的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电气化高速铁路负序与谐波综合补偿系统的控制方法。本发明对两供电臂电流进行负序和谐波综合检测，产生综合补偿电流参考值。根据负序补偿指标，通过计算修改基波有功电流的系数K，调整RPC需转移的有功电流。根据高速铁路上行和下行电力机车运行工况采取相应的控制策略：对连接至有电力机车运行的一供电臂侧的RPC变流器实行电流控制，对连接至没有电力机车运行的另一供电臂侧的RPC变流器实行直流侧电压控制。电流环采用滞环比较控制方法，使变流器输出电流跟踪参考补偿电流，达到负序和谐波补偿的目的；直流侧电压控制为带电流内环的电压反馈控制，使直流侧电压快速稳定。本发明控制方法可靠性强，控制响应速度快，实现简单。

Description

电气化高速铁路负序与谐波综合补偿系统的控制方法

技术领域

本发明涉及一种电气化高速铁路负序与谐波综合补偿系统的控制方法。

背景技术

电气化高速铁路的建设，将为国民经济发展提供安全可靠、高速度、大容量运力保障，是进一步缓解铁路运力紧张、提高运输服务品牌和运输服务质量的重要举措。然而，高速铁路供电系统由于用单相供电方式和独特的电力机车负荷而使负序、谐波、电压波动和闪变等电能质量问题突显，严重影响高速铁路沿线供电系统的电能质量，给周边企业生产和用户生活带来恶劣影响，因此，迫切需要对高速铁路供电系统存在的负序、谐波、电压波动和闪变等电能质量问题进行集中治理。

目前国内外对电气化高速铁路供电系统产生的负序、谐波、电压波动和闪变等电能质量问题提出了多种补偿方案。铁路功率调节器RPC是其中一种比较典型的补偿方案。RPC是一种背靠背式的能实现功率双向流动的调节器，能够对负序、谐波及无功进行综合补偿，但由于RPC是有源装置，单独依靠RPC调节两供电臂有功功率，实现负序补偿，同时进行谐波治理和无功补偿，给大容量的RPC工程实现带来了一定困难，并且抬高了成本。此外，对于采用三相V/V结线牵引变压器作为牵引变压器的电气化高速铁路供电系统，采用RPC调节有功功率使两供电臂有功功率相等时，三相系统仍然有负序电流存在，不能完全补偿负序。另外，有采取静止无功发生器DSTATCOM安装于三相高压侧来补偿负序和谐波的补偿方案。由于三相侧电压等级高达110kV或220kV，DSTATCOM需设计为串联多重化结构，结构较为复杂，对电力电子器件的电压和电流等级要求较高，导致成本昂贵和技术实现难度较大。

电气化高速铁路负序与谐波综合补偿系统是一种新型的补偿结构，利用高通滤波器和电抗器改善负序和谐波补偿效果，与单独的RPC相比，在同样的电能质量指标下，可以降低该结构中RPC的容量。因此，电气化高速铁路负序与谐波综合补偿系统的控制方法属于一个新的技术问题。现有的控制方法无法调整RPC的容量，不适合电气化高速铁路负序与谐波综合补偿系统的控制。

发明内容

为了解决现有基于铁路功率调节器RPC的负序与谐波综合补偿系统的控制存在的上述问题，本发明提供一种电气化高速铁路负序与谐波综合补偿系统的控制方法。本发明可根据负序补偿指标确定RPC需要的转移的有功电流大小，根据高速铁路上行和下行电力机车运行工况采取相应的控制策略。

本发明解决上述技术问题的技术方案包括以下步骤：

1)对a相电压进行锁相环检测，产生与a相电压同步的单位余弦信号cos ωt和与b相电压同步的单位余弦信号cos(ωt-π3)，ω为基波角频率；

2)单位余弦信号cos ωt与a相负载电流I_aL相乘得到a相的瞬时有功电流，单位余弦信号cos(ωt-π/3)与b相负载电流I_bL相乘得到b相的瞬时有功电流，a相的瞬时有功电流和b相的瞬时有功电流相加得到两相的瞬时有功电流之和；

3)两相的瞬时有功电流之和经过低通滤波器得到其直流分量，其直流分量在数值上等于两相基波有功电流峰值的平均值；

4)经低通滤波得到的直流分量乘以一个系数K，得到两相基波有功电流峰值平均值的调整量，K值由负序补偿指标计算得到，取值在1～2之间，与RPC转移的有功电流大小成线性关系；

5)两相基波有功电流峰值平均值的调整量分别与单位余弦信号cos ωt和cos(ωt-π/3)相乘得到两相电流的平均基波有功电流交流量；

6)再将a相负载电流I_aL减去a相电流的平均基波有功电流交流量，b相负载电流I_bL减去b相电流的平均基波有功电流交流量，即得到a、b相负序谐波综合补偿电流参考量值I_ar和I_br；

7)对铁路功率调节器RPC中连接至有机车运行的供电臂侧变流器x进行电流控制，将变流器x所在相负序谐波综合补偿电流参考量值乘以铁路功率调节器RPC中降压变压器的变比K_t，得到铁路功率调节器RPC变流器输出的电流参考值，此电流参考值与被控变流器实际输出电流的比较误差被送到滞环比较器产生变流器x开关器件的触发脉冲，使变流器输出电流跟踪补偿电流；

8)在确定对其中一变流器x采取电流控制的同时，对铁路功率调节器RPC中连接至没有机车运行的供电臂侧另一变流器y采取直流侧电压控制，直流侧电压参考值与检测到的直流侧电压反馈值的比较误差，经过PI调节器后，与变流器y所在相电压信号同步的单位余弦信号

信号相乘，y＝a或b，

得到变流器输出电流参考值I′_yr，电流参考值I′_yr与变流器输出电流的比较误差被送到滞环比较器产生变流器y开关器件的触发脉冲，实现直流侧电压稳定控制和变流器y的电流控制。

本发明的技术效果在于：

1)电气化高速铁路负序与谐波综合补偿系统的控制方法能根据负序补偿指标确定RPC需要转移的有功电流，可适当降低RPC容量；

2)RPC根据高速铁路上行和下行电力机车运行工况采取相应的控制策略，以确保RPC根据机车运行情况正常工作，达到补偿负序和抑制谐波的目的。

3)电流环采用滞环比较控制方法，使变流器输出电流跟踪参考补偿电流，达到负序和谐波补偿的目的；直流侧电压控制为带电流内环的电压反馈控制，使直流侧电压快速稳定。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为三相V/V结线变压器下的电气化高速铁路负序与谐波综合补偿系统结构图。

图2为电气化高速铁路负序与谐波综合补偿系统控制原理图。

图3为控制流程图。

具体实施方式

如图1所示，电气化高速铁路负序与谐波综合补偿系统4由一个背靠背式的铁路功率调节器2(RPC)、高通滤波器3和电抗器1联合组成。RPC通过单相三绕组降压变压器安装在三相V/V结线牵引变压器二次侧的两供电臂之间，高通滤波器安装在与电压相位超前的供电臂连接的单相三绕组降压变压器下，电抗器(L₂)安装在与电压相位滞后的另一供电臂连接的单相三绕组降压变压器下。RPC中包含通过共用直流电容连接的两个变流器，两变流器通过输出电感和单相三绕组降压变压器连接到三相V/V结线牵引变压器的两供电臂，高通滤波器由电抗器(L₁)和电容器(G₁)串联组成。单相双绕组降压变压器原边有一个绕组，副边有两个绕组，其作用为隔离高通滤波器和电抗器与RPC，以消除它们对RPC的影响。RPC可以补偿一定的负序，在RPC补偿负序的基础上，高通滤波器和电抗器也能消除部分负序，改善了负序补偿效果。在同样的电能质量指标下，由于电抗器和高通滤波器能补偿部分负序，与单独的RPC比较，电气化高速铁路负序与谐波综合补偿系统中有源装置RPC容量明显降低。

如图2所示，电气化高速铁路负序与谐波综合补偿系统控制方法包括负序与谐波检测1、电流控制2和直流侧电压控制3三部分。负序与谐波检测得到电流控制的参考电流。根据检测的两供电臂负载电流得出电力机车运行情况，对RPC中连接至有电力机车负载的供电臂侧的变流器实行电流控制，对RPC中连接至没有电力机车负载的供电臂侧另一变流器实行直流侧电压控制。这样就实现了有功功率从没有电力机车负载的一供电臂转移至有电力机车负载的另一供电臂，达到了负序补偿的目的，并且进行了谐波抑制。

负序与谐波检测原理如下：设a、b两相负载电流分别为I_aL和I_bL：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{aL}}=\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{2}{I}_{\mathrm{ak}}\cos (\mathrm{k\ωt}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ak}})\\ I_{\mathrm{aL}}=\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{2}{I}_{\mathrm{bk}}\cos (\mathrm{k\ωt}-\mathrm{\π}/3+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{bk}})\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中I_ak、I_bk分别代表a、b相电流中k次谐波的有效值，φ_ak和φ_bk分别为a、b相电流中k次谐波的功率因数角，ω为基波角频率。

通过对a相电压进行锁相环检测，产生与a相电压同步的单位余弦信号cos ωt和与b相电压同步的单位余弦信号cos(ωt-π/3)(a相和b相电压角度相差π/3)。

单位余弦信号cosωt与a相负载电流I_aL相乘得到a相的瞬时有功电流：

$I_{\mathrm{aL}}\cos \mathrm{\ωt}=\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{2}{I}_{\mathrm{ak}}\cos (\mathrm{k\ωt}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ak}})\cos \mathrm{\ωt}$

$=\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\sqrt{2}}{2}{I}_{\mathrm{ak}}\{\cos [(k+1)\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ak}})+\cos [(k-1)\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ak}})\}---\left(2\right)$

单位余弦信号cos(ωt-π/3)与b相负载电流I_bL相乘得到b相的瞬时有功功率：

$I_{\mathrm{bL}}\cos \mathrm{\ωt}=\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{2}{I}_{\mathrm{bk}}\cos (\mathrm{k\ωt}-\mathrm{\π}/3+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{bk}})\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/3)$

$=\underset{k=1}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\sqrt{2}}{2}{I}_{\mathrm{bk}}\{\cos [(k+1)\mathrm{\ωt}-2\mathrm{\π}/3+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{bk}})+\cos [(k-1)\mathrm{\ωt}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{bk}})\}---\left(3\right)$

两积相加得到两相的瞬时有功电流之和，两相瞬时有功电流之和经过LPF低通滤波器，得到其直流分量D：

$D=\frac{\sqrt{2}}{2}(I_{a1}\cos {\mathrm{\φ}}_{a1}+I_{b1}\cos {\mathrm{\φ}}_{b1})---\left(4\right)$

由于高速铁路基波功率因数接近于1，φ_a1≈0，φ_b1≈0，故：

$D=\frac{1}{2}(\sqrt{2}{I}_{a1}+\sqrt{2}{I}_{b1})---\left(5\right)$

从式(5)可见，两相瞬时有功电流之和的直流分量在数值上等于两相基波有功电流峰值的平均值。

然后乘以一个系数K，得到两相基波有功电流峰值平均值的调整量DK。

$\mathrm{DK}=\frac{K}{2}(\sqrt{2}{I}_{a1}+\sqrt{2}{I}_{b1})---\left(6\right)$

调整量分别与cosωt和cos(ωt-π/3)相乘得到两相电流的平均基波有功电流交流量I_Da和I_Db。

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{Da}}=\frac{K}{2}(\sqrt{2}{I}_{a1}+\sqrt{2}{I}_{b1})\cos \mathrm{\ωt}\\ I_{\mathrm{Db}}=\frac{K}{2}(\sqrt{2}{I}_{a1}+\sqrt{2}{I}_{b1})\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/3)\end{array}\right.---\left(7\right)$

再将I_aL和I_bL分别减去两相电流的平均基波有功电流交流量，即得到a、b相负序、谐波综合补偿电流参考量I_ar和I_br。

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{\mathrm{ar}}=I_{\mathrm{aL}}-I_{\mathrm{Da}}=\frac{\sqrt{2}}{2}({2I}_{a1}-{\mathrm{KI}}_{a1}-{\mathrm{KI}}_{b1})\cos \mathrm{\ωt}+\underset{k=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{2}{I}_{\mathrm{ak}}\cos (\mathrm{k\ωt}+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{ak}})\\ I_{\mathrm{br}}=I_{\mathrm{bL}}-I_{\mathrm{Db}}=\frac{\sqrt{2}}{2}({2I}_{b1}-{\mathrm{KI}}_{a1}-{\mathrm{KI}}_{b1})\cos (\mathrm{\ωt}-\mathrm{\π}/3)+\underset{k=2}{\overset{\∞}{\mathrm{\Σ}}}\sqrt{2}{I}_{\mathrm{bk}}\cos (\mathrm{k\ωt}-\mathrm{\π}/3+{\mathrm{\φ}}_{\mathrm{bk}})\end{array}\right.---\left(8\right)$

从式(8)可以看出，I_aL和I_bL包括了需补偿的基波负序和谐波电流。式(8)中，K的取值大小决定RPC需要转移的有功电流大小，可以根据负序补偿指标计算得到。若不考虑高通滤波器和电抗器，RPC单独将负序补偿为原来的一半，则K值取1；RPC不进行负序补偿，则K值取2。K取值在1和2之间，与RPC转移的有功电流大小成线性关系。

对RPC中连接至有机车运行的供电臂侧变流器x进行电流控制。电流参考值来源于负序与谐波检测输出I_xr(x＝a或b；I_ar代表a相供电臂侧变流器的补偿电流参考值，I_br代表b相供电臂侧变流器的补偿电流参考值)，根据工况判断选择。此电流参考值为供电臂电压等级下的计算值，乘以RPC中降压变压器的变比K_t，得到RPC变流器输出的电流参考值。电流参考值与被控变流器实际输出电流的比较误差，经过滞环比较器产生变流器x开关器件的触发脉冲，使变流器输出电流跟踪补偿电流，达到了负序与谐波综合补偿的目的。

在确定对其中一变流器x采取电流控制的同时，对RPC中连接至没有机车运行的供电臂侧另一变流器y采取直流侧电压控制。直流侧电压控制为带有电流内环的电压反馈控制。直流侧电压参考值与实际检测反馈直流侧电压值的比较误差，经过PI调节器后，与该相电压信号同步的单位余弦信号

(y＝a或b，且y≠x；

)信号相乘，得到变流器输出电流参考值I′_yr(y＝a或b，且y≠x；I′_ar代表a相供电臂侧变流器的补偿电流参考值，I′_br代表b相供电臂侧变流器的补偿电流参考值)。参考电流与变流器输出电流的比较误差，经过滞环比较器产生变流器y开关器件的触发脉冲，变流器输出电流和直流侧电压经反馈形成电压电流双闭环。这样就实现了直流侧电压稳定控制和变流器y的电流控制，使功率由没有电力机车运行的一供电臂向带有电力机车的另一供电臂转移，达到负序补偿和谐波抑制的目的。

下面结合图3对控制方法流程作进一步说明。如图3所示，由检测到的a、b相供电臂的负载电流和a相电压信号，得到a、b相的负序与谐波补偿参考电流I_ar和I_br。根据检测到的a、b相供电臂的负载电流判断出电力机车运行工况，对RPC中连接至有电力机车运行的供电臂侧的变流器x进行电流控制，并选择该相的负序与谐波补偿参考电流计算值作为电流控制的参考电流。确定对变流器x进行电流控制的同时，对另一变流器y进行直流侧电压控制。

由于RPC是通过降压器连接至供电臂，因此需将电流控制的电流参考值进行调整，乘以变压器降压比K_t即得到RPC的实际参考电流。参考电流与变流器x的输出电流的比较误差，经过滞环比较器后得到变流器x的开关器件触发脉冲。从而控制变流器的输出电流，使其跟踪负序与谐波补偿电流参考量，达到负序与谐波补偿的目的。对另一变流器y实行直流侧电压控制。直流侧电压控制为带有电流内环的电压反馈控制。直流侧电压参考值与检测到的直流侧电压反馈值的比较误差，经过PI调节器后，为直流输出。将PI调节器输出量乘以变流器y所在相的电压单位同步信号，即转化为变流器y的输出电流参考值，电流控制采用滞环比较控制，以使变流器y的输出电流跟踪参考量，形成电压电流双闭环控制，达到直流侧电压稳定控制的目的。

因此，通过工况判断分析，对两变流器分别进行电流控制和直流侧电压控制，实现了负序与谐波补偿控制以及直流侧电压稳定，使装置有效、稳定和可靠运行。

Claims (1)

1.一种电气化高速铁路负序与谐波综合补偿系统的控制方法，包括以下步骤：

1)对a相电压进行锁相环检测，产生与a相电压同步的单位余弦信号cosωt和与b相电压同步的单位余弦信号cos(ωt-π/3)，ω为基波角频率；

2)单位余弦信号cosωt与a相负载电流I_aL相乘得到a相的瞬时有功电流，单位余弦信号cos(ωt-π/3)与b相负载电流I_bL相乘得到b相的瞬时有功电流，a相的瞬时有功电流和b相的瞬时有功电流相加得到两相的瞬时有功电流之和；

3)两相的瞬时有功电流之和经过低通滤波器得到其直流分量，其直流分量在数值上等于两相基波有功电流峰值的平均值；

4)经低通滤波得到的直流分量乘以一个系数K，得到两相基波有功电流峰值平均值的调整量，K值由负序补偿指标计算得到，取值在1～2之间，与RPC转移的有功电流大小成线性关系；

5)两相基波有功电流峰值平均值的调整量分别与单位余弦信号cosωt和cos(ωt-π/3)相乘得到两相电流的平均基波有功电流交流量；

6)再将a相负载电流I_aL减去a相电流的平均基波有功电流交流量，b相负载电流I_bL减去b相电流的平均基波有功电流交流量，即得到a、b相负序谐波综合补偿电流参考量值I_ar和I_br；

7)对铁路功率调节器RPC中连接至有机车运行的供电臂侧变流器x进行电流控制，将变流器x所在相负序谐波综合补偿电流参考量值乘以铁路功率调节器RPC中降压变压器的变比K_t，得到铁路功率调节器RPC变流器输出的电流参考值，此电流参考值与被控变流器实际输出电流的比较误差被送到滞环比较器产生变流器x开关器件的触发脉冲，使变流器输出电流跟踪补偿电流；

8)在确定对其中一变流器x采取电流控制的同时，对铁路功率调节器RPC中连接至没有机车运行的供电臂侧另一变流器y采取直流侧电压控制，直流侧电压参考值与检测到的直流侧电压反馈值的比较误差，经过PI调节器后，与变流器y所在相电压信号同步的单位余弦信号

信号相乘，y＝a或b，

得到变流器输出电流参考值I′_yr，电流参考值I′_yr与变流器输出电流的比较误差被送到滞环比较器产生变流器y开关器件的触发脉冲，实现直流侧电压稳定控制和变流器y的电流控制。

Images