CN103023043A - 电气化铁路牵引侧两相statcom治理装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电气化铁路牵引侧两相STATCOM治理装置及其控制方法，所述装置并联安装于牵引变压器二次侧的两相供电臂，包括变换器设备和控制系统，所述换流器设备包括两个背靠背结构形式的单相全桥逆变器，通过对共用直流侧电容电压的控制，实现两供电臂之间有功功率的转移，平衡两相负荷；还包括两组无源滤波器，用于补偿谐波和无功功率。所述控制系统包括数据采集系统、主控制系统、PWM信号生成系统和晶闸管驱动系统。本发明由于安装在低压侧，使该装置的容量需求减小、成本降低、可靠性增大。

Description

电气化铁路牵引侧两相STATCOM治理装置及其控制方法

技术领域

本发明属于电力系统电能质量控制及治理技术领域，特别涉及一种基于静止无功发生器的电能质量综合治理装置及其控制方法。

背景技术

铁路作为国民经济的大动脉、国家重要基础设施和大众化的交通工具，在我国经济社会发展的各项事业中发挥着不可替代的作用。而随着电气化铁路快速发展，高速铁路时代的来临势必会对电力系统的运行会产生不良的影响。电气化铁路牵引负荷是移动、幅值变化大而又频繁的特殊负荷，它是一个典型的日波动负荷，具有短时冲击性和不平衡特性，由于其向电网注入大量负序电流并引起三相电流严重不平衡，这将使电厂发电机和供电系统内的电动机无法正常工作；同时，又含有丰富的谐波，不仅危害牵引供电系统的安全运行，使通讯线路受到大量干扰，而且注入到上一级电网，将造成电能质量大面积恶化，是对电网影响较大的电能质量污染电流源。牵引机车在运行过程中将对电力系统造成电能质量影响以及在启动或极端运行过程中对电力系统冲击。因而，对电气化铁路电能质量问题加以监测、限制和治理已经成为迫切任务。

目前，对电力系统的谐波抑制、负序电流补偿、无功补偿都是单独进行的。由于没有按照统一的物理模型进行综合治理，常出现顾此失彼的情况，造成经济成本增加，安装及维护工作量大等缺点，妨碍了电力系统电能质量治理的有效和顺利进行。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种成本低、安装及维护方便的电气化铁路电能质量治理装置及其控制方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

一种电气化铁路牵引侧两相STATCOM（静止同步补偿器Static SynchronousCompensator,简称STATCOM）治理装置，其特征在于，包括变换器设备和控制系统，所述换流器设备包括两个电压源型变流器，通过共用直流侧电容形成背靠背结构，两个变流器交流侧通过电抗器和变压器分别并联接入牵引变压器二次侧两相供电臂；还包括两组无源滤波器，分别并联于牵引变压器二次侧两相供电臂，所述控制系统包括数据采集系统、主控制系统、PWM信号生成系统和晶闸管驱动系统。

进一步地，所述电压源型变流器采用单相全桥逆变器，由4个晶闸管开关组成，晶闸管开关由晶闸管和二极管反并联而成，晶闸管开关组与晶闸管驱动电路相连。

进一步地，在两个电压源型变流器中，功率模块采用基于IGBT的标准功率模块，单模块每组容量0.6MVA；中间稳压电容幅值为30mF，电压设定为3kV。

相应地，本发明还提供了一种与上述治理装置相应的控制方法，包括下列步骤：

1)将安装在牵引供电臂上的电压互感器和电流互感器输出的电压信号、电流信号分别经电压变送器、电流变送器转换为弱电压信号、弱电流信号，所有电压信号和电流信号均同步采集；

2)两供电臂电流i_α、i_β正交，电压U_α、U_β正交，运用基于瞬时无功理论得出两相谐波和无功电流，其中有功电流i_p=i_αsin(wt)-i_βcos(wt)，无功电流i_q=-i_αcos(wt)-i_βsin(wt)（w是角频率，t是时间），经过低通滤波器，得到i_p、i_q的直流分量，然后经过反变换，得到供电臂电流的基波分量i_αf、i_βf，两供电臂的补偿电流分别为i_αc=i_α-i_αf、i_βc=i_β-i_βf；

3)U_cr为直流电压U_c的给定值，U_cf为直流电压U_c的反馈值，给定值U_cr与反馈值U_cf之差经过PI调节器后得到调节信号Δi，将调节信号Δi叠加到瞬时有功电流的直流分量上，补偿电流发生电路产生补偿电流注入电网，使有源电力滤波器的补偿电流包含基波有功电流分量，从而使有源电力滤波器的直流侧与交流侧交换能量，将直流电压U_c调至给定值；

4)在已知补偿电流的指令信号i_c*后，将指令信号i_c*与实际的补偿电流信号i_c进行比较，两者的差值作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路中开关通断的PWM信号，所述PWM信号经驱动电路来控制电力半导体开关器件的通断，从而使补偿电流信号i_c跟踪指令信号i_c*变化；

5)根据步骤1）至步骤4），使牵引变压器低压侧母线出口处的电流对称，从而使系统侧不含负序电流分量；

6)重复以上步骤，跟踪负荷的变化，实现实时动态补偿。

有益效果：从对牵引负荷特性及新的治理理论出发，将谐波、负序和无功的治理集于一身，提出了综合治理的补偿目标，克服了传统补偿装置各自独立，相互干扰的缺点；与传统的系统侧三相治理装置相比，本装置安装在牵引侧，对牵引负荷进行就地治理，补偿效果更明显；补偿过程中不增加任何新的畸变分量；补偿装置控制策略新颖，稳定性高，效果好；改善了系统的运行安全和经济效益，提高了电能质量治理的有效性，降低了治理成本和运行维护工作量。

附图说明

图1为电气化铁路牵引侧两相STATCOM治理装置的结构图；

图2为电气化铁路牵引侧两相STATCOM治理装置的控制原理图；

图3为电流滞环跟踪控制原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明作进一步说明。

如图1所示，系统侧电压等级为110kV，最小短路容量为450MVA。采用V/v接线牵引变压器110/27.5kV，阻抗电压为8.4%，安装容量为2×40MVA。左右两供电臂上各有一列机车受电运行。因为两供电臂负荷严重不平衡，如果不投入电能质量治理装置，在系统侧将会产生高幅值的负序电流，严重影响系统安全运行。

在牵引变二次侧两相供电臂之间安装STATCOM装置，包括变换器设备和控制系统两部分。换流器设备包括两个电压源型变流器，通过共用直流侧电容形成背靠背结构，两个变流器交流侧通过27.5kV/2.75kV单相变压器分别并联接入牵引变压器二次侧两相供电臂。电压源型变流器采用单相全桥逆变器，由4个晶闸管开关组成，晶闸管开关由晶闸管和二极管反并联而成，晶闸管开关组与晶闸管驱动电路相连。还包括两组无源滤波器，分别并联于牵引变压器二次侧两相供电臂。在两个单相全桥逆变器中，功率模块采用基于IGBT的标准功率模块，单模块每组容量0.6MVA；中间稳压电容幅值为30mF，电压设定为3kV。控制系统包括数据采集系统、主控制系统、PWM信号生成系统和晶闸管驱动系统。

如图2所示，上述装置的控制原理包括电流检测环节和电流滞环比较控制环节。将安装在牵引供电臂上的电压互感器和电流互感器输出的电压、电流信号分别经电压变送器、电流变送器转换为弱电压信号、弱电流信号；所有电压和电流信号均同步采集。由于两供电臂电流i_α、i_β和电压U_α、U_β分别正交，采用基于瞬时无功理论的i_p-i_q检测法计算无功补偿量。得有功电流i_p=i_αsin(wt)-i_βcos(wt)，无功电流i_q=-i_αcos(wt)-i_βsin(wt)（w是角频率，t是时间），经过低通滤波器，得到i_p、i_q的直流分量，而后经过反变换，得到i_αf、i_βf。所以，两供电臂的补偿电流分别为i_αc=i_α-i_αf、i_βc=i_β-i_βf。对于直流电压U_c的控制，如图2所示结合补偿电流发生电路实现。图中，U_cr为U_c的给定值，U_cf为U_c的反馈值，两者之差经过PI调节器后得到调节信号Δi，将其叠加到瞬时有功电流的直流分量上，补偿电流发生电路产生补偿电流注入电网，使有源电力滤波器的补偿电流包含基波有功电流分量，从而使有源电力滤波器的直流侧与交流侧交换能量，将U_c调至给定值。

如图3所示，运用滞环比较原理实现对补偿电流跟踪控制。在已知补偿电流的指令信号i_c*后，将其与实际的补偿电流信号i_c进行比较，两者的差值作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路中开关通断的PWM信号，该PWM信号经驱动电路来控制电力半导体开关器件的通断，从而使补偿电流i_c跟踪i_c*变化。

根据以上步骤，可使牵引变压器低压侧母线出口处的电流对称，从而使系统侧不含负序电流分量。跟踪负荷的变化，可以实现实时动态补偿。

以上已以较佳实施例公开了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采用等同替换或者等效变换方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电气化铁路牵引侧两相STATCOM治理装置，其特征在于，包括变换器设备和控制系统，所述换流器设备包括两个电压源型变流器，通过共用直流侧电容形成背靠背结构，两个变流器交流侧通过电抗器和变压器分别并联接入牵引变压器二次侧两相供电臂；还包括两组无源滤波器，分别并联于牵引变压器二次侧两相供电臂。

2.根据权利要求1所述的电气化铁路牵引侧两相STATCOM治理装置，其特征在于：所述控制系统包括数据采集系统、主控制系统、PWM信号生成系统和晶闸管驱动系统。

3.根据权利要求2所述的电气化铁路牵引侧两相STATCOM治理装置，其特征在于：所述电压源型变流器采用单相全桥逆变器，由4个晶闸管开关组成，晶闸管开关由晶闸管和二极管反并联而成，晶闸管开关组与晶闸管驱动电路相连。

4.根据权利要求1或2所述的电气化铁路牵引侧两相STATCOM治理装置，其特征在于：在两个电压源型变流器中，功率模块采用基于IGBT的标准功率模块，单模块每组容量0.6MVA；中间稳压电容幅值为30mF，电压设定为3kV。

5.一种电气化铁路牵引侧两相STATCOM治理装置的控制方法，其特征在于，包括下列步骤：

1)将安装在牵引供电臂上的电压互感器和电流互感器输出的电压信号、电流信号分别经电压变送器、电流变送器转换为弱电压信号、弱电流信号，所有电压信号和电流信号均同步采集；

2)两供电臂电流i_α、i_β正交，电压U_α、U_β正交，运用基于瞬时无功理论得出两相谐波和无功电流，其中有功电流i_p=i_αsin(wt)-i_βcos(wt)，无功电流i_q=-i_αcos(wt)-i_βsin(wt)，w是角频率，t是时间，经过低通滤波器，得到i_p、i_q的直流分量，然后经过反变换，得到供电臂电流的基波分量i_αf、i_βf，两供电臂的补偿电流分别为i_αc=i_α-i_αf、i_βc=i_β-i_βf；

3)U_cr为直流电压U_c的给定值，U_cf为直流电压U_c的反馈值，给定值U_cr与反馈值U_cf之差经过PI调节器后得到调节信号Δi，将调节信号Δi叠加到瞬时有功电流的直流分量上，补偿电流发生电路产生补偿电流注入电网，使有源电力滤波器的补偿电流包含基波有功电流分量，从而使有源电力滤波器的直流侧与交流侧交换能量，将直流电压U_c调至给定值；

4)在已知补偿电流的指令信号i_c*后，将指令信号i_c*与实际的补偿电流信号i_c进行比较，两者的差值作为滞环比较器的输入，通过滞环比较器产生控制主电路中开关通断的PWM信号，所述PWM信号经驱动电路来控制电力半导体开关器件的通断，从而使补偿电流信号i_c跟踪指令信号i_c*变化；

5)根据步骤1）至步骤4），使牵引变压器低压侧母线出口处的电流对称，从而使系统侧不含负序电流分量；

6)重复以上步骤，跟踪负荷的变化，实现实时动态补偿。

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