CN103683305B - 一种增强型铁路功率调节装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种增强型铁路功率调节装置，包括VSC₁、VSC₂、电容器和增强型控制器，适用于采用SCOTT变压器的牵引变电所，通过直接采集SCOTT变压器高压侧的电气量，根据解耦原理对注入电网的负序电流和无功功率进行闭环综合补偿，VSC₁、VSC₂的交流侧接在SCOTT变压器的两个低压端，通过直流回路传递有功功率，并且分别对各自的无功功率进行调节，使得高压侧注入电网的负序电流为零并提高功率因数。本发明相较于现有采用间接控制方式的铁路功率调节装置，补偿效果更优，随着我国电气化铁路、高铁、城市地铁等项目的快速发展，将拥有广阔的应用前景。

Description

一种增强型铁路功率调节装置

技术领域

本发明属于电力电子技术应用于电网的电能质量治理领域，涉及一种牵引变电所的负序和无功治理装置，适用于采用SCOTT变压器的牵引变电所，以牵引变电所电网侧(高压侧)的实测电气量为状态反馈量，进行闭环直接控制，是一种增强型铁路功率调节装置(ERPC，EnhancedRailwayPowerConditioner)。

背景技术

传统铁路功率调节装置(RPC，RailwayPowerConditioner)的负序和无功功率补偿控制策略为：在SCOTT变压器(平衡型牵引变压器)的两个低压侧，分别进行无功功率补偿，并进行有功功率的交换。其控制目标是使得两个低压侧所接的等效负载相等，并且功率因数接近1。由于SCOTT变压器的特性，当低压侧负载相等时，理论上高压侧注入电网的负序电流为0；而低压侧功率因数接近1时，高压侧从电网吸收的无功也近似为0。

但是这样的控制系统是一种非直接闭环控制的结构，实际运行效果会受到很多不确定因素的干扰。例如，变压器本身的制造工艺使得两个低压绕组的参数不完全一致，变压器自身需要消耗一定的无功，两个单相VSC的特性也不完全对称等。因而补偿效果并不理想，最终注入高压侧电网的电流仍包含负序分量，高压侧的功率因数也达不到1。

发明内容

发明目的：为了提高铁路功率调节装置运行稳定性和功率的补偿效果，本发明提出一种增强型铁路功率调节装置。

技术方案：为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种增强型铁路功率调节装置，包括VSC₁、VSC₂、电容器和增强型控制器；所述VSC₁、VSC₂、电容器的连接与常规铁路功率调节装置相同，所述增强型控制器的输入环节既与SCOTT变压器的高压侧相连也与SCOTT变压器的低压侧相连，具体连接方式为：与装置相关联的SCOTT变压器将三相交流电变成两组隔离的单相交流电，输出端为T端和M端，牵引负荷接在T端和M端；所述VSC₁、VSC₂的交流端分别接在T端和M端，直流侧背靠背连接在一起，所述电容器并联在VSC₁、VSC₂直流侧之间；所述增强型控制器的输入环节与SCOTT变压器的高压侧、SCOTT变压器的低压侧、电容器分别相连，增强型控制器的输出环节与VSC₁、VSC₂分别相连。

进一步地，所述增强型控制器包括输入环节、输出环节、控制环节和人机界面子系统，其中：

所述输入环节包括高压交流互感器、低压交流互感器、直流电压传感器和输入信号处理单元；高压交流互感器接在SCOTT变压器的高压侧，低压交流互感器接在SCOTT变压器的低压侧，直流电压传感器接电容器的两端，高压交流互感器、低压交流互感器、直流电压传感器的采样信号实时传输到输入信号处理单元，输入信号处理单元进行高压侧负序电流和无功电流的实时分解计算，得到电网注入点的正序有功电流、正序无功电流、负序有功电流、负序无功电流四组电流分量；

所述控制环节包括VSC₁控制模块和VSC₂控制模块组成，通过对T端和M端之间有功功率的交换，以及T端和M端各自输出无功功率的控制，产生作用于VSC₁、VSC₂的控制信号；

所述输出环节包括PWM生成电路和驱动放大电路，PWM生成电路将控制信号调制成PWM控制脉冲，驱动放大电路将PWM控制脉冲放大后驱动VSC₁、VSC₂的电力电子开关器件；

所述人机界面子系统与增强型控制器相连，用于显示和设定运行参数。

进一步地，增强型控制器实时采集SCOTT变压器高压侧三相电流电压、低压侧单相电压和电容器两侧电压，采用闭环控制，直接以SCOTT变压器高压侧的实测电气量作为状态反馈量，并对高压侧注入电网的三相电流进行分解，得到电网注入点的正序有功电流、正序无功电流、负序有功电流、负序无功电流四个电流分量，然后根据解耦原则对注入电网的无功和负序分量进行综合补偿控制，即背靠背设置的VSC₁、VSC₂通过直流回路传递有功功率，并且各自对交流侧的无功功率进行调节，可达到更为精确的控制目的，使得高压侧注入电网的负序电流为零并提高功率因数。

由于SCOTT变压器的特定结构，不存在零序有功电流和零序无功电流分量。对于上述可能存在的四组电流分量，其中：正序有功电流是不需要进行补偿的；负序有功电流需要优先补偿到零；正序无功电流和负序无功电流需要尽量补偿到零。通常负序无功电流较正序无功电流小，因此进行无功补偿时，可对负序无功电流优先补偿。

所述VSC₁控制模块用于控制高压侧负序有功电流分量为零，优先补偿负序无功电流为零；VSC₂控制模块用于控制直流侧电压为恒定；VSC₁与VSC₂控制模块配合补偿正序无功电流为零。

本发明可以带来的有益效果如下：

(1)通过分别调整SCOTT变压器负荷侧两个桥臂上VSC₁、VSC₂的交流输出，补偿牵引机车消耗的无功功率和调配两个桥臂的不平衡有功功率，最终达到更直接有效的降低高压侧负序电流和提高高压侧功率因素的目的，此特点与RPC一致，故可以在RPC原有基础设施上进行改造升级，便于推广应用。

(2)通过实时采集变压器高压侧的电气量作为反馈量，能够消除系统以及SCOTT变压器自身一些不可忽略的不平衡因素造成的负序问题，相对已有的RPC，可以实现更优的负序补偿效果，理论上能够实现高压侧负序电流为零。

(3)通过将高压侧的电气量分解，计算出当前系统的无功缺额和负序电流，有选择、有针对的对负序和无功进行治理，从而可以更精细的根据补偿容量进行相应的综合补偿，对容量的配置以及利用更加的合理。

综上所述，本发明拥有功率因素高，负序补偿效果直接、精确的特点；随着我国电气化铁路、高铁、城市地铁等项目的快速发展，特别是对负序、无功功率要求高的区域，将拥有广阔的应用价值和前景。

附图说明

图1是本发明的系统结构示意图；

图2是本发明中增强型控制器的系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的系统结构和工作原理进行详细的说明。

如图1所示的增强型铁路功率调节装置，包括VSC₁、VSC₂、电容器和增强型控制器；与本装置相关联的SCOTT变压器将三相交流电变成两组隔离的单相交流电，输出端为T端和M端，牵引负荷接在T端和M端；VSC₁、VSC₂的交流端分别并联在T端和M端，直流侧背靠背连接在一起，电容器并联在VSC₁、VSC₂直流侧之间；增强型控制器的输入环节与SCOTT变压器的高压侧、SCOTT变压器的低压侧、电容器分别相连，增强型控制器的输出环节与VSC₁、VSC₂分别相连。

增强型控制器包括输入环节、控制环节、输出环节和人机界面子系统。输入环节包括高压交流互感器HT、低压交流互感器LT、直流电压传感器DCPT和输入信号处理单元。高压交流互感器HT和低压交流互感器LT分别安置在SCOTT变压器的高压侧和低压侧，直流电压传感器DCPT接电容器的两端。从SCOTT变压器的高压侧、低压侧以及直流电容器两端，分别采集高压侧三相电流和电压、低压侧单相电压以及直流侧电压信息。采样信号实时传输到输入信号处理单元，输入信号处理单元主要进行高压侧负序电流和无功电流的实时分解计算。控制环节通过对T端和M端之间有功功率的交换，以及T端和M端各自输出无功功率的控制，产生作用于VSC₁、VSC₂的控制信号。输出环节将控制信号经调制生成PWM控制脉冲，并放大后驱动VSC₁、VSC₂的电力电子开关器件。人机界面子系统连接增强型控制器的主板，可以完成运行参数显示、运行参数设定等功能。

如图2所示增强型控制器的详细结构图，图中HT从SCOTT变压器高压侧测量的三相电流信号I_A、I_B和I_C以及三相电压信号U_A、U_B和U_C；LT从SCOTT变压器的T端测量其电压值U_T；DCPT测量电容器两端电压值U_dc。测量值传输到输入信号处理单元，实时计算出其正序电流和负序电流的有功分量I_1P、I_2P和无功分量I_1Q、I_2Q，然后传输给控制环节。

控制环节主要由VSC₁控制模块和VSC₂控制模块组成。

VSC₁控制模块又包括T端负序电流补偿控制单元、T端无功电流控制单元。T端负序电流补偿控制单元外环以I_2P为控制量，并设定其目标值为零，从而通过有功量补偿高压侧的负序电流。T端无功电流控制单元外环以为控制量，并设定其目标值为零，从而综合补偿了高压侧电流的无功分量，与M端补偿配合可提高变压器高压侧的功率因数。

VSC₂控制模块又包括M端直流母线电压控制单元和M端无功电流控制单元。M端直流母线电压控制单元外环以VSC₁、VSC₂之间的直流电压U_dc为控制量，并设定其目标值为U_{dc_ref}，从而维持了直流电压稳定。M端无功电流控制单元外环以为控制量，并设定其目标值为零，与T端补偿配合可提高变压器高压侧的功率因数。

VSC₁控制模块经外环PI调节并分别叠加和产生和VSC₂控制模块经外环PI调节并分别叠加和产生和 和分别再经内环环节，生成控制信号作用于输出环节。

输出环节包括PWM生成电路和驱动放大电路，PWM生成电路将控制信号经调制生成PWM控制脉冲，而驱动放大电路将PWM控制脉冲放大后产生PWM1和PWM2分别驱动VSC₁、VSC₂的电力电子开关器件。

增强型控制器的理论推导过程如下：

假设SCOTT牵引变压器高压侧的电压是三相对称的，其原边、副边电流电压关系：

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_A\\ {\stackrel{\·}{I}}_B\\ {\stackrel{\·}{I}}_C\end{array}\right]=\frac{1}{K}\left[\begin{array}{cc}\frac{2}{\sqrt{3}}& 0\\ -\frac{1}{\sqrt{3}}& 1\\ -\frac{1}{\sqrt{3}}& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_T\\ {\stackrel{\·}{I}}_M\end{array}\right]---\left(1\right)$

$\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_T\\ {\stackrel{\·}{U}}_M\end{array}\right]=\frac{1}{K}\left[\begin{array}{ccc}\frac{2}{\sqrt{3}}& -\frac{1}{\sqrt{3}}& -\frac{1}{\sqrt{3}}\\ 0& 1& -1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{U}}_A\\ {\stackrel{\·}{U}}_B\\ {\stackrel{\·}{U}}_C\end{array}\right]---\left(2\right)$

以SCOTT变压器的原边A相的电压为基准，即则 且 $U_M=U_T=\sqrt{3}{U}_A/K.$ 其中和分别为T端和M端的阻抗角。

根据对称分量法，可得到变压器高压侧正序、负序电流为：

${\stackrel{\·}{I}}_1=\frac{1}{3}({\stackrel{\·}{I}}_A+a{\stackrel{\·}{I}}_B+a^2{\stackrel{\·}{I}}_C)=\frac{1}{\sqrt{3}K}({\stackrel{\·}{I}}_T+j{\stackrel{\·}{I}}_M)---\left(3\right)$

${\stackrel{\·}{I}}_2=\frac{1}{3}({\stackrel{\·}{I}}_A+a^2{\stackrel{\·}{I}}_B+a{\stackrel{\·}{I}}_C)=\frac{1}{\sqrt{3}K}({\stackrel{\·}{I}}_T-j{\stackrel{\·}{I}}_M)---\left(4\right)$

假设SCOTT牵引变压器T端和M端负载分别为P_T+jQ_T和P_M+jQ_M，则可以得到T端和M端的电流分别为：

${\stackrel{\·}{I}}_T={\left[\frac{P_T+j{Q}_T}{{\stackrel{\·}{U}}_T}\right]}^{*}---\left(5\right)$

${\stackrel{\·}{I}}_M={\left[\frac{P_M+j{Q}_M}{{\stackrel{\·}{U}}_M}\right]}^{*}---\left(6\right)$

同时以牵引变压器T端电压为基准，即U_M＝U_T＝1。将公式(5)和(6)带入到公式(3)和(4)，可得：

${\stackrel{\·}{I}}_1=\frac{1}{\sqrt{3}K}[(P_T+P_M)-j(Q_T+Q_M)]---\left(7\right)$

${\stackrel{\·}{I}}_2=\frac{1}{\sqrt{3}K}[(P_T-P_M)-j(Q_T-Q_M)]---\left(8\right)$

由公式(7)和(8)可以看出理想状态下SCOTT牵引变压器高压侧的负序电流与低压侧供电端的T臂和M臂的功率关系。若要使得高压侧负序电流为0，即要求SCOTT变压器两供电臂的负载的无功和有功均相同。由此，SCOTT变压器高压侧的正序、负序电流可以分别分解为有功分量和无功分量，两者均相互垂直。

${\stackrel{\·}{I}}_1=\frac{1}{\sqrt{3}K}(I_{1P}-j{I}_{1Q})---\left(9\right)$

${\stackrel{\·}{I}}_2=\frac{1}{\sqrt{3}K}(I_{2P}-j{I}_{2Q})---\left(10\right)$

其中

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{1P}=(P_T+P_M);I_{1Q}=(Q_T+Q_M)\\ I_{2P}=(P_T-P_M);I_{2Q}=(Q_T-Q_M)\end{array}\right.---\left(11\right)$

由公式(9)、(10)和(11)可以看出，针对SCOTT变压器，其高压侧电流可以分解为以下几个分量：正序有功电流I_1P，正序无功电流I_1Q，负序有功电流I_2P，以及负序无功电流I_2Q。

显然I_1P无需补偿，因此对补偿负序电流而言，需要首先补偿I_2P为零。而无功补偿时可分为两部分：对I_2Q进行补偿，其目的是补偿负序电流，兼顾提高功率因数；在完成负序补偿的基础上对I_1P进行补偿，其目的是为了提高功率因数。

牵引供电系统在正常运行时，SCOTT变压器负荷侧的两个桥臂上所运行的牵引电力机车运行个数和运行工况各异，导致SCOTT变压器高压侧对电力系统产生时变的负序电流和无功缺额。根据本发明的技术方案能够实时的采集SCOTT变压器高压侧的电流，计算出当前系统的无功缺额和负序电流，根据补偿容量和高压侧电流分量状态，制定相应更直接、精细、有选择的补偿方案，通过分别调整SCOTT变压器负荷侧两个桥臂上VSC₁、VSC₂的交流输出，从而补偿牵引机车消耗的无功功率和调配两个桥臂的不平衡有功功率，最终达到更直接有效的降低高压侧负序电流和提高高压侧功率因素的目的。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种增强型铁路功率调节装置，其特征在于：包括VSC1、VSC2、电容器和增强型控制器；所述增强型控制器的输入环节既与SCOTT变压器的高压侧相连也与SCOTT变压器的低压侧相连，所述增强型控制器进行高压侧负序电流和无功电流的实时分解计算，产生作用于VSC₁、VSC₂的控制信号；所述增强型控制器实时采集SCOTT变压器高压侧的三相电流电压、低压侧单相电压和电容器两侧电压；采用闭环控制，直接以SCOTT变压器高压侧的实测电气量作为状态反馈量，并对高压侧注入电网的三相电流进行分解，得到电网注入点的正序有功电流、正序无功电流、负序有功电流、负序无功电流四个电流分量，然后对注入电网的无功和负序分量进行综合补偿；所述增强型控制器包括输入环节、输出环节、控制环节和人机界面子系统；所述输入环节包括HT、LT、DCPT和输入信号处理单元；HT接在SCOTT变压器的高压侧，LT接在SCOTT变压器的低压侧，DCPT接电容器的两端，HT、LT、DCPT的采样信号实时传输到输入信号处理单元，输入信号处理单元进行高压侧负序电流和无功电流的实时分解计算，得到电网注入点的正序有功电流、正序无功电流、负序有功电流、负序无功电流四组电流分量；

所述控制环节包括VSC₁控制模块和VSC₂控制模块组成，通过对T端和M端之间有功功率的交换，以及T端和M端各自输出无功功率的控制，产生作用于VSC₁、VSC₂的控制信号；

所述输出环节包括PWM生成电路和驱动放大电路，PWM生成电路将控制信号调制成PWM控制脉冲，驱动放大电路将PWM控制脉冲放大后驱动VSC₁、VSC₂的电力电子开关器件；

所述人机界面子系统与增强型控制器相连，用于显示和设定运行参数。

2.根据权利要求1所述的增强型铁路功率调节装置，其特征在于：所述增强型控制器对注入电网的无功和负序进行的综合补偿，包括负序有功电流需要优先补偿到零且功率因数最高，正序无功电流和负序无功电流需要尽量补偿到零。

3.根据权利要求1所述的增强型铁路功率调节装置，其特征在于：所述VSC₁控制模块用于控制高压侧负序有功电流分量为零，优先补偿负序无功电流为零；VSC₂控制模块用于控制直流侧电压为恒定；VSC₁与VSC₂控制模块配合补偿正序无功电流为零。