CN104078991B - 一种电力机车谐波电流的分相补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力机车谐波电流的分相补偿方法，分相补偿SVG为三单相补偿器首尾接成三角形，三角形的三个顶点并接在三相电网上，针对相电流‑线电流约束关系，增加了平均分配各次谐波最小电流至分相补偿SVG的各相的约束条件。本发明在相电流‑线电流约束关系的基础上，增加了相应的约束条件，提出一种平均分配方法，可以平均分配各次谐波电流至分相补偿SVG的各相，从而较传统的增加“环流为零”为新约束条件的分配方法更加节省分相补偿SVG各相的设备容量。

Description

一种电力机车谐波电流的分相补偿方法

技术领域

本发明涉及一种电力机车谐波电流的分相补偿方法，属于电气化铁道电能质量治理领域。

背景技术

和其他牵引方式相比，电力机车具有提高铁路运输能力、降低运营成本、保护生态环境的优点。随着电气化铁道地迅猛发展，也暴露出了电力机车的相应弊端。尤其，电力机车运行时，对供电系统产生了很大的冲击，恶化了电网的运行条件。目前，电气化铁道所采用的电力机车，主要属于波动性强的单相整流桥负荷，对于三相供电的电力系统来说，将产生三相不平衡的基波电流和三相不平衡的谐波电流。三相不平衡的基波电流将导致电网三相电压不平衡，谐波电流可能引起电压波动，甚至导致系统谐振，损坏电力设备。随着电力机车容量和数量的激增，其所导致的电能质量问题已越来越严重。

目前，针对电力机车的三相不平衡基波电流，多采用基于斯坦梅兹理论的分相补偿SVC或分相补偿SVG；而对于电力机车的谐波电流，则多采用无源滤波器滤波或无源滤波器+有源电力滤波器混合滤波的形式。无源电力滤波器(PPF)是传统的补偿电力系统谐波电流的主要方式，其具有结构简单、运行可靠、成本较低等优点。但无源滤波器的滤波性能受电网参数的影响较大，电网频率偏差、电网阻抗变化、无源滤波器参数改变及老化均可能大幅降低滤波性能。有源无源混合型滤波器包括并联混合型有源滤波器和串联混合型有源滤波器。目前，工程应用较多的是并联混合型有源电力滤波器。并联混合型有源滤波器可以补偿电力机车的三相不平衡电流及谐波电流，但是由于电力机车采用的电压等级为27.5kV，并联混合型有源滤波器由于器件耐压有限，不适合补偿大容量的三相不平衡电流及谐波电流。

发明内容

发明目的：本发明提出一种电力机车谐波电流的分相补偿方法，降低设备的复杂程度，减少设备数量。

技术方案：本发明采用的技术方案为一种电力机车谐波电流的分相补偿方法，分相补偿SVG为三单相补偿器首尾接成三角形，三角形的三个顶点并接在三相电网上，针对相电流-线电流约束关系，增加了平均分配各次谐波最小电流至分相补偿SVG的各相的约束条件。

优选地，所述三单相补偿器为H桥级联直接并至电网或单个H桥通过变压器并至电网。

优选地，该方法包括以下步骤：

1)分相补偿的SVG谐波相电流与线电流满足式(1)所示关系：

$\left(\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}1& 0& -1\\ -1& 1& 0\\ 0& -1& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ab}}\\ i_{\mathrm{bc}}\\ i_{\mathrm{ca}}\end{array}\right)=A\left(\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ab}}\\ i_{\mathrm{bc}}\\ i_{\mathrm{ca}}\end{array}\right)---\left(1\right)$

可知式(1)中detA＝0，已知电力机车谐波电流i_la、i_lb、以及i_lc＝0，分相补偿SVG的谐波线电流i_a＝-i_la、i_b＝-i_lb、i_c＝-i_lc＝0，谐波相电流i_ab、i_bc和i_ca有无数组解，式(1)只有两个约束条件可用；

2)对于第n次谐波电流，n为正整数，平均分配谐波电流至分相补偿SVG的各相，增加约束条件I_abn＝I_bcn＝I_can(I_abn、I_bcn、I_can为分相补偿SVG各相流过n次谐波电流的有效值)，采用上述分配方法可得分相补偿SVG各相的n次谐波电流相量：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{I}}_{\mathrm{abn}}={\stackrel{\→}{I}}_{\mathrm{an}}/2\\ {\stackrel{\→}{I}}_{\mathrm{bcn}}=-{\stackrel{\→}{I}}_{\mathrm{an}}/2={\stackrel{\→}{I}}_{\mathrm{bn}}/2\\ {\stackrel{\→}{I}}_{\mathrm{can}}=-{\stackrel{\→}{I}}_{\mathrm{an}}/2={\stackrel{\→}{I}}_{\mathrm{bn}}/2\end{array}\right.---\left(2\right)$

将各次谐波相电流指令叠加，可以得：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ab}}=\underset{2}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{i}_{\mathrm{an}}/2=i_a/2\\ i_{\mathrm{bc}}=\underset{2}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{i}_{\mathrm{bn}}/2=i_b/2\\ i_{\mathrm{ca}}=\underset{2}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{i}_{\mathrm{bn}}/2=i_b/2\end{array}\right.---\left(3\right)$ ；

3)以“环流为零”为新约束条件的分配方法所增加的约束为：

i_ab+i_bc+i_ca＝0 (4)

式(1)与式(4)联合求解可得该分配方法的分相SVG各相谐波电流指令为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ab}}=\frac{1}{3}{i}_a-\frac{1}{3}{i}_b=\frac{2}{3}{i}_a\\ i_{\mathrm{bc}}=\frac{1}{3}{i}_a+\frac{2}{3}{i}_b=-\frac{1}{3}{i}_a\\ i_{\mathrm{ca}}=-\frac{2}{3}{i}_a-\frac{1}{3}{i}_b=-\frac{1}{3}{i}_a\end{array}\right.---\left(5\right)$

优选地，所述步骤2)中已知分相补偿SVG的n次谐波线电流，在平面xoy内，令相量且A点位于ox轴上，以确定A点。根据相电流与线电流式(1)的约束关系，且P点可以在平面xoy内取任意点。所述步骤2)中线段PO长度为分相补偿SVG的bc相和ca相流过n次谐波电流的有效值，线段PA为分相补偿SVG的ab相流过n次谐波电流的有效值。

有益效果：本发明在相电流-线电流约束关系的基础上，增加了相应的约束条件，提出一种平均分配方法，可以平均分配各次谐波电流至分相补偿SVG的各相，从而较传统的增加“环流为零”为新约束条件的分配方法更加节省分相补偿SVG各相的设备容量。

附图说明

图1为分相补偿SVG补偿电力机车谐波电流示意图；

图2电力机车n次谐波电流转化为分相SVG谐波电流的相量图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，分相补偿的SVG谐波相电流与线电流满足式(1)所示关系：

$\left(\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}1& 0& -1\\ -1& 1& 0\\ 0& -1& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ab}}\\ i_{\mathrm{bc}}\\ i_{\mathrm{ca}}\end{array}\right)=A\left(\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ab}}\\ i_{\mathrm{bc}}\\ i_{\mathrm{ca}}\end{array}\right)---\left(1\right)$

式(1)中detA＝0，已知电力机车谐波电流i_la、i_lb、以及i_lc＝0，分相补偿SVG的谐波线电流i_a＝-i_la、i_b＝-i_lb、i_c＝-i_lc＝0，谐波相电流i_ab、i_bc和i_ca有无数组解，式(1)只有两个约束条件可用。为此，本发明提出一种约束条件，使得在已知电力机车谐波电流时，可以平均分配谐波电流至分相补偿SVG的各相，从而节省分相补偿SVG各相的设备容量。

根据附图2所示，以n次谐波电流为例。已知分相补偿SVG的n次谐波线电流，在平面xoy内，令相量且A点位于ox轴上，以确定A点。根据相电流与线电流式(1)的约束关系， 且P点可以在平面xoy内取任意点。线段PO长度为分相补偿SVG的bc相和ca相流过n次谐波电流的有效值，线段PA为分相补偿SVG的ab相流过n次谐波电流的有效值。为了节省设备容量，平均分配谐波电流至分相补偿SVG的各相，可以增加约束条件I_abn＝I_bcn＝I_can(I_abn、I_bcn、I_can为分相补偿SVG各相流过n次谐波电流的有效值)，即P点位于线段PA的垂直平分线上，进一步，令P点位于线段PA的中点。根据附图2所示相量图，可得采用上述分配方法所得的分相补偿SVG各相的n次谐波电流相量：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{I}}_{\mathrm{abn}}={\stackrel{\→}{I}}_{\mathrm{an}}/2\\ {\stackrel{\→}{I}}_{\mathrm{bcn}}=-{\stackrel{\→}{I}}_{\mathrm{an}}/2={\stackrel{\→}{I}}_{\mathrm{bn}}/2\\ {\stackrel{\→}{I}}_{\mathrm{can}}=-{\stackrel{\→}{I}}_{\mathrm{an}}/2={\stackrel{\→}{I}}_{\mathrm{bn}}/2\end{array}\right.---\left(2\right)$

各次谐波相电流指令叠加，可以得：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ab}}=\underset{2}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{i}_{\mathrm{an}}/2=i_a/2\\ i_{\mathrm{bc}}=\underset{2}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{i}_{\mathrm{bn}}/2=i_b/2\\ i_{\mathrm{ca}}=\underset{2}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{i}_{\mathrm{bn}}/2=i_b/2\end{array}\right.---\left(3\right)$

以“环流为零”为新约束条件的分配方法所增加的约束为：

i_ab+i_bc+i_ca＝0 (4)

式(1)与式(4)联合求解可得该分配方法的分相SVG各相谐波电流指令为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ab}}=\frac{1}{3}{i}_a-\frac{1}{3}{i}_b=\frac{2}{3}{i}_a\\ i_{\mathrm{bc}}=\frac{1}{3}{i}_a+\frac{2}{3}{i}_b=-\frac{1}{3}{i}_a\\ i_{\mathrm{ca}}=-\frac{2}{3}{i}_a-\frac{1}{3}{i}_b=-\frac{1}{3}{i}_a\end{array}\right.---\left(5\right)$

由于分相补偿SVG的容量由其电流有效值最大相决定，故对比式(3)和式(5)可知，本发明所提出的谐波电流平均分配方法较传统的“环流为零”分配方法，补偿谐波电流时，更能节省设备。

Claims (4)

1.一种电力机车谐波电流的分相补偿方法，其特征在于，分相补偿SVG为三单相补偿器首尾接成三角形，三角形的三个顶点并接在三相电网上，针对相电流-线电流约束关系，增加了平均分配各次谐波最小电流至分相补偿SVG的各相的约束条件，所述分相补偿方法包括以下步骤：

1)分相补偿的SVG谐波相电流与线电流满足式(1)所示关系：

$\left(\begin{array}{c}{i}_a\\ i_b\\ i_c\end{array}\right)=\left(\begin{array}{ccc}1& 0& -1\\ -1& 1& 0\\ 0& -1& 1\end{array}\right)\left(\begin{array}{c}{i}_{ab}\\ i_{bc}\\ i_{ca}\end{array}\right)=A\left(\begin{array}{c}{i}_{ab}\\ i_{bc}\\ i_{ca}\end{array}\right)---\left(1\right)$

可知式(1)中detA＝0，已知电力机车谐波电流i_la、i_lb、以及i_lc＝0，分相补偿SVG的谐波线电流i_a＝-i_la、i_b＝-i_lb、i_c＝-i_lc＝0，谐波相电流i_ab、i_bc和i_ca有无数组解，式(1)只有两个约束条件可用；

2)对于第n次谐波电流，n为正整数，平均分配谐波电流至分相补偿SVG的各相，增加约束条件I_abn＝I_bcn＝I_can，I_abn、I_bcn、I_can为分相补偿SVG各相流过n次谐波电流的有效值，采用上述分配方法可得分相补偿SVG各相的n次谐波电流相量：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\→}{I}}_{abn}={\stackrel{\→}{I}}_{an}/2\\ {\stackrel{\→}{I}}_{bcn}=-{\stackrel{\→}{I}}_{an}/2={\stackrel{\→}{I}}_{bn}/2\\ {\stackrel{\→}{I}}_{can}=-{\stackrel{\→}{I}}_{an}/2={\stackrel{\→}{I}}_{bn}/2\end{array}\right.---\left(2\right)$

将各次谐波相电流指令叠加，可以得：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{ab}=\underset{2}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{i}_{an}/2=i_a/2\\ i_{bc}=\underset{2}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{i}_{bn}/2=i_b/2\\ i_{ca}=\underset{2}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{i}_{bn}/2=i_b/2\end{array}\right.---\left(3\right)$ ；

3)以“环流为零”为新约束条件的分配方法所增加的约束为：

i_ab+i_bc+i_ca＝0 (4)

式(1)与式(4)联合求解可得该分配方法的分相SVG各相谐波电流指令为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{ab}=\frac{1}{3}{i}_a-\frac{1}{3}{i}_b=\frac{2}{3}{i}_a\\ i_{bc}=\frac{1}{3}{i}_a+\frac{2}{3}{i}_b=-\frac{1}{3}{i}_a\\ i_{ca}=-\frac{2}{3}{i}_a-\frac{1}{3}{i}_b=-\frac{1}{3}{i}_a\end{array}\right.---\left(5\right)$ 。

2.根据权利要求1所述的电力机车谐波电流的分相补偿方法，其特征在于，所述三单相补偿器为H桥级联直接并至电网或单个H桥通过变压器并至电网。

3.根据权利要求1所述的电力机车谐波电流的分相补偿方法，其特征在于，所述步骤2)中已知分相补偿SVG的n次谐波线电流，在平面xoy内，令相量且A点位于ox轴上，以确定A点；根据相电流与线电流式(1)的约束关系， 且P点在平面xoy内取任意点。

4.根据权利要求3所述的电力机车谐波电流的分相补偿方法，其特征在于，所述步骤2)中线段PO长度为分相补偿SVG的bc相和ca相流过n次谐波电流的有效值，线段PA为分相补偿SVG的ab相流过n次谐波电流的有效值。