CN104410073B - 同相供电系统电能质量混合补偿系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种同相供电系统电能质量混合补偿系统及方法，该系统包括混合电能质量调节器、两个磁控静止无功补偿器和V/V牵引变压器；V/V牵引变压器由两个单相变压器接成V/V型，其原边连接三相公共电网，其副边两个输出端为牵引供电臂；混合电能质量调节器和两个磁控静止无功补偿器分别与牵引供电臂连接。本发明通过磁控性静止无功补偿器和混合电能质量调节器混合补偿，综合解决了牵引供电系统中的无功、负序不平衡和谐波问题，并可效降低了混合电能质量调节器的补偿容量和变流器直流侧电压。

Description

同相供电系统电能质量混合补偿系统及方法

技术领域

本发明属于同相牵引供电系统电能质量补偿技术领域，特别涉及一种同相供电系统电能质量混合补偿系统及方法。

背景技术

电气化铁路牵引负荷具有非线性、功率因数低和三相不平衡的特点，会产生谐波、无功和负序等电能质量问题。近些年随着电力机车不断提速，常规牵引供电系统存在的过分相问题日益明显，过分相不仅会造成列车速度下降，旅客感觉不适，还需要加装复杂的自动控制设备。

为了解决这个问题，提出了同相牵引供电系统。同相牵引供电系统不仅将分区亭的数目减少一半，而剩下的分区亭也可以由分相器代替。由于相邻供电区间的电压差很小，因此对分相器的绝缘要求不高。分区亭数量的减少和绝缘要求的降低有利于列车的连续受流，提高列车运行速度。但是由于在同相牵引供电系统中，单个牵引变供电范围内只有单相进行供电，因此不平衡问题较以往更为严重，因此需要加装补偿设备进行补偿。

目前已有的补偿设备主要有两种结构，一种称为有源功率调节器(ActivePowerConditioner，APC)，这种补偿方式所需要的补偿容量很大，限制了其广泛应用。另一种称为混合电能质量调节器(HybridPowerQualityConditioner，HPQC)，这种补偿器在一定程度上减小了有源补偿设备的补偿容量，但是并不能满足在任何负荷下保持补偿容量最小。

发明内容

针对传统混合电能质量调节器补偿容量不能随负荷变化保持输出功率最小的问题，本发明结合混合电能质量调节器(HPQC)和磁控性静止无功补偿器(MSVC)，提出了一种同相供电系统电能质量混合补偿系统及方法，通过控制MSVC的补偿容量，使得HPQC的输出基波功率为纯有功功率，实现HPQC输出基波功率最小。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一、一种同相供电系统电能质量混合补偿系统，包括混合电能质量调节器、两个磁控静止无功补偿器和V/V牵引变压器；V/V牵引变压器由两个单相变压器接成V/V型，其原边连接三相公共电网，其副边两个输出端为牵引供电臂；混合电能质量调节器和两个磁控静止无功补偿器分别与牵引供电臂连接。

上述混合电能质量调节器包括两个共用直流侧的H桥变流器，两个H桥变流器通过公用直流电容器背靠背连接，两个H桥变流器的输出端分别串联LC支路、电感支路后通过降压变压器并联到牵引供电臂。

根据以下相序关系确定V/V牵引变压器的负荷牵引供电臂：

(1)若公共连接端连接c相，则ac侧的牵引供电臂为负荷牵引供电臂，bc侧的牵引供电臂为非负荷牵引供电臂；

(2)若公共连接端连接b相，则bc侧的牵引供电臂为负荷牵引供电臂，ab侧的牵引供电臂为非负荷牵引供电臂；

(3)若公共连接端连接a相，则ab侧的牵引供电臂为负荷牵引供电臂，ca侧的牵引供电臂为非负荷牵引供电臂。

混合电能质量调节器中，与V/V牵引变压器负荷牵引供电臂并联的H桥变流器输出端串联LC支路，与V/V牵引变压器非负荷牵引供电臂并联的H桥变流器输出端串联电感支路。

V/V牵引变压器由两个单相变压器连接构成，两个单相变压器的相连端即公共连接端，公共连接端在V/V牵引变压器低压侧，连接铁轨。混合电能质量调节器和磁控静止无功补偿器分别连接V/V牵引变压器副边输出端和公共连接端间，机车负荷连接在V/V牵引变压器副边的其中一个输出端和公共连接端间

上述磁控静止无功补偿器包括并联的磁控电抗器和三次单调谐滤波支路，两个磁控静止无功补偿器分别连接V/V牵引变压器副边的负荷牵引供电臂和非负荷牵引供电臂。

二、采用上述同相供电系统电能质量混合补偿系统的补偿方法，包括：通过控制磁控静止无功补偿器的输出容量，使得混合电能质量调节器H桥变流器基波的输出电压向量和输出电流向量共线，这样混合电能质量调节器基波功率仅为负荷电流基波有功功率的一半。

与负荷牵引供电臂相连的磁控静止无功补偿器的参考指令电流为：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{imf}}=j((\frac{1}{2\sqrt{3}}{I}_{L1p}+I_{L1q})-\frac{V_i-\sqrt{V_i^2-I_{L1p}^2{X}_i^2}}{{2X}_i})---\left(1\right)$

式(1)中：

为与负荷牵引供电臂侧i相连的磁控静止无功补偿器的参考指令电流，根据相序关系i可以是ac侧、bc侧或ab侧；

I_L1p为负荷电流基波有功分量；

I_L1q为负荷电流基波无功分量；

V_i为负荷牵引供电臂侧电网电压；

X_i为负荷牵引供电臂侧H桥变流器输出端串联的LC支路的阻抗值。

与非负荷牵引供电臂侧相连的磁控静止无功补偿器的参考指令电流为：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{kmf}}=-j\left(\frac{1}{2\sqrt{3}}{I}_{L1p}\frac{V_k-\sqrt{V_k^2-I_{L1p}^2{X}_k^2}}{{2X}_k}\right)---\left(2\right)$

式(2)中：

为与非负荷牵引供电臂侧k相连的磁控静止无功补偿器的参考指令电流，根据相序关系k可以是ac侧、bc侧或ab侧；

I_L1p为负荷电流基波有功分量；

V_k为非负荷牵引供电臂侧电网电压；

X_k为非负荷牵引供电臂侧H桥变流器输出端串联的电感支路的阻抗值。

混合电能质量调节器第一H桥变流器的理想参考指令电流为：

$i_1^{\mathrm{ref}}\left(t\right)=i_1^{\exp }\left(t\right)-i_{1m}\left(t\right)-i_L\left(t\right)---\left(3\right)$

式(3)中：

为负荷牵引供电臂上电流的期望瞬时值；

i_1m(t)为与负荷牵引供电臂相连的磁控静止无功补偿器的实际输出电流；

i_L(t)为实际负荷电流。

混合电能质量调节器第二H桥变流器的理想参考指令电流为：

$i_2^{\mathrm{ref}}\left(t\right)=i_2^{\exp }\left(t\right)-i_{2m}\left(t\right)---\left(4\right)$

式(4)中：

为非负荷牵引供电臂上电流的期望瞬时值；

i_2m(t)为与非负荷牵引供电臂相连的磁控静止无功补偿器的实际输出电流。

获得第一H桥变流器和第二H桥变流器的理想参考指令电流后，为稳定混合电能质量调节器的直流电压，需要在理想参考指令电流上叠加直流电压经过PI调解后得到的有功电流分量，从而得到第一H桥变流器和第二H桥变流器的实际参考指令电流和

基于磁控静止无功补偿器的参考指令电流和控制跟踪磁控静止无功补偿器和混合电能质量调节器的输出电流；基于第一H桥变流器和第二H桥变流器的实际参考指令电流和跟踪调整混合电能质量调节器的输出电流。

作为优选，对于供电系统产生的谐波，通过磁控性静止无功补偿器中的三次单调谐滤波支路和与HPQC输出串联的、调谐成五次谐波谐振的LC支路滤除供电系统产生的三次、五次谐波；剩余谐波由HPQC通过有源滤波作用滤除。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1、通过磁控性静止无功补偿器和混合电能质量调节器混合补偿，综合解决了牵引供电系统中的无功、负序不平衡和谐波问题。

2、采用磁控性静止无功补偿器和混合电能质量调节器混合补偿有效降低了混合电能质量调节器的补偿容量，进而降低系统造价。

3、采用磁控性静止无功补偿器和混合电能质量调节器混合补偿有效降低了混合电能质量调节器的变流器直流侧电压，从而降低变流器直流侧电容耐压值，提高系统稳定性。

附图说明

图1是本发明系统结构图；

图2是本发明中混合电能质量调节器的结构图；

图3是本发明中磁控性静止无功补偿器的结构图；

图4是本发明在供电系统ac侧混合电能质量调节器的补偿向量图，图中，为补偿系统需要补偿的基波电流，为ac侧HPQC变流器发出的有功电流；为ac侧HPQC变流器发出的无功电流；为ac侧MSVC发出的无功电流；

图5是本发明控制系统框图。

具体实施方式

下面结合附图，以V/V牵引变压器公共连接端连接c相为例，说明本发明混合补偿系统的补偿原理。下文将混合电能质量调节器简写为“HPQC”，磁控性静止无功补偿器简写为“MSVC”，磁控电抗器简写为“MCR”。

1、负序、无功补偿原理

如图1所示，当牵引供电臂上有负荷时，求得供电系统所需总补偿电流为：

式(1)中：

i_ac为ac侧所需总补偿电流，i_bc为bc侧所需总补偿电流，i_cc为cc侧所需总补偿电流；

I_L1p和I_L1q分别为负荷电流基波的有功分量和无功分量；

t为时间，i_Lh为负荷电流的谐波分量；

ω为工频角频率，ω＝2πf，f为工频。

以ac侧为例，为使HPQC输出为纯有功功率，即要求ac侧H桥变流器，即连接负荷牵引供电臂的H桥变流器基波的输出电压向量和输出电流向量共线，因此作出系统向量图，如图4所示。

根据图4可计算ac侧HPQC的输出电流为：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{acnf}}=-\frac{1}{2}{I}_{L1p}+j\frac{V_{\mathrm{ac}}-\sqrt{V_{\mathrm{ac}}^2-I_{L1p}^2{X}_{\mathrm{ac}}^2}}{{2X}_{\mathrm{ac}}}---\left(2\right)$

式(2)中：

为ac侧H桥变流器的输出电流相量；

I_L1p为负荷电流的有功分量；

V_ac为ac侧H桥变流器并网侧电网电压；

X_ac为ac侧H桥变流器串联的LC支路阻抗值。

同理，可以推导bc侧HPQC的补偿电流

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{bcnf}}=\frac{1}{2}{I}_{L1p}-j\frac{V_{\mathrm{bc}}-\sqrt{V_{\mathrm{bc}}^2-I_{L1p}^2{X}_{\mathrm{bc}}^2}}{{2X}_{\mathrm{bc}}}---\left(3\right)$

式(3)中：

为bc侧H桥变流器的输出电流相量；

I_L1p为负荷电流的有功分量；

V_bc为bc侧H桥变流器并网侧电网电压；

X_bc为bc侧H桥变流器串联的电感支路阻抗值。

根据公式(2)～(3)计算MSVC的输出电流：

$\left\{\begin{array}{c}{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{acmf}}=j((\frac{1}{2\sqrt{3}}{I}_{L1p}+I_{L1q})-\frac{V_{\mathrm{ac}}-\sqrt{V_{\mathrm{ac}}^2-I_{L1p}^2{X}_{\mathrm{ac}}^2}}{{2X}_{\mathrm{ac}}})\\ {\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{bcmf}}=-j(\frac{1}{2\sqrt{3}}{I}_{L1p}-\frac{V_{\mathrm{bc}}-\sqrt{V_{\mathrm{bc}}^2-I_{L1p}^2{X}_{\mathrm{bc}}^2}}{{2X}_{\mathrm{bc}}})\end{array}\right.---\left(4\right)$

公式(4)～(5)中：

为ac侧MSVC输出的基波电流，为bc侧MSVC输出的基波电流；

V_ac为ac侧H桥变流器并网侧电网电压，X_ac为bc侧H桥变流器串联的LC支路阻抗值；

V_bc为bc侧H桥变流器并网侧电网电压，X_bc为bc侧H桥变流器串联的电感支路阻抗值。

当供电系统中出现负荷时，根据公式(4)确定MSVC输出电流值，即可保证HPQC输出仅为有功功率。

2、谐波抑制原理

机车负荷会产生一系列谐波电流。与MCR并联的固定电容器通常串联一定电感构成无源滤波器。由于机车负荷中三次谐波含量最大，因此将MSVC电容支路设置为三次谐波滤波支路。将HPQC串联的LC支路设置为五次谐波谐振，用于滤除负荷中含量第二多的五次谐波分量，即：

$5\mathrm{\ω}{L}_a=\frac{1}{5\mathrm{\ω}{C}_a}---\left(5\right)$

式(5)中：

ω为工频角频率，ω＝2πf，f为工频，本具体实施中f为50Hz；

L_a和C_a分别为ac侧H桥变流器串联的LC支路的电感值和电容值，见图2所示。

由于无源补偿设备的作用，系统中含量较大的三次谐波和五次谐波含量会大大降低，剩余的谐波电流通过HPQC的有源滤波进行滤除。

HPQC输出谐波电流为：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{ach}}^{\left(i\right)}=-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{svcah}}^{\left(i\right)}-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{aLh}}^{\left(i\right)}---\left(6\right)$

式(6)中：

为ac侧HPQC产生的第i次谐波值；

和分别是ac侧MSVC和机车负载产生的第i次谐波值。

bc侧的结构和ac侧的结构类似，只是bc侧只接有补偿设备，没有负载谐波电流，可以得出bc侧HPQC输出谐波电流为：

${\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{bch}}^{\left(i\right)}=-{\stackrel{\·}{I}}_{\mathrm{svcbh}}^{\left(i\right)}---\left(7\right)$

式(7)中：

为bc侧HPQC产生的第i次谐波值；

为bc侧MSVC产生的第i次谐波值。

总补偿系统如图5所示，当检测到负荷电流后，通过鉴相检测方法提取出负荷电流的有功分量I_L1p和无功分量I_L1q，从而得到补偿后期望电流：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ac}}^{\exp }\left(t\right)=\frac{\sqrt{2}}{2}{I}_{L1p}\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\π}}{6})+\frac{\sqrt{2}}{2\sqrt{3}}{I}_{L1p}\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\π}}{6})\\ i_{\mathrm{bc}}^{\exp }\left(t\right)=\frac{\sqrt{2}}{2}{I}_{L1p}\sin (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\π}}{2})-\frac{\sqrt{2}}{2\sqrt{3}}{I}_{L1p}\cos (\mathrm{\ωt}-\frac{\mathrm{\π}}{2})\end{array}\right.---\left(8\right)$

式(8)中：

为ac侧负荷牵引供电臂上电流的期望瞬时值；

为bc侧非负荷牵引供电臂上电流的期望瞬时值。

MSVC的参考指令电流根据式(4)确定，再通过PI控制调节MSVC输出电流达到参考指令电流，使得其输出电流根据MSVC参考指令电流变化。

HPQC的理想参考指令电流为：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_{\mathrm{ac}}^{\mathrm{ref}}\left(t\right)=i_{\mathrm{ac}}^{\exp }\left(t\right)-i_{\mathrm{acm}}\left(t\right)-i_L\left(t\right)\\ i_{\mathrm{bc}}^{\mathrm{ref}}\left(t\right)=i_{\mathrm{bc}}^{\exp }\left(t\right)-i_{\mathrm{bcm}}\left(t\right)\end{array}\right.---\left(9\right)$

式(9)中：

为HPQC的ac侧H桥变流器的理想参考指令电流；

为HPQC的bc侧H桥变流器的理想参考指令电流；

i_acm(t)为ac侧MSVC实际输出电流；

i_bcm(t)为bc侧MSVC实际输出电流；

i_L(t)为实际负荷电流。

HPQC要正常工作，直流电压必须保持恒定，因此，HPQC在进行负序谐波补偿时，需要在其参考指令电流的基础上叠加一个直流电压控制信号得到的有功电流分量。直流电压的实测值与参考值比较后经过PI调节器，再乘以相应供电臂的同步参考信号，得到直流电压调节信号，再与参考指令信号叠加，得到实际参考指令电流和通过直流电压控制，使两侧有功功率平衡，两侧功率模块的损耗由两侧变流器分担。HPQC采用滞环电流跟踪控制，实现变流器对参考电流的快速跟踪。

基于MSVC和HPQC的参考指令电流跟踪调整MSVC和HPQC的输出电流属于本技术领域内的常规技术，在此不做进一步赘述。

Claims (7)

1.一种同相供电系统电能质量混合补偿方法，其特征在于：

采用同相供电系统电能质量混合补偿系统，包括步骤：

提取负荷电流基波的有功分量和无功分量；

根据 ${\stackrel{\·}{I}}_{imf}=j\left(\right(\frac{1}{2\sqrt{3}}{I}_{L1p}+I_{L1q})-\frac{V_i-\sqrt{V_i^2-I_{L1p}^2{X}_i^2}}{2X_i})$ 获得与负荷牵引供电臂相连的磁控静止无功补偿器的参考指令电流根据 ${\stackrel{\·}{I}}_{kmf}=-j(\frac{1}{2\sqrt{3}}{I}_{L1p}-\frac{V_k-\sqrt{V_k^2-I_{L1p}^2{X}_k^2}}{2X_k})$ 获得与非负荷牵引供电臂相连的磁控静止无功补偿器的参考指令电流基于参考指令电流和跟踪调整磁控静止无功补偿器的输出电流；

根据获得第一H桥变流器的理想参考指令电流根据获得第二H桥变流器的理想参考指令电流在理想参考指令电流和上叠加根据混合电能质量调节器中直流电压控制信号得到的有功电流分量，得到第一H桥变流器和第二H桥变流器的实际参考指令电流和基于实际参考指令电流和跟踪调整混合电能质量调节器的输出电流；

上述，I_L1p为负荷电流基波有功分量，I_L1q为负荷电流基波无功分量；V_i为负荷牵引供电臂侧电网电压，X_i为第一H桥变流器输出端串联的LC支路的阻抗值；V_k为非负荷牵引供电臂侧电网电压，X_k为第二H桥变流器输出端串联的电感支路的阻抗；和分别为负荷牵引供电臂和非负荷供电臂上电流的期望瞬时值；i_1m(t)和i_2m(t)分别为与负荷牵引供电臂和与非负荷牵引供电臂相连的磁控静止无功补偿器的实际输出电流；i_L(t)为实际负荷电流；

所述的同相供电系统电能质量混合补偿系统包括混合电能质量调节器、两个磁控静止无功补偿器和V/V牵引变压器；

V/V牵引变压器由两个单相变压器接成V/V型，其原边连接三相公共电网，其副边两个输出端分别为负荷牵引供电臂和非负荷牵引供电臂；

混合电能质量调节器包括两个共用直流侧的H桥变流器，第一H桥变流器的输出端串联LC支路后通过第一降压变压器并联负荷牵引供电臂，第二H桥变流器的输出端串联电感支路后通过第二降压变压器并联非负荷牵引供电臂；

两个磁控静止无功补偿器分别连接负荷牵引供电臂和非负荷牵引供电臂；

负荷牵引供电臂和非负荷牵引供电臂根据相序关系确定：

若V/V牵引变压器公共连接端连接c相，则ac侧和bc侧的牵引供电臂分别为负荷牵引供电臂和非负荷牵引供电臂；若V/V牵引变压器公共连接端连接b相，则bc侧和ab侧分别为负荷牵引供电臂和非负荷牵引供电臂；若V/V牵引变压器公共连接端连接a相，则ab侧和ca侧分别为负荷牵引供电臂和非负荷牵引供电臂。

2.如权利要求1所述的同相供电系统电能质量混合补偿方法，其特征在于：

所述的磁控静止无功补偿器由并联的磁控电抗器和三次单调谐滤波支路构成。

3.如权利要求1所述的同相供电系统电能质量混合补偿方法，其特征在于：

与第一H桥变流器的输出端串联的LC支路为五次谐波谐振支路。

4.如权利要求1所述的同相供电系统电能质量混合补偿方法，其特征在于：

所述的提取负荷电流基波的有功分量和无功分量采用鉴相检测法提取。

5.如权利要求1所述的同相供电系统电能质量混合补偿方法，其特征在于：

所述的基于参考指令电流和跟踪调整磁控静止无功补偿器的输出电流采用PI控制实现。

6.如权利要求1所述的同相供电系统电能质量混合补偿方法，其特征在于：

所述的基于实际参考指令电流和跟踪调整混合电能质量调节器的输出电流采用滞环电流跟踪控制实现。

7.如权利要求1所述的同相供电系统电能质量混合补偿方法，其特征在于：

所述的负荷牵引供电臂和非负荷供电臂上电流的期望瞬时值和采用如下方式计算获得：

$\left\{\begin{array}{c}{i}_1^{\exp }\left(t\right)=\frac{\sqrt{2}}{2}{I}_{L1p}sin(\mathrm{\ω}t-\frac{\mathrm{\π}}{6})+\frac{\sqrt{2}}{2\sqrt{3}}{I}_{L1p}cos(\mathrm{\ω}t-\frac{\mathrm{\π}}{6})\\ i_2^{\exp }\left(t\right)=\frac{\sqrt{2}}{2}{I}_{L1p}sin(\mathrm{\ω}t-\frac{\mathrm{\π}}{2})-\frac{\sqrt{2}}{2\sqrt{3}}{I}_{L1p}cos(\mathrm{\ω}t-\frac{\mathrm{\π}}{2})\end{array}\right.$

其中，I_L1p为负荷电流基波有功分量，ω为工频角频率，t表示时间。