CN104466988A - 一种用于电气化铁路v/v变压器的无功补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于电气化铁路V/V变压器的无功补偿方法，采用一种用于电气化铁路V/V变压器的无功补偿装置，具体步骤为：检测母线电压、母线电流和补偿网络的电流；提取母线电压、母线电流和补偿网络的基波信号，并经ADC电路转换为数字信号发送给控制器；控制器依次采用对称分量法、平衡补偿法对数字量的母线电压、母线电流和补偿网络的基波信号进行处理，得到补偿网络各相补偿导纳；模糊PI调节器根据补偿导纳和晶闸管触发角的关系得到补偿网络的晶闸管触发角；控制器发出触发脉冲经驱动电路发送给晶闸管的门极。本发明的一种用于电气化铁路V/V变压器的无功补偿方法，能够完全补偿无功功率，使负序电流得到彻底消除，并且补偿容量不受限制。

Description

一种用于电气化铁路V/V变压器的无功补偿方法

技术领域

本发明属于电气工程技术领域，涉及一种用于电气化铁路V/V变压器的无功补偿方法。

背景技术

电气化铁路运输是各国的重要交通方式，电力机车牵引具有运输能力强、污染小和行车安全等诸多优势，提高了铁路运输能力，同时也有利于实现资源的合理分配、降低运营成本、保护生态环境等，成为未来铁路的发展方向，但是由于电力机车负荷的自身特性将引起电气化铁路用电网的功率因数低、三相不平衡、谐波含量高等电能质量问题，而且这种情况不仅影响电气化铁路自身牵引供电系统的电能质量，也会使铁路沿线周边的民用用电户的供电质量受到严重的污染，因此，需要对电气化铁路中存在的负序、无功和谐波等电能质量问题采取有效的治理措施。

目前针对电气化铁路牵引电网出现的谐波、无功、负序三大问题，国内外采取的主要措施有STATCOM牵引变电站二次侧三相补偿、APF(ActivePower Filter)牵引变电站二次侧两相补偿、SVC(Static Var Compensator)牵引变电站二次侧两相补偿和SVC牵引变电站一次侧三相补偿。STATCOM牵引变电站二次侧三相补偿中每个H桥需要一个用于级联的变压器和电压支撑电容，导致系统结构复杂，控制困难，造价昂贵；APF牵引变电站二次侧两相补偿的方法使用APF消除系统的谐波和无功电流，但由于全控型器件电压适用等级的限制，这种方法需要两个补偿变压器进行电压变换将补偿电流送入牵引变压器二次侧，导致系统的体积非常大，补偿容量受到很大限制，另外变压器需要有高次谐波的传输能力，因此，该方法的应用受到限制；SVC牵引变电站二次侧两相补偿方法可以完全消除系统的无功和谐波电流，但不能消除负序电流，当供电系统容量不够充裕时，二次侧的不对称运行，将会在一次侧产生电压不对称。SVC牵引变电站一次侧三相补偿方法是一种一次侧的直接补偿方案，可以完全消除一次侧(高压侧)系统的无功，谐波和负序电流，能够平衡一次侧电网的不对称，虽然使得变压器二次侧的谐波分量通过变压器后流入一次侧的固定电容器滤波器组能够得到滤除，但谐波通过变压器会严重影响变压器的性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于电气化铁路V/V变压器的无功补偿方法，能够完全补偿无功功率，使负序电流得到彻底消除，并且补偿容量不受限制。

本发明所采用的技术方案是，一种用于电气化铁路V/V变压器的无功补偿方法，采用一种用于电气化铁路V/V变压器的无功补偿装置，包括依次连接的供电网、母线电压电流检测电路、带通滤波器和SVC控制电路，供电网还和V/V变压器一次侧绕组连接，V/V变压器一次侧绕组和V/V变压器二次侧绕组耦合连接，V/V变压器二次侧绕组的ac接线端、bc接线端分别与机车负载a和机车负载b连接，V/V变压器二次侧绕组的ab接线端、bc接线端和ca接线端分别连接SVC补偿电路，bc接线端的SVC补偿电路与机车负载b并联，ac接线端的SVC补偿电路与机车负载a并联；

母线电压电流检测电路包括电压互感器和电流互感器，电压互感器的两端分别与供电网和带通滤波器连接；电流互感器的两端分别与供电网和带通滤波器连接。

SVC补偿电路包括相并联的TCR电路和FC电路；TCR电路由晶闸管和电抗器组成，FC电路由相互并联的三个单调谐滤波器和一个高通滤波器组成；

SVC控制电路包括依次相连接的ADC电路、控制器和驱动电路，ADC电路与带通滤波器连接，驱动电路与三个SVC补偿电路连接；

具体实施步骤为：

步骤1，采用电压互感器检测母线电压U_A、U_B、U_C；采用电流互感器检测母线电流I_A、I_B、I_C和三个SVC补偿电路的电流I_ar、I_br、I_cr；

步骤2，采用带通滤波器提取步骤1中检测到的母线电压U_A、U_B、U_C的基波分量的瞬时值、母线电流I_A、I_B、I_C的基波分量的瞬时值和三个SVC补偿电路的电流I_ar、I_br、I_cr的基波分量瞬时值，并将母线电压U_A、U_B、U_C的基波分量的瞬时值、母线电流I_A、I_B、I_C的基波分量的瞬时值和三个SVC补偿电路的电流I_ar、I_br、I_cr的基波分量瞬时值经过ADC电路转换为数字信号发送给控制器；

步骤3，控制器采用对称分量法对步骤2中的得到的数字量的母线电流的基波分量的瞬时值和三个SVC补偿电路的电流的基波分量瞬时值进行处理，分别得到母线电流和三个SVC补偿电路的电流的零序、正序和负序分量；

步骤4，控制器采用平衡补偿方法对步骤3中得到的母线电流和三个SVC补偿电路的电流的零序、正序和负序分量进行处理，得到三个SVC补偿电路的补偿导纳；

步骤5，模糊PI调节器根据补偿网络导纳值和TCR中晶闸管触发角的关系得到三个SVC补偿电路的晶闸管触发角；

步骤6，控制器根据步骤5中得到的触发角发出触发脉冲，触发脉冲经驱动电路发送给晶闸管的门极，控制晶闸管的开通与关断，对无功功率和负序电流的进行快速跟踪和动态补偿。

本发明的特点还在于，步骤3具体为：

步骤3.1，根据电压电网完全对称得到三相线电流的第一表达式为：

I_A＝[Y_AB(1-α²)-Y_CA(α-1)]U

I_B＝[Y_BC(α²-α)-Y_AB(1-α²)]U   (1)

I_C＝[Y_CA(α-1)-Y_BC(α²-α)]U

式中，Y_AB，Y_BC，Y_CA分别表示电网侧各相对应的导纳值；

步骤3.2，根据对称分量法，得到三相线电流的第二表达式为：

$I_0=\frac{[I_A+I_B+I_C]}{\sqrt{3}}---\left(2\right)$

$I_1=[I_A+{\mathrm{\αI}}_B+{\mathrm{\α}}^2{I}_C]/\sqrt{3}$

$I_2=[I_A+{\mathrm{\α}}^2{I}_B+{\mathrm{\αI}}_C]/\sqrt{3}$

式中，I₀，I₁，I₂分别表示电流的零序、正序、负序对称分量；

步骤3.3，将步骤3.1中得到的三相线电流的第一表达式代入步骤3.2中得到的三相线电流的第二表达式中，得到电流的零序、正序和负序对称分量为：

I₀＝0   (3)

$I_1=\sqrt{3}(Y_{\mathrm{AB}}+Y_{\mathrm{BC}}+Y_{\mathrm{CA}})U$

$I_2=-\sqrt{3}({\mathrm{\α}}^2{Y}_{\mathrm{AB}}+{\mathrm{\αY}}_{\mathrm{BC}}+Y_{\mathrm{CA}})U$

步骤4具体为：

步骤4.1，根据步骤3.3中得到的电流的零序、正序和负序对称分量的表达式，得到负载网络的零序、正序和负序对称分量为：

I_0(f)＝0   (4)

$I_{1\left(f\right)}=\sqrt{3}(Y_{\mathrm{ab}}+Y_{\mathrm{bc}}+Y_{\mathrm{ca}})U$

$I_{2\left(f\right)}=-\sqrt{3}({\mathrm{\α}}^2{Y}_{\mathrm{ab}}+{\mathrm{\αY}}_{\mathrm{bc}}+Y_{\mathrm{ca}})U$

得到补偿网络的零序、正序和负序对称分量表达式为：

I_0(r)＝0(5)

$I_{1\left(r\right)}=\sqrt{3}j(B_r^{\mathrm{ab}}+B_r^{\mathrm{bc}}+B_r^{\mathrm{ca}})U$

$I_{2\left(r\right)}=-\sqrt{3}j({\mathrm{\α}}^2{B}_r^{\mathrm{ab}}+{\mathrm{\αB}}_r^{\mathrm{bc}}+B_r^{\mathrm{ca}})U$

补偿网络为三个SVC补偿电路；

步骤4.2，根据平衡补偿方法，得到补偿目标的表达式：

I_2(f)+I_2(r)＝0   (6)

Im[I_1(f)+I_1(r)]＝0

步骤4.3，将补偿网络的零序、正序和负序对称分量表达式代入补偿目标表达式中，进行实部和虚部的分离，得到：

$[B_r^{\mathrm{ab}}+B_r^{\mathrm{bc}}+B_r^{\mathrm{ca}}]U+\mathrm{Im}\left(I_{1\left(f\right)}\right)=0---\left(7\right)$

$[-\frac{\sqrt{3}}{2}{B}_r^{\mathrm{ab}}+\frac{\sqrt{3}}{2}{B}_r^{\mathrm{ca}}]U+\mathrm{Re}\left(I_{2\left(f\right)}\right)=0$

$[\frac{1}{2}{B}_r^{\mathrm{ab}}-B_r^{\mathrm{bc}}+\frac{1}{2}{B}_r^{\mathrm{ca}}]U+\mathrm{Im}\left(I_{2\left(f\right)}\right)=0$

其中，B_r ^ab为ab接线端的SVC补偿电路的导纳值，B_r ^bc为bc接线端的SVC补偿电路的导纳值，B_r ^ca为ca接线端的SVC补偿电路的导纳值；

步骤4.4，对步骤3中得到的式(7)求解，得到补偿网络ab相、bc相、ca相的导纳值为：

$B_r^{\mathrm{ab}}=-\frac{1}{3U}[\mathrm{Im}\left(I_{1\left(f\right)}\right)+\mathrm{Im}\left(I_{2\left(f\right)}\right)-\sqrt{3}\mathrm{Re}\left(I_{2\left(f\right)}\right)]---\left(8\right)$

$B_r^{\mathrm{bc}}=-\frac{1}{3U}[\mathrm{Im}\left(I_{1\left(f\right)}\right)-2\mathrm{Im}\left(I_{2\left(f\right)}\right)]$

$B_r^{\mathrm{ca}}=-\frac{1}{3U}[\mathrm{Im}\left(I_{1\left(f\right)}\right)+\mathrm{Im}\left(I_{2\left(f\right)}\right)+\sqrt{3}\mathrm{Re}\left(I_{2\left(f\right)}\right)]$

步骤5具体通过以下方法计算：

根据步骤4.4中得到的各相补偿网络导纳值可得各相TCR中晶闸管触发角为：

${\mathrm{\α}}_A=\mathrm{\π}-\arctan \left(\frac{B_r^{\mathrm{ab}}}{{\mathrm{j\ωX}}_L}\right)$

${\mathrm{\α}}_B=\mathrm{\π}-\arctan \left(\frac{B_r^{\mathrm{bc}}}{{\mathrm{j\ωX}}_L}\right)---\left(9\right)$

${\mathrm{\α}}_C=\mathrm{\π}-\arctan \left(\frac{B_r^{\mathrm{ca}}}{{\mathrm{j\ωX}}_L}\right)$

其中，X_L为TCR并联电抗器的电感值。

步骤5中模糊PI调节器还采用步骤1中采集到的母线电压对补偿导纳进行修正，稳定母线电压。

本发明的有益效果是通过采用对称分量法分析系统的补偿控制量，然后经过平衡补偿算法得到各相补偿电纳，从而确定TCR中晶闸管的导通角大小，触发TCR，实现无功功率和负序电流的快速跟踪和动态补偿，针对电压和电流中的基波正序无功分量、基波负序有功分量、基波负序无功分量，实现谐波、无功、负序的综合治理，进而实现无功功率综合补偿，具有容量不受变压器容量限制、可靠性高、价格优势突出等优点；另外，将电压值作为参考修正值，对补偿导纳进行修正，稳定母线电压，从而提高了控制器的控制性能，进一步提高了牵引供电网的供电效率，解决了传统补偿方法结构复杂、控制困难、造价昂贵、降低变压器性能以及不能综合治理谐波、无功、负序等问题。

附图说明

图1是本发明中所采用的一种用于电气化铁路V/V变压器的无功补偿装置的结构示意图；

图2是本发明另一种用于电气化铁路V/V变压器的无功补偿方法的原理框图；

图3是本发明中无功补偿系统三相负载和补偿网络分离的结构示意图。

图中，1.供电网，2.母线电压电流检测电路，3.SVC控制电路，4.带通滤波器，5.V/V变压器一次侧绕组，6.V/V变压器二次侧绕组，7.机车负载a，8.机车负载b，9.SVC补偿电路，10.ADC电路，11.控制器，12.FC电路，13.TCR电路，14.驱动电路。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明将电气化铁路V/V牵引变压器的两相二次侧绕组作为统一整体，在V/V型牵引变压器二次侧接入三相晶闸管控制电抗器(ThyristorControllable Reactor，TCR)与固定电容器(Fixed Capacitor，FC)型静止无功补偿装置，采用基于对称分量法的平衡化补偿和多目标、多反馈的全数字控制方法，针对电压和电流中的基波正序无功分量、基波负序有功分量、基波负序无功分量，实现谐波、无功、负序的综合治理，进而实现无功功率综合补偿。

而由于电气化牵引负荷是大功率单相负荷，系统电网是三相的，因此，单相负荷与三相电源之间电气结构差异决定了牵引变电站拓扑结构的三相不平衡，需要进行适当的转换将三相不对称的电气量转换为三相的对称电气量进行分析从而简化了复杂程度；本发明通过采用对称分量法分析得到系统的零序、正序和负序分量，后经平衡补偿算法得到各相补偿电纳，进而确定TCR中晶闸管的导通角大小，控制晶闸管的开通，从而实时控制TCR的电流变化，跟随系统中实时变化的无功功率，补偿系统所需的无功功率。其原理框图如图2所示，其中U为三相母线电压有效值，母线电压作为模糊PI控制器的参考修正值，对补偿导纳进行修正，稳定母线电压，从而提高了控制器的控制性能，进一步提高了牵引供电网的供电效率。

本发明一种用于电气化铁路V/V变压器的无功补偿方法，采用一种用于电气化铁路V/V变压器的无功补偿装置，如图1所示，包括依次连接的供电网1、母线电压电流检测电路2、带通滤波器4和SVC控制电路3，供电网1还和V/V变压器一次侧绕组5连接，V/V变压器一次侧绕组5和V/V变压器二次侧绕组6耦合连接，V/V变压器二次侧绕组6的ac接线端、bc接线端分别与机车负载a7和机车负载b8连接，V/V变压器二次侧绕组的ab接线端、bc接线端和ca接线端分别连接SVC补偿电路9，bc接线端的SVC补偿电路9与机车负载b8并联，ac接线端的SVC补偿电路9与机车负载a7并联；母线电压电流检测电路2包括电压互感器和电流互感器，电压互感器的两端分别与供电网1和带通滤波器4连接；电流互感器的两端分别与供电网1和带通滤波器4连接；SVC补偿电路9包括相并联的TCR电路12和FC电路13；TCR电路12由晶闸管和电抗器组成，FC电路13由相互并联的三个单调谐滤波器和一个高通滤波器组成；SVC控制电路3包括依次相连接的ADC电路10、控制器11和驱动电路14，ADC电路与带通滤波器4连接，驱动电路与三个SVC补偿电路9连接；

如图2所示，具体按照以下步骤实施：

步骤1，采用电压互感器检测母线电压U_A、U_B、U_C；采用电流互感器检测母线电流I_A、I_B、I_C和三个SVC补偿电路9的电流I_ar、I_br、I_cr；

步骤2，采用带通滤波器4提取步骤1中检测到的母线电压U_A、U_B、U_C的基波分量的瞬时值、母线电流I_A、I_B、I_C的基波分量的瞬时值和三个SVC补偿电路9的电流I_ar、I_br、I_cr的基波分量瞬时值，并将的母线电压U_A、U_B、U_C的基波分量的瞬时值、母线电流I_A、I_B、I_C的基波分量的瞬时值和三个SVC补偿电路9的电流I_ar、I_br、I_cr的基波分量瞬时值经过ADC电路10转换为数字信号发送给控制器11；

步骤3，控制器11采用对称分量法对步骤2中的得到的数字量的母线电流的基波分量的瞬时值和三个SVC补偿电路9的电流的基波分量瞬时值进行处理，分别得到母线电流和三个SVC补偿电路9的电流的零序、正序和负序分量；

其中，步骤3具体为：

步骤3.1，根据电压电网完全对称得到三相线电流的第一表达式为：

I_A＝[Y_AB(1-α²)-Y_CA(α-1)]U

I_B＝[Y_BC(α²-α)-Y_AB(1-α²)]U   (1)

I_C＝[Y_CA(α-1)-Y_BC(α²-α)]U

式中，Y_AB，Y_BC，Y_CA分别表示电网侧各相对应的导纳值；

步骤3.2，根据对称分量法，得到三相线电流的第二表达式为：

$I_0=\frac{[I_A+I_B+I_C]}{\sqrt{3}}---\left(2\right)$

$I_1=[I_A+{\mathrm{\αI}}_B+{\mathrm{\α}}^2{I}_C]/\sqrt{3}$

$I_2=[I_A+{\mathrm{\α}}^2{I}_B+{\mathrm{\αI}}_C]/\sqrt{3}$

式中，I₀，I₁，I₂分别表示电流的零序、正序、负序对称分量；

步骤3.3，将步骤3.1中得到的三相线电流的第一表达式代入步骤3.2中得到的三相线电流的第二表达式中，得到电流的零序、正序和负序对称分量为：

I₀＝0   (3)

$I_1=\sqrt{3}(Y_{\mathrm{AB}}+Y_{\mathrm{BC}}+Y_{\mathrm{CA}})U$

$I_2=-\sqrt{3}({\mathrm{\α}}^2{Y}_{\mathrm{AB}}+{\mathrm{\αY}}_{\mathrm{BC}}+Y_{\mathrm{CA}})U$

步骤4，控制器11采用平衡补偿方法对步骤3中得到的母线电流和三个SVC补偿电路9的电流的零序、正序和负序分量进行处理，得到三个SVC补偿电路9的补偿导纳；

其中，如图3所示，将总补偿网络分为负载网络和补偿网络，其中I_0(f)为负载的零序分量，I_1(f)为负载的正序分量，I_2(f)为负载的负序分量，I_0(r)为补偿网络的零序分量，I_1(r)为补偿网络的正序分量，I_2(r)为补偿网络的负序分量，Y_ab、Y_bc、Y_ca分别为负载网络各相对应的导纳，分别表示补偿网络各相对应的导纳，具体方法如下：

步骤4.1，根据步骤3.3中得到的电流的零序、正序和负序对称分量的表达式，得到负载网络的零序、正序和负序对称分量为：

I_0(f)＝0   (4)

$I_{1\left(f\right)}=\sqrt{3}(Y_{\mathrm{ab}}+Y_{\mathrm{bc}}+Y_{\mathrm{ca}})U$

$I_{2\left(f\right)}=-\sqrt{3}({\mathrm{\α}}^2{Y}_{\mathrm{ab}}+{\mathrm{\αY}}_{\mathrm{bc}}+Y_{\mathrm{ca}})U$

得到补偿网络的零序、正序和负序对称分量表达式为：

I_0(r)＝0   (5)

$I_{1\left(r\right)}=\sqrt{3}j(B_r^{\mathrm{ab}}+B_r^{\mathrm{bc}}+B_r^{\mathrm{ca}})U$

$I_{2\left(r\right)}=-\sqrt{3}j({\mathrm{\α}}^2{B}_r^{\mathrm{ab}}+{\mathrm{\αB}}_r^{\mathrm{bc}}+B_r^{\mathrm{ca}})U$

补偿网络为三个SVC补偿电路9；

步骤4.2，根据平衡补偿方法，得到补偿目标的表达式：

I_2(f)+I_2(r)＝0   (6)

Im[I_1(f)+I_1(r)]＝0

步骤4.3，将补偿网络的零序、正序和负序对称分量表达式代入补偿目标表达式中，进行实部和虚部的分离，得到：

$[B_r^{\mathrm{ab}}+B_r^{\mathrm{bc}}+B_r^{\mathrm{ca}}]U+\mathrm{Im}\left(I_{1\left(f\right)}\right)=0---\left(7\right)$

$[-\frac{\sqrt{3}}{2}{B}_r^{\mathrm{ab}}+\frac{\sqrt{3}}{2}{B}_r^{\mathrm{ca}}]U+\mathrm{Re}\left(I_{2\left(f\right)}\right)=0$ $[\frac{1}{2}{B}_r^{\mathrm{ab}}-B_r^{\mathrm{bc}}+\frac{1}{2}{B}_r^{\mathrm{ca}}]U+\mathrm{Im}\left(I_{2\left(f\right)}\right)=0$

其中，B_r ^ab为ab接线端的SVC补偿电路9的导纳值，B_r ^bc为bc接线端的SVC补偿电路9的导纳值，B_r ^ca为ca接线端的SVC补偿电路9的导纳值；

步骤4.4，对步骤3中得到的式7求解，得到补偿网络ab相、bc相、ca相的导纳值为：

$B_r^{\mathrm{ab}}=-\frac{1}{3U}[\mathrm{Im}\left(I_{1\left(f\right)}\right)+\mathrm{Im}\left(I_{2\left(f\right)}\right)-\sqrt{3}\mathrm{Re}\left(I_{2\left(f\right)}\right)]---\left(8\right)$

$B_r^{\mathrm{bc}}=-\frac{1}{3U}[\mathrm{Im}\left(I_{1\left(f\right)}\right)-2\mathrm{Im}\left(I_{2\left(f\right)}\right)]$

$B_r^{\mathrm{ca}}=-\frac{1}{3U}[\mathrm{Im}\left(I_{1\left(f\right)}\right)+\mathrm{Im}\left(I_{2\left(f\right)}\right)+\sqrt{3}\mathrm{Re}\left(I_{2\left(f\right)}\right)]$

步骤5，模糊PI调节器根据补偿网络导纳值和TCR中晶闸管触发角的关系得到三个SVC补偿电路9的晶闸管触发角；

步骤5具体通过以下方法计算：

根据步骤4.4中得到的各相补偿网络导纳值可得各相TCR中晶闸管触发角为：

${\mathrm{\α}}_A=\mathrm{\π}-\arctan \left(\frac{B_r^{\mathrm{ab}}}{{\mathrm{j\ωX}}_L}\right)$

${\mathrm{\α}}_B=\mathrm{\π}-\arctan \left(\frac{B_r^{\mathrm{bc}}}{{\mathrm{j\ωX}}_L}\right)---\left(9\right)$ ${\mathrm{\α}}_C=\mathrm{\π}-\arctan \left(\frac{B_r^{\mathrm{ca}}}{{\mathrm{j\ωX}}_L}\right)$

其中，X_L为TCR并联电抗器的电感值；

步骤6，控制器11根据步骤5中得到的触发角发出触发脉冲，触发脉冲经驱动电路14发送给晶闸管的门极，控制晶闸管的开通与关断，对无功功率和负序电流的进行快速跟踪和动态补偿，达到综合治理谐波、负序和无功的目的。

本发明的步骤5中模糊PI调节器还可以采用步骤1中采集到的母线电压对补偿导纳进行修正，稳定母线电压，从而进一步提高控制器的控制性能，进一步提高牵引供电网的供电效率。

本发明中供电网1为110kV/50Hz高压电网；V/V型变压器一次侧绕组5电压为供电网电压110kV，二次侧绕组6电压为25kV，各相SVC补偿电路拓扑结构相同，均由FC电路12和TCR电路13构成，TCR和FC相并联，其中TCR电路为晶闸管和电抗器组成的可调相控电抗器，用于快速产生可调的感性电流，动态补偿无功功率，同时平衡由负序电流引起的不对称；FC电路为固定电容器兼具滤波功能，由三只单调谐滤波器和一只高通滤波器组成，实现在输出容性无功功率、提高功率因数的同时消除机车运行所产生的谐波电流。

本发明通过采用电流互感器检测各相SVC电路的电流和母线电流，采用电压互感器检测母线电压；经互感器检测所得的电压和电流信号经带通滤波器处理得到对应的基波分量的瞬时值，带通滤波器的上下截止频率根据母线电流电压基波频率50Hz分别设置为45Hz和55Hz；选取DSPTMS320F28335作为SVC控制电路的控制器；机车负载7和8为典型的电气化铁路机车。

Claims (5)

1.一种用于电气化铁路V/V变压器的无功补偿方法，其特征在于，采用一种用于电气化铁路V/V变压器的无功补偿装置，包括依次连接的供电网(1)、母线电压电流检测电路(2)、带通滤波器(4)和SVC控制电路(3)，所述供电网(1)还和V/V变压器一次侧绕组(5)连接，所述V/V变压器一次侧绕组(5)和V/V变压器二次侧绕组(6)耦合连接，所述V/V变压器二次侧绕组(6)的ac接线端、bc接线端分别与机车负载a(7)和机车负载b(8)连接，所述V/V变压器二次侧绕组的ab接线端、bc接线端和ca接线端分别连接SVC补偿电路(9)，所述bc接线端的SVC补偿电路(9)与机车负载b(8)并联，所述ac接线端的SVC补偿电路(9)与机车负载a(7)并联；

所述母线电压电流检测电路(2)包括电压互感器和电流互感器，所述电压互感器的两端分别与供电网(1)和带通滤波器(4)连接；所述电流互感器的两端分别与供电网(1)和带通滤波器(4)连接；

所述SVC补偿电路(9)包括相并联的TCR电路(12)和FC电路(13)；所述TCR电路(12)由晶闸管和电抗器组成，所述FC电路(13)由相互并联的三个单调谐滤波器和一个高通滤波器组成；

所述SVC控制电路(3)包括依次相连接的ADC电路(10)、控制器(11)和驱动电路(14)，所述ADC电路与带通滤波器(4)连接，所述驱动电路与三个SVC补偿电路(9)连接；

具体按照以下步骤实施：

步骤1，采用电压互感器检测母线电压U_A、U_B、U_C；采用电流互感器检测母线电流I_A、I_B、I_C和三个SVC补偿电路(9)的电流I_ar、I_br、I_cr；

步骤2，采用带通滤波器(4)提取步骤1中检测到的母线电压U_A、U_B、U_C的基波分量的瞬时值、母线电流I_A、I_B、I_C的基波分量的瞬时值和三个SVC补偿电路(9)的电流I_ar、I_br、I_cr的基波分量瞬时值，并将所述的母线电压U_A、U_B、U_C的基波分量的瞬时值、母线电流I_A、I_B、I_C的基波分量的瞬时值和三个SVC补偿电路(9)的电流I_ar、I_br、I_cr的基波分量瞬时值经过ADC电路(10)转换为数字信号发送给控制器(11)；

步骤3，控制器(11)采用对称分量法对步骤2中的得到的数字量的母线电流的基波分量的瞬时值和三个SVC补偿电路(9)的电流的基波分量瞬时值进行处理，分别得到母线电流和三个SVC补偿电路(9)的电流的零序、正序和负序分量；

步骤4，控制器(11)采用平衡补偿方法对步骤3中得到的母线电流和三个SVC补偿电路(9)的电流的零序、正序和负序分量进行处理，得到三个SVC补偿电路(9)的补偿导纳；

步骤5，模糊PI调节器根据补偿网络导纳值和TCR中晶闸管触发角的关系得到三个SVC补偿电路(9)的晶闸管触发角；

步骤6，控制器(11)根据步骤5中得到的触发角发出触发脉冲，触发脉冲经驱动电路(14)发送给晶闸管的门极，控制晶闸管的开通与关断，对无功功率和负序电流的进行快速跟踪和动态补偿。

2.根据权利要求1所述的一种用于电气化铁路V/V变压器的无功补偿方法，其特征在于，步骤3具体为：

步骤3.1，根据电压电网完全对称得到三相线电流的第一表达式为：

I_A＝[Y_AB(1-α₂)-Y_CA(α-1)U

I_B＝[Y_BC(α²-α)-Y_AB(1-α²)]U，    (1)

I_C＝[Y_CA(α-1)-Y_BC(α₂-α)]U

式中，Y_AB，Y_BC，Y_CA分别表示电网侧各相对应的导纳值；

步骤3.2，根据对称分量法，得到三相线电流的第二表达式为：

$I_0=\frac{[I_A+I_B+I_C]}{\sqrt{3}},---\left(2\right)$

$I_1=[I_A+{\mathrm{\αI}}_B+{\mathrm{\α}}^2{I}_C]/\sqrt{3}$

$I_2=[I_A+{\mathrm{\α}}^2{I}_B+{\mathrm{\αI}}_C]/\sqrt{3}$

式中，I₀，I₁，I₂分别表示电流的零序、正序、负序对称分量；

步骤3.3，将步骤3.1中得到的三相线电流的第一表达式代入步骤3.2中得到的三相线电流的第二表达式中，得到电流的零序、正序和负序对称分量为：

I₀＝0。    (3)

$I_1=\sqrt{3}(Y_{\mathrm{AB}}+Y_{\mathrm{BC}}+Y_{\mathrm{CA}})U$

$I_2=-\sqrt{3}({\mathrm{\α}}^2{Y}_{\mathrm{AB}}+{\mathrm{\αY}}_{\mathrm{BC}}+Y_{\mathrm{CA}})U$

3.根据权利要求2所述的一种用于电气化铁路V/V变压器的无功补偿方法，其特征在于，步骤4具体为：

步骤4.1，根据步骤3.3中得到的电流的零序、正序和负序对称分量的表达式，得到负载网络的零序、正序和负序对称分量为：

I_0(f)＝0，    (4)

$I_{1\left(f\right)}=\sqrt{3}(Y_{\mathrm{ab}}+Y_{\mathrm{bc}}+Y_{\mathrm{ca}})U$

$I_{2\left(f\right)}=-\sqrt{3}({\mathrm{\α}}^2{Y}_{\mathrm{ab}}+{\mathrm{\αY}}_{\mathrm{bc}}+Y_{\mathrm{ca}})U$

得到补偿网络的零序、正序和负序对称分量表达式为：

I_0(r)＝0，    (5)

$I_{1\left(r\right)}=\sqrt{3}j(B_r^{\mathrm{ab}}+B_r^{\mathrm{bc}}+B_r^{\mathrm{ca}})U$

$I_{2\left(r\right)}=-\sqrt{3}j({\mathrm{\α}}^2{B}_r^{\mathrm{ab}}+{\mathrm{\αB}}_r^{\mathrm{bc}}+B_r^{\mathrm{ca}})U$

所述补偿网络为三个SVC补偿电路(9)；

步骤4.2，根据平衡补偿方法，得到补偿目标的表达式：

I_2(f)+I_2(r)＝0；    (6)

Im[I_1(f)+I_1(r)]＝0

步骤4.3，将补偿网络的零序、正序和负序对称分量表达式代入补偿目标表达式中，进行实部和虚部的分离，得到：

$[B_r^{\mathrm{ab}}+B_r^{\mathrm{bc}}+B_r^{\mathrm{ca}}]U+\mathrm{Im}\left(I_{1\left(f\right)}\right)=0,---\left(7\right)$

$[-\frac{\sqrt{3}}{2}{B}_r^{\mathrm{ab}}+\frac{\sqrt{3}}{2}{B}_r^{\mathrm{ca}}]U+\mathrm{Re}\left(I_{2\left(f\right)}\right)=0$

$[\frac{1}{2}{B}_r^{\mathrm{ab}}-B_r^{\mathrm{bc}}+\frac{1}{2}{B}_r^{\mathrm{ca}}]U+\mathrm{Im}\left(I_{2\left(f\right)}\right)=0$

其中，B_r ^ab为ab接线端的SVC补偿电路(9)的导纳值，B_r ^bc为bc接线端的SVC补偿电路(9)的导纳值，B_r ^ca为ca接线端的SVC补偿电路(9)的导纳值；

步骤4.4，对步骤4.3中得到的式(7)求解，得到补偿网络ab相、bc相、ca相的导纳值为：

$B_r^{\mathrm{ab}}=-\frac{1}{3U}[\mathrm{Im}\left(I_{1\left(f\right)}\right)+\mathrm{Im}\left(I_{2\left(f\right)}\right)-\sqrt{3}\mathrm{Re}\left(I_{2\left(f\right)}\right)].---\left(8\right)$

$B_r^{\mathrm{bc}}=-\frac{1}{3U}[\mathrm{Im}\left(I_{1\left(f\right)}\right)-2\mathrm{Im}\left(I_{2\left(f\right)}\right)]$

$B_r^{\mathrm{ca}}=-\frac{1}{3U}[\mathrm{Im}\left(I_{1\left(f\right)}\right)+\mathrm{Im}\left(I_{2\left(f\right)}\right)+\sqrt{3}\mathrm{Re}\left(I_{2\left(f\right)}\right)]$

4.根据权利要求3所述的一种用于电气化铁路V/V变压器的无功补偿方法，其特征在于，步骤5具体通过以下方法计算：

根据步骤4.4中得到的各相补偿网络导纳值可得各相TCR中晶闸管触发角为：

${\mathrm{\α}}_A=\mathrm{\π}-\arctan \left(\frac{B_r^{\mathrm{ab}}}{{\mathrm{j\ωX}}_L}\right)$

${\mathrm{\α}}_B=\mathrm{\π}-\arctan \left(\frac{B_r^{\mathrm{bc}}}{{\mathrm{j\ωX}}_L}\right),---\left(9\right)$

${\mathrm{\α}}_C=\mathrm{\π}-\arctan \left(\frac{B_r^{\mathrm{ca}}}{{\mathrm{j\ωX}}_L}\right)$

其中，X_L为TCR并联电抗器的电感值。

5.根据权利要求1至4中任意一项所述的一种用于电气化铁路V/V变压器的无功补偿方法，其特征在于，步骤5中模糊PI调节器还采用步骤1中采集到的母线电压对补偿导纳进行修正，稳定母线电压。