CN107276089A - 电铁统一电能质量控制器的牵引网谐波谐振自动抑制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电铁统一电能质量控制器的牵引网谐波谐振自动抑制方法，通过分频检测牵引网谐波电压，自动判断谐波放大的谐波次数，并根据牵引网和负荷情况自动将各次谐波下的导纳系数调整至合适值，且只在放大的谐波频率处产生作用。该方法可使铁路潮流控制器在无需增加太多容量的前提下，抑制牵引变电所和整条牵引网的电压谐振或谐波放大现象，并能有效降低系统补偿谐波时的运行损耗。

Description

电铁统一电能质量控制器的牵引网谐波谐振自动抑制方法

技术领域

本发明涉及电气化铁道供电系统电能质量领域，特别涉及一种电铁统一电能质量控制器的牵引网谐波谐振自动抑制方法。

背景技术

近年来，高速、重载电力机车日益增多，由于其传动系统普遍采用基于 PWM调制技术的交-直-交结构，该型机车(也称为交流机车)产生的无功和低次谐波大为降低，然以交流机车“调制频率/基波频率”为中心谐波次数的高次谐波大为增加，且随着机车的快速移动易在牵引网某点或牵引变电所随机的产生谐振。与此同时，部分牵引供电区段老式交-直电力机车(也称为直流机车)仍然存在，其产生的低次谐波易与线路的无源补偿设备发生谐振。这些多次见诸于各铁路区段，且均造成了严重事故。

铁路潮流控制器(下文称PFC)以其优良的负序、无功、电压恒定控制特性受到广泛关注，虽通过补偿相反的谐波可实现牵引变电站的谐波治理，但由于所补偿的为全谐波，系统容量很大，性价比优势不明显；另外，PFC 只能实现牵引变电站的谐波抑制，无法实现整条牵引网的谐振治理。因此，在无需大幅增加变流器容量的前提下为PFC开发具有牵引网谐振抑制功能的控制方法为目前亟待解决的重要课题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种电铁统一电能质量控制器牵引网谐波谐振自动抑制方法。

本发明解决上述问题的技术方案是：一种电铁统一电能质量控制器的牵引网谐波谐振自动抑制方法，主要针对电气化铁路用背靠背单相潮流控制器设计；该方法包括：低次谐波电压检测及导纳生成模块、高次谐波电压检测及导纳生成模块、导纳匹配自调整模块，变流器电流控制模块。各模块的特征如下：

1)低次谐波电压检测及导纳生成模块检测牵引网k相馈线电压v_fk，通过分别在3、5、7、9次谐振频率下调谐的带通滤波器(m＝3、5、 7、9，ω_c取5～15rad/s)筛选出v_fk中的3、5、7、9次谐波电压v_f3k、v_f5k、v_f7k、 v_f9k，将其分别乘以各个次谐波下的导纳系数K₃、K₅、K₇、K₉，得到变流器的各低次谐波补偿电流i_c3k、i_c5k、i_c7k、i_c9k，将它们相加得到总低次谐波补偿电流i_cLk，(k为α或β)。

2)高次谐波电压检测及导纳生成模块检测牵引网k相馈线电压v_fk，一方面将其滞后90°生成v_fk的正交量v_fk⊥，另一方面将其通过锁相环PLL得到电网的频率信号ω₁t，将得到的v_fk、v_fk⊥经两相静止坐标系到同步旋转坐标系的变换矩阵将其变换至d、q坐标系，经高通滤波器HPF (截止频率可设为800Hz)，再经过T^-1(ω₁t)获得馈线电压的高频分量v_fhk、v_fhk⊥，将v_fhk乘以与其对应的高频导纳系数K_h得到变流器的高频补偿电流i_chk(k 为α或β)。

3)导纳匹配自调整模块将检测回来的各种谐波电压平方值v_fnk ²与其对应的谐波电压总畸变率THD_n ^*所计算出来的谐波电压平方值v_fnk ^*2 (v_fnk ^*＝V_f1k×THD_n ^*，V_f1k为k相馈线基波电压有效值)相减，若差值为正，控制器以每个采样周期增量为K_maxn/(2¹⁵)向上自动调整各次谐波电压分量的导纳值，其中K_maxn为上限饱和值；若差值为负，则以同样的增量向下调整各次谐波电压分量的导纳值，0为其下限饱和值，最后需将调整后的各个导纳系数分配至各次谐波筛选回路(k为α或β；n＝3、5、7、9、h)。

4)变流器电流控制模块，将k相低频和高频补偿电流i_cLk、i_chk合成为变流器补偿信号参考值i_ck ^*，将i_ck ^*与实际检测回来的补偿电流i_ck作差，经比例控制器K，再加上电压前馈回路v_fk，形成调制信号v_ck ^*，将其与三角载波信号比较即形成PWM波信号，发送至k相的变流器(k为α或β)。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明并非补偿与检测点谐波电流相反的谐波电流来实时抵消谐波，而是通过在牵引网中添加可控的谐波阻尼，破坏系统谐振的条件，这样不仅能消除补偿点的谐振，更重要的是能有效抑制牵引网整条线路的谐波谐振，同时可降低变流器的谐波补偿容量；

(2)本发明只针对放大或谐振的谐波频率产生相应阻尼，吸收该线路的谐波反射波，系统不对所有谐波都产生阻尼，故运行损耗小；另外，由于牵引网条件千差万别，到底需要多大的阻尼才能不致使谐波放大事先并不知晓(或者实际情况与理论计算值相差较大)，本发明采用谐波导纳自动调整策略，控制器将自动寻找合适的谐波阻尼。

附图说明

图1是本发明的电铁统一电能质量控制器牵引网谐波谐振自动抑制方法系统拓扑图；

图2为本发明控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1和图2所示，PFC 1采用单相变流器背靠背结构分别与α、β相牵引网4、5相连。很多情况下牵引变压器6的二次侧出口都挂接有无源滤波器 4、5。电铁统一电能质量控制器的牵引网谐波谐振自动抑制方法主要分为：低次谐波电压检测及导纳生成模块7、高次谐波电压检测及导纳生成模块8、导纳匹配自调整模块9，变流器电流控制模块10，共四部分。

低次谐波电压检测及导纳生成模块7检测牵引网k相馈线电压v_fk，通过分别在3、5、7、9次谐振频率下调谐的带通滤波器(m＝3、5、 7、9，ω_c取5～15rad/s)筛选出v_fk中的3、5、7、9次谐波电压v_f3k、v_f5k、v_f7k、 v_f9k，将其分别乘以各个次谐波下的导纳系数K₃、K₅、K₇、K₉，得到变流器的各低次谐波补偿电流i_c3k、i_c5k、i_c7k、i_c9k，将它们相加得到总低次谐波补偿电流i_cLk，(k为α或β)。

高次谐波电压检测及导纳生成模块8检测牵引网k相馈线电压v_fk，一方面将其滞后90°生成v_fk的正交量v_fk⊥，另一方面将其通过锁相环PLL得到电网的频率信号ω₁t，将得到的v_fk、v_fk⊥经两相静止坐标系到同步旋转坐标系的变换矩阵将其变换至d、q坐标系，经高通滤波器HPF (截止频率可设为800Hz)，再经过T^-1(ω₁t)获得馈线电压的高频分量v_fhk、v_fhk⊥，将v_fhk乘以与其对应的高频导纳系数K_h得到变流器的高频补偿电流i_chk(k 为α或β)。

导纳匹配自调整模块9将检测回来的各种谐波电压平方值v_fnk ²与其对应的谐波电压总畸变率THD_n ^*所计算出来的谐波电压平方值v_fnk ^*2 (v_fnk ^*＝V_f1k×THD_n ^*，V_f1k为k相馈线基波电压有效值)相减，若差值为正，控制器以每个采样周期增量为K_maxn/(2¹⁵)向上自动调整各次谐波电压分量的导纳值，其中K_maxn为上限饱和值，具体实施时，n次谐波导纳系数未达到与之对应的K_maxn(例如，K_maxn一般略大于线路该次谐波频率下的特征导纳)即获得了较好谐振抑制效果，在系统稳定的前提下可适当减小该上限饱和值，反之，则需增大；若差值为负，则以同样的增量向下调整各次谐波电压分量的导纳值，0为其下限饱和值，最后需将调整后的各个导纳系数分配至各次谐波筛选回路(k为α或β；n＝3、5、7、9、h)。

变流器电流控制模块10，将k相低频和高频补偿电流i_cLk、i_chk合成为变流器补偿信号参考值i_ck ^*，将i_ck ^*与实际检测回来的补偿电流i_ck作差，经比例控制器K，再加上电压前馈回路v_fk，形成调制信号v_ck ^*，将其与三角载波信号比较即形成PWM波信号，发送至k相的变流器(k为α或β)。

Claims (3)

1.一种电铁统一电能质量控制器牵引网谐波谐振自动抑制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)检测牵引网k相馈线电压v_fk，通过分别在3、5、7、9次谐振频率下调谐的带通滤波器筛选出v_fk中的3、5、7、9次谐波电压v_f3k、v_f5k、v_f7k、v_f9k，将3、5、7、9次谐波电压分别乘以各次谐波下的导纳系数K₃、K₅、K₇、K₉，得到变流器的各低次谐波补偿电流i_c3k、i_c5k、i_c7k、i_c9k，将i_c3k、i_c5k、i_c7k、i_c9k相加得到总低次谐波补偿电流i_cLk；其中k为α或β；m＝3、5、7、9；ω_c取5～15rad/s；

检测牵引网k相馈线电压v_fk，将k相馈线电压v_fk滞后90°生成v_fk的正交量v_fk⊥，同时将k相馈线电压v_fk通过锁相环PLL得到电网的频率信号ω₁t，将得到的v_fk、v_fk⊥经两相静止坐标系到同步旋转坐标系的变换矩阵变换至d、q坐标系，经高通滤波器HPF，再经过T^-1(ω₁t)获得馈线电压的高频分量v_fhk、v_fhk⊥，将v_fhk乘以与其对应的高频导纳系数K_h得到变流器的高频补偿电流i_chk；

将各种谐波电压平方值v_fnk ²和与其对应的谐波电压总畸变率THD_n ^*所计算出来的谐波电压平方值v_fnk ^*2相减，若差值为正，控制器以每个采样周期增量为K_maxn/(2¹⁵)向上自动调整各次谐波电压分量的导纳值，其中K_maxn为上限饱和值；若差值为负，则以同样的增量向下调整各次谐波电压分量的导纳值，0为下限饱和值，最后将调整后的各个导纳系数分配至各次谐波筛选回路，以实现谐波导纳系数的自动调整；n＝3、5、7、9、h；

2)将总低次谐波补偿电流i_cLk和变流器的高频补偿电流i_chk合成为变流器补偿信号参考值i_ck ^*，将i_ck ^*与实际检测得到的补偿电流i_ck作差，经比例控制器K，再加上电压前馈回路v_fk，形成调制信号v_ck ^*，将调制信号v_ck ^*与三角载波信号比较即形成PWM波信号，发送至k相的变流器。

2.根据权利要求1所述的电铁统一电能质量控制器牵引网谐波谐振自动抑制方法，其特征在于，高通滤波器HPF截止频率设为800Hz。

3.根据权利要求1所述的电铁统一电能质量控制器牵引网谐波谐振自动抑制方法，其特征在于，v_fnk ^*＝V_f1k×THD_n ^*，V_f1k为k相馈线基波电压有效值。