CN109599877A - 一种应用于vv牵引供电系统的负序不平衡补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电气化铁路电能质量技术，具体涉及一种应用于VV牵引供电系统的负序不平衡补偿方法，通过实时判断负荷电流大小来输入补偿电流，对VV牵引供电系统负序不平衡进行就地综合补偿；包括以下步骤：步骤1、检测VV牵引供电系统两侧供电臂的负荷电流；步骤2、根据负荷电流大小，利用任何一种三相变换器生成与VV牵引供电系统中负序电流幅值相等、相位相反的补偿电流；步骤3、通过步骤2所述三相变换器将补偿电流从牵引变压器的二次侧注入VV牵引供电系统，以抵消VV牵引供电系统中的负序电流完成负序不平衡补偿。该方法使得负序不平衡补偿思路更为简单直接，三相变换器的控制策略更为简单，减小了三相变换器的成本、容量和占地面积。

Description

一种应用于VV牵引供电系统的负序不平衡补偿方法

技术领域

本发明属于电气化铁路电能质量技术领域，尤其涉及一种应用于VV牵引供电系统的负序不平衡补偿方法。

背景技术

高速铁路电力机车负载引起三相电流不平衡，产生负序电流。负序电流给发电机带来附加损耗，引起转子发热、附加振动等，严重影响电力系统的安全稳定运行。机车谐波给电力设备带来额外功率损耗，引起继电保护装置误动或拒动，降低了电力系统的可靠性。因此，高速铁路供电系统的负序和谐波电能质量问题得到了广泛关注。

负序电流的大小与牵引变压器有关。牵引变压器的结构类型有多种，如斯科特变压器，三相VV变压器和阻抗匹配平衡变压器等。其中斯科特变压器和阻抗匹配平衡变压器为平衡变压器，三相VV变压器为不平衡变压器。当三相VV变压器二次侧的两供电臂有功功率相等时，在三相电流侧仍存在50％的负序电流。而三相VV变压器以其结构简单、容量利用率高的优点为中国高速铁路牵引供电系统采用，如京沪高速铁路。因此采用三相VV变压器的高速铁路供电系统的负序治理方法值得深入研究。

目前负序不平衡补偿方法主要可分为两大类，即Steinmetz补偿方式和RPC补偿方式。Steinmetz补偿方式首先校正各相间负荷功率因数，利用无功补偿将负荷补偿为纯阻性负荷，然后在其余两相间补偿相应的电容和电感，进行平衡化补偿。但是这种补偿方式采用电容补偿的形式，当系统中接入电容负载时，虽然电容负载本身不产生电力谐波，但电容负载会使得电力系统中存在的谐波放大，如果电容负载和电力系统中的感性负载振荡频率与系统固有频率相近，则会造成电力系统谐波无限放大，导致停电事故发生；RPC由基于可关断晶闸管(GTO)的两个组成背靠背结构的单相电压源型逆变器和公共的直流电容组成，该补偿方式利用RPC传递有功功率，传递有功电流值为负载电流的一半，传递方向为负载小的一侧传递到负荷大的一侧，通过这种方式使得两侧牵引负荷功率相等，从而消除负序电流。采用这种方式进行负序补偿时，由于RPC能承受的电压电流水平较低，可靠性不强，需要在RPC两端通过变压器来接入电路，这不仅大大增加了装置成本，还使得有源补偿容量和装置占地面积增加，导致了应用的局限性。

发明内容

本发明的目的是提供一种通过三相变换器输出补偿电流对VV牵引供电系统负序不平衡进行补偿的方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种应用于VV牵引供电系统的负序不平衡补偿方法，通过实时判断负荷电流大小来输入补偿电流，对VV牵引供电系统负序不平衡进行就地综合补偿；包括以下步骤：

步骤1、检测VV牵引供电系统两侧供电臂的负荷电流；

步骤2、根据负荷电流大小，利用任何一种三相变换器生成与VV牵引供电系统中负序电流幅值相等、相位相反的补偿电流；

步骤3、通过步骤2所述三相变换器将补偿电流从牵引变压器的二次侧注入VV牵引供电系统，以抵消VV牵引供电系统中的负序电流完成负序不平衡补偿。

在上述的应用于VV牵引供电系统的负序不平衡补偿方法中，步骤2所述三相变换器生成的补偿电流为：

设左侧供电臂为α相，右侧供电臂为β相供电臂；采取四象限脉宽调制PWM整流控制方式，功率因数接近1，且不考虑谐波；

以A相电压为基准，为ac侧负载电流，为bc侧负载电流，则根据VV牵引变压器特点，牵引供电臂两侧负载电流为：

设变压器变比为k，为牵引变压器原边侧A相电流，为牵引变压器原边侧B相电流，牵引变压器原边侧C相电流，三相变换器的三相电流为：

设为牵引变压器原边侧A相负序电流，为牵引变压器原边侧B相负序电流，为牵引变压器原边侧C相负序电流，根据对称分量法可得，

整理上式，三相负序电流表达式为：

设为牵引变压器原边侧A相负序补偿电流，为牵引变压器原边侧B相负序补偿电流，为牵引变压器原边侧C相负序补偿电流，此时补偿电流表达式：

设为牵引变压器副边侧三相补偿器发出的a相负序补偿电流，为牵引变压器副边侧三相补偿器发出的b相负序补偿电流，为牵引变压器副边侧三相补偿器发出的c相负序补偿电流，即三相变换器发出的补偿电流满足如下表达式：

三相补偿电流方向与负序电流方向相反。

一种三相VV牵引变压器下三相变换器负序电流实时检测方法，包括：

I、A相参考信号I_{a_ref}的表达式：

其中，I_ac表示牵引变压器副边ac侧电流，I_bc表示牵引变压器副边bc侧电流；

通过比较A相实际电流与A相参考电流，利用迟滞曲线控制A相上下桥臂的开关管使其完成导通与开断的过程；

II、B相参考信号I_{b_ref}表达式：

通过比较B相实际电流与B相参考电流，利用迟滞曲线控制B相上下桥臂的开关管使其完成导通与开断的过程；

III、C相参考信号I_{c_ref}表达式：

I_{c_ref}＝-(I_{a_ref}+I_{b_ref})

通过比较C相实际电流与C相参考电流，利用迟滞曲线控制C相上下桥臂的开关管使其完成导通与开断的过程。

本发明的有益效果：当VV牵引供电系统中存在负序不平衡问题时，三相变换器能快速响应。本发明提供的应用于VV牵引供电系统的负序不平衡补偿方法使得负序不平衡补偿思路更为简单直接，补偿电流的表达形式更为简洁且意义更加明确，三相变换器的控制策略更为简单，能进一步提高补偿装置的反应速度。更为简单的补偿电流表达形式可以精简拓扑结构，大大减小了三相变换器的成本、容量和占地面积。

附图说明

图1为本发明实施例的VV牵引供电系统装置结构示意图；

图2为本发明实施例的负序电流相量图；

图3为本发明实施例的补偿电流相量图；

图4为本发明实施例的A相参考信号控制框图；

图5为本发明实施例的A相控制信号控制框图；

图6为本发明实施例的B相参考信号控制框图；

图7为本发明实施例的B相控制信号控制框图；

图8为本发明实施例的C相参考信号控制框图；

图9为本发明实施例的C相控制信号控制框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式进行详细描述。

如图1所示，本实施例采用以下技术方案来实现：当VV牵引供电系统中存在负序不平衡问题时，能够实时进行负荷电流大小的判断，并根据负荷电流大小来输入补偿电流，对VV牵引供电系统负序问题进行就地综合补偿。

包括以下步骤：

1、检测VV牵引系统两侧供电臂的负荷电流；

2、根据负荷电流大小，利用任何一种三相变换器生成一个与VV牵引供电系统中负序电流幅值相等、相位相反的补偿电流；

3、利用该三相变换器将补偿电流从牵引变压器的二次侧注入VV牵引供电系统，抵消VV牵引供电系统中的负序电流完成负序不平衡补偿。

当VV牵引供电系统中存在负序不平衡问题时，三相变换器能快速响应。本实施例提供的应用于VV牵引供电系统的负序不平衡补偿方法使得负序不平衡补偿思路更为简单直接，补偿电流的表达形式更为简洁且意义更加明确，三相变换器的控制策略更为简单，能进一步提高补偿装置的反应速度，且更为简单的补偿电流表达形式可以精简拓扑结构，大大减小了三相变换器的成本、容量和占地面积。

下面根据实例进行进一步计算分析，定义图1中的左侧供电臂为α相，右侧供电臂为β相供电臂。由于高速铁路机车一般为交直交电力机车，采取四象限脉宽调制PWM整流控制方式，功率因数接近1。暂不考虑谐波，以A相电压为基准，为ac侧负载电流，为bc侧负载电流，则根据VV牵引变压器特点，牵引供电臂两侧负载电流：

由图1可知，设变压器变比为k，为牵引变压器原边侧A相电流，为牵引变压器原边侧B相电流，牵引变压器原边侧C相电流，三相变换器的三相电流：

设为牵引变压器原边侧A相负序电流，为牵引变压器原边侧B相负序电流，为牵引变压器原边侧C相负序电流，根据对称分量法可知，

整理上述式子可知，三相负序电流表达式：

设为牵引变压器原边侧A相负序补偿电流，为牵引变压器原边侧B相负序补偿电流，为牵引变压器原边侧C相负序补偿电流，此时补偿电流表达式：

设为牵引变压器副边侧三相补偿器发出的a相负序补偿电流，为牵引变压器副边侧三相补偿器发出的b相负序补偿电流，为牵引变压器副边侧三相补偿器发出的c相负序补偿电流，即三相变换器发出的补偿电流满足如下表达式：

本实施例的负序电流相量图与补偿电流相量图如图2、图3所示，从相量图可以看出，三相补偿电流方向与负序电流方向相反。

本实施例还提出三相VV牵引变压器下三相变换器负序电流实时检测方法。

如图4所示，A相参考信号I_{a_ref}的表达式：

其中，I_ac表示牵引变压器副边ac侧电流，I_bc表示牵引变压器副边bc侧电流；

如图5所示，通过比较A相实际电流与A相参考电流，利用迟滞曲线控制A相上下桥臂的开关管使其完成导通与开断的过程。

如图6所示，B相参考信号I_{b_ref}表达式：

如图7所示，通过比较B相实际电流与B相参考电流，利用迟滞曲线控制B相上下桥臂的开关管使其完成导通与开断的过程。

如图8所示，C相参考信号I_{c_ref}表达式：

I_{c_ref}＝-(I_{a_ref}+I_{b_ref})

如图9所示，通过比较C相实际电流与C相参考电流，利用迟滞曲线控制C相上下桥臂的开关管使其完成导通与开断的过程。

利用这种PWM追踪控制策略能有效保证逆变器输出正弦波电能，且逆变器直流电压在变化较大的情况下仍能高效运行。

本实施例提供的应用于VV牵引供电系统的负序不平衡补偿方法以平衡系统负序电流为目标，通过利用三相变换器发出与负序电流方向相反的补偿电流，以简化补偿电流的表达形式。利用简化的补偿电流表达形式进一步简化三相变换器的装置控制策略，能进一步提高补偿装置的反应速度，同时可以精简拓扑结构，大大减小三相变换器的成本、容量和占地面积。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

虽然以上结合附图描述了本发明的具体实施方式，但是本领域普通技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对这些实施方式做出多种变形或修改，而不背离本发明的原理和实质。本发明的范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (3)

1.一种应用于VV牵引供电系统的负序不平衡补偿方法，其特征是，通过实时判断负荷电流大小来输入补偿电流，对VV牵引供电系统负序不平衡进行就地综合补偿；包括以下步骤：

步骤1、检测VV牵引供电系统两侧供电臂的负荷电流；

步骤2、根据负荷电流大小，利用任何一种三相变换器生成与VV牵引供电系统中负序电流幅值相等、相位相反的补偿电流；

步骤3、通过步骤2所述三相变换器将补偿电流从牵引变压器的二次侧注入VV牵引供电系统，以抵消VV牵引供电系统中的负序电流完成负序不平衡补偿。

2.如权利要求1所述的应用于VV牵引供电系统的负序不平衡补偿方法，其特征是，步骤2所述三相变换器生成的补偿电流为：

设左侧供电臂为α相，右侧供电臂为β相供电臂；采取四象限脉宽调制PWM整流控制方式，功率因数接近1，且不考虑谐波；

以A相电压为基准，为ac侧负载电流，为bc侧负载电流，则根据VV牵引变压器特点，牵引供电臂两侧负载电流为：

设变压器变比为k，为牵引变压器原边侧A相电流，为牵引变压器原边侧B相电流，牵引变压器原边侧C相电流，三相变换器的三相电流为：

设为牵引变压器原边侧A相负序电流，为牵引变压器原边侧B相负序电流，为牵引变压器原边侧C相负序电流，根据对称分量法可得，

整理上式，三相负序电流表达式为：

设为牵引变压器原边侧A相负序补偿电流，为牵引变压器原边侧B相负序补偿电流，为牵引变压器原边侧C相负序补偿电流，此时补偿电流表达式：

设为牵引变压器副边侧三相补偿器发出的a相负序补偿电流，为牵引变压器副边侧三相补偿器发出的b相负序补偿电流，为牵引变压器副边侧三相补偿器发出的c相负序补偿电流，即三相变换器发出的补偿电流满足如下表达式：

三相补偿电流方向与负序电流方向相反。

3.一种三相VV牵引变压器下三相变换器负序电流实时检测方法，其特征是，包括：

I、A相参考信号I_{a_ref}的表达式：

其中，I_ac表示牵引变压器副边ac侧电流，I_bc表示牵引变压器副边bc侧电流；

通过比较A相实际电流与A相参考电流，利用迟滞曲线控制A相上下桥臂的开关管使其完成导通与开断的过程；

II、B相参考信号I_{b_ref}表达式：

通过比较B相实际电流与B相参考电流，利用迟滞曲线控制B相上下桥臂的开关管使其完成导通与开断的过程；

III、C相参考信号I_{c_ref}表达式：

I_{c_ref}(I_{a_ref}+I_{b_ref})

通过比较C相实际电流与C相参考电流，利用迟滞曲线控制C相上下桥臂的开关管使其完成导通与开断的过程。