CN110350542B - 一种铁路配电系统电能质量综合补偿装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铁路配电系统电能质量综合装置及其控制方法，属于电气化铁路配电系统电能质量治理技术领域。降压变压器的副边具有一组及以上的绕组，每组绕组分别串接电抗器后接入模块化设计的综合补偿器CC1、综合补偿器CC2、综合补偿器CCn的输入端，构成并联型综合补偿系统；数字控制器的输入端分别通过传感器采集配电所内的有载调压器原边电流和三相电网电压以及综合补偿器的输出电流和支撑电容电压；数字控制器输出端输出的开关信号发送至对应的综合补偿器的控制端。依据基频电流检测算法实现正序基波电流、负序基波电流以及正、负序谐波电流的分离；依据基频控制算法和有害电流控制算法实现对正序基频、负序基频和有害电流的控制。

Description

一种铁路配电系统电能质量综合补偿装置及其控制方法

技术领域

本发明属于电气化铁路配电系统电能质量治理技术领域。

背景技术

目前，为了保障高速铁路沿线一级负荷和综合负荷的可靠供电，10kV电力贯通线采用了全电缆敷设。与架空线相比，全电缆供电方式具有受自然环境影响小，不占地面空间，供电可靠性高等优点。但是全电缆线路的对地电容电流是架空线路的30～100倍，电容效应会造成线路末端电压抬升、无功返送等电能质量问题；在中性点不接地的情况下若发生单相接地故障，较大的电容电流将导致电弧不能自动熄灭。另外，由于线路上大量电力电子设备等非线性负荷的接入，会产生一定的谐波注入配电系统，造成输电线路上产生谐波压降，增大输电损耗等问题。负荷中还有大量设备是单相负荷，其接入配电网后将会产生负序电流，造成三相电网不平衡，降低电网运行的经济性。

当前针对铁路10kV配电系统电能质量的治理多集中在无功补偿方面，主要有两端集中补偿、分散补偿以及首端集中补偿+沿线分散补偿。两端集中补偿方案中首端集中补偿通常采用动态无功补偿装置，用以调整线路首端的功率因数；末端设置固定补偿，补偿线路容性无功，调整线路末端电压。两端集中补偿设备都安装在首末端的配电所内，设备维护简单，但是无法调控整条线路的电压，调节方式不灵活。分散补偿方案将可投切电抗器分散安装在电力贯通线沿线，可减小电缆电容效应产生的容性电流，降低线路电压抬升，调节方式灵活。但是，该方案装置安装分散，运行维护繁琐。首端集中补偿+沿线分散补偿方案中在首端设置动态无功补偿装置，沿线设置可投切固定电抗器，同时兼顾了首端的容性无功补偿与电路电压调节。但是目前配电所内的动态无功补偿装置采用多个可投切电抗器构成，原理上仍属于固定补偿，只能实现无功的有级补偿，易造成过补偿或欠补偿。并且可投切电抗器只能滤除部分谐波，无法实现谐波的全补偿。另外，其不能补偿单相负荷引起的负序电流。因此，亟需一种电能质量综合治理设备用以解决铁路配电系统中的无功、谐波以及负序问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种铁路配电系统电能质量综合补偿装置，它能有效地解决配电所中无功、谐波以及负序电流进行精准地补偿的技术问题。

本发明的另一个目的是提供一种铁路配电系统电能质量综合补偿控制方法，它能有效地解决配电所中无功、谐波以及负序电流进行精准地补偿的技术问题。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种铁路配电系统电能质量综合补偿装置，包括降压变压器T和H桥结构的综合补偿装置CC，降压变压器T的原边三相端口分别与三相电网的A相、B相、C相联接，所述降压变压器T的副边具有一组及以上的绕组，每组绕组分别串接电抗器La1～La3、电抗器Lb1～Lb3、…，电抗器Ln1～Ln3后接入对应的综合补偿器CC1、综合补偿器CC2、…、综合补偿器CCn的输入端，构成并联型综合补偿装置；数字控制器DC的输入端分别通过传感器采集配电所内的有载调压器原边电流i_sa、i_sb、i_sc和三相电网电压u_a、u_b、u_c以及综合补偿器CC1、综合补偿器CC2、…、综合补偿器CCn的输出电流i_ca1、i_cb1、i_cc1，i_ca2、i_cb2、i_cc2，…，i_can、i_cbn、i_ccn和支撑电容电压V_dc1，V_dc2，…，V_dcn；数字控制器DC输出端输出的开关信号PWM1、开关信号PWM2、…、开关信号PWMn发送至对应的综合补偿器CC1、综合补偿器CC2、…、综合补偿器CCn的控制端。

所述综合补偿装置CC中的综合补偿器CC1、综合补偿器CC2、…、综合补偿器CCn均采用两电平H桥结构或者多电平H桥结构。

所述降压变压器T的副边绕组数等于根据综合补偿的容量需求设定的综合补偿器台数。

所述综合补偿装置的功能实现需要依据基频电流检测算法，首先检测三相电网电压u_a、u_b、u_c，并通过锁相环PLL得到坐标变换所需的电压相角的正弦、余弦值与电网角频率和时间的乘积ωt；然后采集配电所有载调压器原边电流i_sa、i_sb、i_sc，并通过正序dq变换abc-dq和负序dq变换abc^--dq^-分别得到电流i_sa、i_sb、i_sc在正序坐标系下的电流形式i⁺ _p、i⁺ _q和在负序坐标系下的电流形式i^- _p、i^- _q，再分别送入低通滤波器得到基频有功、无功正序分量i^* _p、i^* _q和基频负序有功、无功分量i^* _dN、i^* _qN，从而实现正序基波电流、负序基波电流以及正、负序谐波电流的分离。

本发明的另一个目的是通过以下技术方案来实现的：一种铁路配电系统电能质量综合补偿装置的控制方法，包含正序基频控制、负序基频控制和有害电流控制三个部分，正序基频控制通过采集综合补偿器CC1、综合补偿器CC2、…、综合补偿器CCn的输出电流i_ca1、i_cb1、i_cc1，i_ca2、i_cb2、i_cc2，…，i_can、i_cbn、i_ccn和交流侧电压u_a、u_b、u_c以及直流侧支撑电容电压V_dc1、V_dc2、…，V_dcn，再通过外环功率控制、内环电流控制的双环控制与dq解耦控制相结合的方式产生正序电压的三相参考量v^* _a、v^* _b、v^* _c；负序基频控制通过采集综合补偿器CC1、综合补偿器CC2、…、综合补偿器CCn的输出电流i_ca1、i_cb1、i_cc1，i_ca2、i_cb2、i_cc2，…，i_can、i_cbn、i_ccn，再通过dq解耦控制的方式产生负序电压三相参考量v^* _aN、v^* _bN、v^* _cN；有害电流控制将配电所有载调压器原边电流i_sa、i_sb、i_sc在dq坐标系下的基频分量i^* _p、i^* _q通过dq-abc变换的到其在abc坐标系下的形式i_sfa、i_sfb、i_sfc，然后用i_sa、i_sb、i_sc减去i_sfa、i_sfb、i_sfc得到未被补偿的正序谐波电流分量和负序谐波电流分量i_ha、i_hb、i_hc，最后通过比例控制器得到有害电压的三相参考量v_ha、v_hb、v_hc。最后将正序电压三相参考量v^* _a、v^* _b、v^* _c，负序电压三相参考量v^* _aN、v^* _bN、v^* _cN和有害电压三相参考量v_ha、v_hb、v_hc相加后送入PWM调制模块，得到各个综合补偿器的开关信号。

因此，在配电系统的变电所内配备基于电力电子变换器的综合补偿装置，其由降压变压器和综合补偿器构成。降压变压器原边三相连接配电所有载调压器的A、B、C三相，副边每个绕组再经电抗器(La1～La3，Lb1～Lb3，…，Ln1～Ln3)连接综合补偿器CC1，综合补偿器CC2，…，综合补偿器CCn，形成配电所电能质量综合补偿装置CC。综合补偿装置通过传感器采集流入配电所的三相电流i_sa、i_sb、i_sc送入数字控制器DC，数字控制器DC通过一定的电流检测算法将其中的无功分量、谐波分量以及负序分量分离开来，然后通过基频控制算法(有功无功控制算法、基波负序抑制算法)和有害电流控制算法(谐波、负序抑制算法)输出开关信号至综合补偿装置，控制其产生一个与网侧无功电流、谐波电流和负序电流的合成电流相反的电流注入网侧，使得三相电网流入配电所单位功率因数运行，且不向三相电网注入谐波以及负序电流。

本发明可彻底解决铁路配电网系统的无功、谐波以及负序等电能质量问题，实现铁路配电系统的安全、绿色运行。

与现有技术相比，本发明的优势为：

1、本发明提出一种铁路配电系统电能质量综合装置及其控制方法，可综合治理电力贯通线中未被完全补偿的无功以及谐波和负序问题，实现铁路配电系统的安全、绿色运行。

2、电能质量综合补偿装置采用模块化设计，可方便扩充补偿容量，满足实际应用要求。

附图说明

图1是本发明整体电路示意图；

图2是本发明基于两电平H桥结构的电路示意图；

图3是本发明基于三电平H桥结构的电路示意图；

图4是本发明综合补偿装置的电流检测算法框图；

图5是本发明综合补偿装置的控制算法框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

图1是本发明提出的一种铁路配电系统电能质量综合补偿装置。铁路配电所有载调压器原边接于三相电网，副边接10kV电力贯通线(综合贯通线或一级贯通线)，电力贯通线上为铁路沿线的各类负载供能。需要说明的是高速铁路电力贯通线均采用全电缆敷设，其对地电容大，会产生较大的容性无功电流，造成线路末端电压抬升、无功返送等电能质量问题。此外，铁路沿线存在大量非线性用电设备以及单相用电负荷，会产生大量的谐波以及负序电流，造成三相电流严重过畸变且三相不平衡。这些电能质量问题如果不加以治理不仅会威胁铁路沿线设备的用电安全，还会通过配电所内的有载调压器注入三相电网，使得三相电网的电能质量下降，威胁公共电网的安全稳定运行。现有首端集中+沿线分散方案，只能补偿线路的部分容性无功电流，且对于谐波以及负序电流的补偿效果差，因此本发明提出一种基于电力电子技术的综合补偿装置，用以解决铁路配电系统中存在的电能质量问题。图1中的电能质量综合补偿装置，由降压变压器和综合补偿器构成。降压变压器副边绕组数可根据容量需求确定，既可以是单绕组，也可以是多绕组。降压变压器原边三相连接配电所10kV有载调压器的A、B、C三相，副边每个绕组再经电抗器(La1～La3，Lb1～Lb3，…，Ln1～Ln3)连接综合补偿器CC1，综合补偿器CC2，…，综合补偿器CCn，形成配电所电能质量综合补偿系统。

需要说明的是，根据实际需求，综合补偿器是两电平结构，或者是多电平结构，例如，图2所示的基于两电平H桥结构的综合补偿器，图中S11～S32表示开关器件，A11～A13表示三相连接线，C1表示直流电容。

图3所示的基于三电平二极管箝位H桥结构的综合补偿器，图中A21～A23表示三相连接线，S11～S34表示开关器件，D11～D21表示二极管，C1、C2表示直流电容。

综合补偿装置CC的工作原理是：通过传感器采集流入配电所的三相电流i_sa、i_sb、i_sc送入数字控制器DC，数字控制器DC通过一定的电流检测算法将其中的无功分量、谐波分量以及负序分量分离开来，然后通过基频控制算法(有功无功控制算法、基波负序抑制算法)和有害电流控制算法(谐波、负序抑制算法)输出开关信号至综合补偿装置，控制其产生一个与网侧无功电流、谐波电流和负序电流的合成电流相反的电流注入网侧，使得三相电网流入配电所单位功率因数运行，且不向三相电网注入谐波以及负序电流。

下面对电流检测算法以及综合补偿器的控制算法进行说明：

一、基频电流检测算法

图4是综合补偿装置的基频电流检测算法框图，首先采集配电所有载调压器原边电流i_sa、i_sb、i_sc，三相电网电压u_a、u_b、u_c，然后分别通过正序dq变换abc-dq和负序dq变换abc^--dq^-分别得到电流i_sa、i_sb、i_sc在正序坐标系下的电流形式i⁺ _p、i⁺ _q和在负序坐标系下的电流形式i^- _p、i^- _q，在分别送入低通滤波器得到基频有功、无功正序分量i^* _p、i^* _q和基频负序有功、无功分量i^* _dN、i^* _qN。电流检测中坐标变换所需的电压相角的正弦、余弦值与电网角频率和时间的乘积ωt由锁相环PLL得到。

二、基频电流控制算法和有害电流控制算法

图5为综合补偿装置的控制框图，包含正序基频控制、负序基频控制和有害电流控制三个部分。

正序基频控制采用外环功率控制、内环电流控制的双环控制与dq解耦控制相结合的方法。一方面采用外环有功功率控制，即功率外环控制器将直流侧支撑电容电压实际值V_dc与给定值V^* _dc作差并经过PI控制器得到需要的d轴参考量i^* _d，为了使得综合补偿器能够补偿网侧正序无功电流，q轴参考量设置为网侧正序无功电流i^* _q的相反值；另一方面采用内环电流控制，即综合补偿器交流侧输出电流经abc-dq坐标变换至dq坐标下并通过低通滤波器LPF滤波，得到不含谐波的正序有功、无功直流分量i_d和i_q。i_d与其参考量i^* _d作差后经PI控制器，再结合三相电源电压在dq坐标下的有功分量U_max和不含谐波的无功直流分量i_q，得到需要的控制量的参考值的d轴分量v^* _d；i_q与其参考量i^* _q作差后经PI控制器，不含谐波的有功直流分量i_d，得到需要的控制量的参考值的q轴分量v^* _q。v^* _d和v^* _q通过在dq-abc坐标变换转化成三相的参考量v^* _a、v^* _b、v^* _c。

同理负序基频控制也采用dq解耦控制，即综合补偿器交流侧输出电流经abc^--dq^-坐标变换至负序dq坐标下并通过低通滤波器LPF滤波，得到不含谐波的负序有功无功直流分量i_dN和i_qN。i_dN与其参考量i^* _dN作差后经PI控制器，再结合不含谐波的无功直流分量i_qN，得到需要的控制量的参考值的d轴分量v^* _dN；i_qN与其参考量i^* _qN作差后经PI控制器，不含谐波的有功直流分量i_dN，得到需要的控制量的参考值的q轴分量v^* _qN、v^* _dN和v^* _qN通过在dq^--abc^-坐标变换转化成三相的参考量v^* _aN、v^* _bN、v^* _cN。

有害电流控制将配电所有载调压器原边电流i_sa、i_sb、i_sc在dq坐标系下的基频分量i^* _p、i^* _q通过dq-abc变换的到其在abc坐标系下的形式i_sfa、i_sfb、i_sfc，然后用i_sa、i_sb、i_sc减去i_sfa、i_sfb、i_sfc得到未被补偿的正序谐波电流分量和负序谐波电流分量i_ha、i_hb、i_hc，最后通过比例控制器得到有害电压的三相参考量v_ha、v_hb、v_hc。

最后将正序电压三相参考量v^* _a、v^* _b、v^* _c，负序电压三相参考量v^* _aN、v^* _bN、v^* _cN和有害电压三相参考量v_ha、v_hb、v_hc相加后送入PWM调制模块，得到各个综合补偿器的开关信号。

本发明可综合治理铁路配电系统中的无功、谐波以及负序问题，实现铁路配电系统对三相公用电网的友好运行。

Claims (4)

1.一种铁路配电系统电能质量综合补偿装置，包括降压变压器T和H桥结构的综合补偿装置CC，降压变压器T的原边三相端口分别与三相电网的A相、B相、C相联接，其特征在于：所述降压变压器T的副边具有一组及以上的绕组，每组绕组分别串接电抗器La1～La3、电抗器Lb1～Lb3、…、电抗器Ln1～Ln3后接入对应的综合补偿器CC1、综合补偿器CC2、…、综合补偿器CCn的输入端，构成并联型综合补偿装置；数字控制器DC通过传感器采集配电所内的有载调压器原边电流i_sa、i_sb、i_sc，采用基频电流检测算法将其中的正序基波电流、负序基波电流以及正、负序谐波电流分离；数字控制器DC的输入端通过传感器采集三相电网电压u_a、u_b、u_c以及综合补偿器CC1、综合补偿器CC2、…、综合补偿器CCn的输出电流i_ca1、i_cb1、i_cc1，i_ca2、i_cb2、i_cc2，…，i_can、i_cbn、i_ccn和支撑电容电压V_dc1、V_dc2、…、V_dcn，并根据分离的基频有功、无功正序分量i*_p、i*_q和基频负序有功、无功分量i*_dN、i*_qN，采用正序基频控制算法、负序基频控制算法和有害电流控制算法得到正序电压三相参考量、负序电压三相参考量和有害电压三相参考量；最后将正序电压三相参考量v*_a、v*_b、v*_c，负序电压三相参考量v*_aN、v*_bN、v*_cN和有害电压三相参考量v_ha、v_hb、v_hc相加后送入PWM调制模块，得到各个综合补偿器的开关信号，从而产生一个与网侧无功电流、谐波电流和负序电流的合成电流相反的电流注入网侧，使得三相电网流入配电所单位功率因数运行，且不向三相电网注入谐波以及负序电流；

所述综合补偿装置的功能实现需要依据基频电流检测算法，首先检测三相电网电压u_a、u_b、u_c，并通过锁相环PLL得到坐标变换所需的电压相角的正弦、余弦值与电网角频率和时间的乘积ωt；然后采集配电所有载调压器原边电流i_sa、i_sb、i_sc，并通过正序dq变换abc-dq和负序dq变换abc^--dq^-分别得到电流i_sa、i_sb、i_sc在正序坐标系下的电流形式i⁺ _p、i⁺ _q和在负序坐标系下的电流形式i^- _p、i^- _q，再分别送入低通滤波器得到基频有功、无功正序分量i^* _p、i^* _q和基频负序有功、无功分量i^* _dN、i^* _qN，从而实现正序基波电流、负序基波电流以及正、负序谐波电流的分离；

所述正序基频控制算法采用外环功率控制、内环电流控制的双环控制与dq解耦控制相结合的方法，一方面采用外环有功功率控制，即功率外环控制器将直流侧支撑电容电压实际值V_dc与给定值V*_dc作差并经过PI控制器得到需要的d轴参考量i*_d，q轴参考量设置为网侧正序无功电流i*_q的相反值；另一方面采用内环电流控制，即综合补偿器交流侧输出电流经abc-dq坐标变换至dq坐标下并通过低通滤波器LPF滤波，得到不含谐波的正序有功、无功直流分量i_d和i_q；id与其参考量i*_d作差后经PI控制器，再结合三相电源电压在dq坐标下的有功分量U_max和不含谐波的无功直流分量i_q，得到需要的控制量的参考值的d轴分量v*_d；i_q与其参考量i*_q作差后经PI控制器，不含谐波的有功直流分量i_d，得到需要的控制量的参考值的q轴分量v*_q；v*_d和v*_q通过在dq-abc坐标变换转化成三相的参考量v*_a、v*_b、v*_c；

所述负序基频控制算法采用dq解耦控制，即综合补偿器交流侧输出电流经abc-dq坐标变换至负序dq坐标下并通过低通滤波器LPF滤波，得到不含谐波的负序有功无功直流分量i_dN和i_qN；i_dN与其参考量i*_dN作差后经PI控制器，再结合不含谐波的无功直流分量i_qN，得到需要的控制量的参考值的d轴分量v*_dN；i_qN与其参考量i*_qN作差后经PI控制器，不含谐波的有功直流分量i_dN，得到需要的控制量的参考值的q轴分量v*_qN、v*_dN和v*_qN通过在dq-abc坐标变换转化成三相的参考量v*_aN、v*_bN、v*_cN；

所述有害电流控制算法将配电所有载调压器原边电流i_sa、i_sb、i_sc在dq坐标系下的基频分量i*_p、i*_q通过dq-abc变换的到其在abc坐标系下的形式i_sfa、i_sfb、i_sfc，然后用i_sa、i_sb、i_sc减去i_sfa、i_sfb、i_sfc得到未被补偿的正序谐波电流分量和负序谐波电流分量i_ha、i_hb、i_hc，最后通过比例控制器得到有害电压的三相参考量v_ha、v_hb、v_hc。

2.根据权利要求1所述的一种铁路配电系统电能质量综合补偿装置，其特征在于：所述综合补偿装置CC中的综合补偿器CC1、综合补偿器CC2、…、综合补偿器CCn均采用两电平H桥结构或者多电平H桥结构。

3.根据权利要求1所述的一种铁路配电系统电能质量综合补偿装置，其特征在于：所述降压变压器T的副边绕组数等于根据综合补偿的容量需求设定的综合补偿器台数。

4.一种应用权利要求1所述铁路配电系统电能质量综合补偿装置的控制方法，包含正序基频控制、负序基频控制和有害电流控制三个部分，正序基频控制通过采集综合补偿器CC1、综合补偿器CC2、…、综合补偿器CCn的输出电流i_ca1、i_cb1、i_cc1，i_ca2、i_cb2、i_cc2，…，i_can、i_cbn、i_ccn和交流侧电压u_a、u_b、u_c以及直流侧支撑电容电压V_dc1、V_dc2、…，V_dcn，再通过外环功率控制、内环电流控制的双环控制与dq解耦控制相结合的方式产生正序电压的三相参考量v^* _a、v^* _b、v^* _c；负序基频控制通过采集综合补偿器CC1、综合补偿器CC2、…、综合补偿器CCn的输出电流i_ca1、i_cb1、i_cc1，i_ca2、i_cb2、i_cc2，…，i_can、i_cbn、i_ccn，再通过dq解耦控制的方式产生负序电压三相参考量v^* _aN、v^* _bN、v^* _cN；有害电流控制将配电所有载调压器原边电流i_sa、i_sb、i_sc在dq坐标系下的基频分量i^* _p、i^* _q通过dq-abc变换的到其在abc坐标系下的形式i_sfa、i_sfb、i_sfc，然后用i_sa、i_sb、i_sc减去i_sfa、i_sfb、i_sfc得到未被补偿的正序谐波电流分量和负序谐波电流分量i_ha、i_hb、i_hc，最后通过比例控制器得到有害电压的三相参考量v_ha、v_hb、v_hc，最后将正序电压三相参考量v^* _a、v^* _b、v^* _c，负序电压三相参考量v^* _aN、v^* _bN、v^* _cN和有害电压三相参考量v_ha、v_hb、v_hc相加后送入PWM调制模块，得到各个综合补偿器的开关信号。