CN114678879B - 用于牵引网单相负载供电的负序电流补偿方法及系统 - Google Patents

用于牵引网单相负载供电的负序电流补偿方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于牵引网单相负载供电的负序电流补偿方法及系统，通过第一三相V/v变压器实现高压电网与牵引侧中压电网之间转换，所述转换为三相高电压与两相中电压之间的转换；通过第二三相V/v变压器实现牵引侧中压电网与低压电网之间转换，所述转换为两相中电压与三相低电压之间的转换；所述低压电网接入多个光伏发电单元，通过所述光伏发电单元对高压电网的负序电流进行补偿。本发明能够对单相机车负载产生的电网负序电流进行补偿，以保证高压电网的电流平衡。

Description

用于牵引网单相负载供电的负序电流补偿方法及系统
技术领域
本发明涉及一种用于牵引网单相负载供电的负序电流补偿方法及系统。
背景技术
基于dq旋转坐标系的解决方案是将abc坐标系下的三相瞬时电压映射到dq坐标系中的瞬时电压，其优势之一是将零序分量从abc坐标系中分离出来，以使用较少变量完成不同目标的控制，但该方法存在结构复杂、控制参数难整定等缺点，且容易受到输入电压波动和输出电流变化的影响。而基于αβ静止坐标系的解决方案是将abc静止坐标系下的相电压和线电流瞬时值变换到αβ静止坐标系中，该方法在一定程度上提高了整流器的抗干扰能力，但控制参数不直观，坐标变换增加了控制时间。因此，在电流控制策略的设计中，以上两种方法均是依据两个独立的可调参数灵活的控制多个不同的目标，但采用分序控制的方法，其正、负序电流值只考虑了三相负载，不适合作为单相负载的牵引供电系统电气化列车。基于静止坐标系下的解决方案利用了牵引侧和光伏逆变器各相电压、电流之间的对应关系，生成注入牵引侧的不对称三相电流，以补偿由牵引网络中的单相机车负载引起的不对称电流。但该方法未考虑光伏逆变器容量的限制。
牵引网接入单相机车负载，由于负荷不对称，会导致高压电网产生负序电流，不利于高压电网运行。
发明内容
本发明的发明目的在于提供一种用于牵引网单相负载供电的负序电流补偿方法及系统，能够对单相机车负载产生的电网负序电流进行补偿，以保证高压电网的电流平衡。
基于同一发明构思，本发明具有两个独立的技术方案：
1、一种用于牵引网单相负载供电的负序电流补偿方法，
通过第一三相V/v变压器实现高压电网与牵引侧中压电网之间转换，所述转换为三相高电压与两相中电压之间的转换；
通过第二三相V/v变压器实现牵引侧中压电网与低压电网之间转换，所述转换为两相中电压与三相低电压之间的转换；
所述低压电网接入多个光伏发电单元，通过所述光伏发电单元对高压电网的负序电流进行补偿。
进一步地，所述光伏发电单元包括三相逆变器、电流控制器，在优先输出光伏全部有功功率和不超过三相逆变器容量的前提下，电流控制器通过控制三相逆变器的电流输出，对高压电网负序电流进行补偿。
进一步地，所述光伏发电单元包括直流链路电压控制模块，所述直流链路电压控制模块用于对三相逆变器输入的直流电压进行控制和获得有功功率参考值Pcref。
进一步地，所述直流链路电压控制模块采用PI控制，有功功率参考值Pcref通过如下公式获得：
Figure BDA0003601527970000021
式中，Vdc为光伏侧直流电压，Vdcref为直流电压参考值，kvp和kvi分别为比例和积分参数。
进一步地，基于有功功率参考值Pcref，获得所述三相逆变器输出的正序电流幅值参考值I+crefm。
进一步地，所述有功功率参考值Pcref与所述正序电流幅值参考值I+crefm之间的关系为
Figure BDA0003601527970000031
式中，Ucm为光伏侧相电压幅值。
进一步地，所述三相逆变器可输出的最大负序电流幅值I﹣cref.max为
Figure BDA0003601527970000032
式中，Icm_nom为光伏逆变器的最大电流允许值，Sc为光伏逆变器额定容量。
进一步地，所述单相牵引负载所需补偿的负序电流Ineed为
Figure BDA0003601527970000033
式中，PLL为单相牵引负载功率。
进一步地，三相逆变器输出的负序电流幅值不能超过由单相牵引负载产生的负序电流幅值以及三相逆变器的最大允许电流值。所述三相逆变器输出的负序电流幅值参考值I﹣crefm为
Figure BDA0003601527970000041
进一步地，获得高压电网负序电流相位，根据高压电网负序电流相位确定所述三相逆变器输出的负序电流参考值的相位；所述负序电流参考值的相位与高压电网负序电流相位相反。
进一步地，通过锁相环获得所述负序电流参考值的相位，或者通过高压电网、牵引侧中压电网和低压电网的电压、电流关系得到所述负序电流参考值的相位。
2、一种实现上述方法的系统，高压电网与牵引侧中压电网之间接有第一三相V/v变压器，牵引侧中压电网与低压电网之间接有第二三相V/v变压器；低压电网接入多个光伏发电单元，所述光伏发电单元可对高压电网的负序电流进行补偿。
本发明具有的有益效果：
本发明低压电网接入多个光伏发电单元，通过光伏发电单元对高压电网的负序电流进行补偿，可以在逆变器输出全部光伏有功功率的情况下，利用剩余的电流容量产生相位与高压侧负序电流相反、幅值受逆变器容量和所需补偿负序电流限制的负序输出电流，然后通过特定的相位将负序输出电流传递给机车负载，保持高压侧电流平衡和功率恒定。本发明在无需增加补偿器的情况下能够最大化降低由牵引网接入单相机车负载产生的高压侧负序电流，提高电能质量。本发明提出了电流限幅控制策略，在光伏逆变器输出不对称电流指令补偿机车负序电流同时，实现了光伏逆变器的输出电流不超过最大允许值，保证了光伏逆变器的有效运行。本发明所提出控制策略实施于静止坐标系下，所有的计算和实现都是在固定的参考坐标下中进行的，完全避免了锁相环和坐标变换问题。
本发明光伏发电单元包括三相逆变器、电流控制器，电流控制器通过控制三相逆变器的电流输出，对高压电网负序电流进行补偿。本发明采用三相集成配置，具有结构简单，集成集中，且在无机车负载时，可正常输入三相平衡电流，保证高压侧电流平衡和功率恒定。本发明三相光伏集成结构避免了由单相变流器引起的三相系统的不平衡电流和振荡功率，且当一个牵引臂上有机车负载时，可注入适当的电流将总有功功率传递给机车负载以改善电能质量。
本发明光伏发电单元包括直流链路电压控制模块，直流链路电压控制模块用于对三相逆变器输入的直流电压进行控制和获得有功功率参考值Pcref，基于有功功率参考值Pcref获得三相逆变器输出的正序电流、负序电流幅值，电流控制器根据正序、负序电流幅值对三相逆变器输出的电流幅值进行控制，有效保证对高压电网的负序电流的补偿效果，实现高压电网的电流平衡。
附图说明
图1是本发明用于牵引网单相负载供电的负序电流补偿方法的电网配置图；
图2是本发明光伏发电单元的控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
实施例一：
用于牵引网单相负载供电的负序电流补偿方法
如图1所示，通过第一三相V/v变压器1实现高压电网与牵引侧中压电网之间转换，所述转换为三相高电压与两相中电压之间的转换；通过第二三相V/v变压器2实现牵引侧中压电网与低压电网之间转换，所述转换为两相中电压与三相低电压之间的转换；所述低压电网接入多个光伏发电单元3，通过所述光伏发电单元3对高压电网的负序电流进行补偿。
以Y/Y变压器6为例，根据端口电压及端口电流变换理论，可推导出电网侧高压和光伏侧低压的电压电流关系式为：
Figure BDA0003601527970000061
Figure BDA0003601527970000062
uca、ucb、ucc为光伏发电机组三相电压，uA、uB、uC为电网三相电压，iA、iB、iC为电网三相电流，iLα、iLβ分别为α、β臂的负载电流，ica、icb、icc为光伏发电机组三相电流，k1、k2、k3分别为第一三相V/v变压器1、第二三相V/v变压器2和Y/Y变压器6的变比。
由公式(2)可知，光伏发电单元3可以用作有功功率补偿器，以补偿由牵引网络中的单相机车负载引起的电网负序电流，从而实现公用网络的高性能电流。
如图1、图2所示，所述光伏发电单元包括三相逆变器4、电流控制器5、Y/Y变压器6、光伏模块7，电流控制器5通过控制三相逆变器4的电流输出，对高压电网负序电流进行补偿。
如图2所示，所述光伏发电单元包括直流链路电压控制模块，所述直流链路电压控制模块用于对三相逆变器4输入的直流电压进行控制和获得有功功率参考值Pcref。
所述直流链路电压控制模块采用PI控制，有功功率参考值Pcref通过如下公式获得：
Figure BDA0003601527970000071
式中，Vdc为光伏侧直流电压，Vdcref为直流电压参考值，kvp和kvi分别为比例和积分参数。
现代电力机车配备了基于PWM的整流器，并以单位功率因数模式运行，因此光伏发电单元无需提供无功功率，所以无功功率参考值可简单的设置为0，即Qcref＝0，且可将机车近似为纯阻性负荷。
在三相静止坐标系下，逆变器每一相电流与机车负载电流有明显的对应关系，基于比例谐振(PR)的电流控制器可实现对光伏发电单元中的三相逆变器电流控制。
三相逆变器的数学模型为：
Figure BDA0003601527970000072
其中，ucabc为逆变器输出电压，icabc为逆变器相电流，vcabc为低压电网电压，L和R是输出电容和电阻。
在三相静止坐标系下，可得低压电网电压为：
Figure BDA0003601527970000081
其中，v'ca、v'cb、v'cc是电流控制器的输出值。基于PR的电流控制器的输出值可表示为：
Figure BDA0003601527970000082
其中，icaref、icbref、iccref分别为abc相电流参考值，G(s)为传递函数。
基于PR的传递函数G(s)为：
Figure BDA0003601527970000083
其中，kip和kir分别为比例和谐振参数，ωc为截止频率。
电流参考值由正序电流参考值i+cref和负序电流参考值i﹣cref组成，即：
icref＝i+cref+i﹣cref
设I+crefm为正序电流参考值幅值，I﹣crefm为负序电流参考值幅值，Icrefm为电流参考值幅值。
直流电压外环的输出可作为内部电流控制环路的正序电流参考值的幅值，即：
Figure BDA0003601527970000084
获得高压电网负序电流相位，根据高压电网负序电流相位确定所述三相逆变器输出的负序电流参考值的相位；
生成负序电流参考值，首先通过锁相环获得光伏侧abc三相正序电流相位和高压侧ABC三相负序电流相位。因为光伏侧负序电流指令起到补偿高压侧由单相负荷引起的负序电流的作用，所以高压侧ABC三相负序电流的反相位即为光伏侧abc三相负序电流参考值的相位。即，负序电流参考值的相位与高压电网负序电流相位相反。
在接入单相牵引负荷的情况下，由光伏侧正、负序电流参考值的相位可知，相电压幅值最大时，i+cref与i﹣cref的夹角为120°。因此光伏逆变器最大相幅值Icrefm.max为：
Figure BDA0003601527970000091
以光伏逆变器额定电流作为其最大允许电流：
Figure BDA0003601527970000092
式中，Icm_nom为光伏逆变器额定电流，Sc为光伏逆变器额定容量。由于光伏逆变器输出电流不能超过其最大允许电流，则有：
Figure BDA0003601527970000093
光伏逆变器可输出的最大负序电流幅值I crefm.max可表示为：
Figure BDA0003601527970000094
同时，为确保高压电网侧三相电流对称，光伏逆变器输出的最大负序电流幅值不能超过由单相牵引负荷产生的负序电流幅值。因此，光伏逆变器可输出的负序电流幅值将受到逆变器容量和电网负序电流补偿需求的双重限制，光伏逆变器可输出的最大负序电流幅值可表示为：
Figure BDA0003601527970000101
除了通过锁相环获得负序电流参考值的相位，还可通过高压侧、低压侧和光伏侧的电压、电流关系得到负序电流参考值的相位。
为完成光伏功率的并网馈送，根据图1所示电流正方向，光伏逆变器输出的正序电流与其相电压相位相反，有功功率才可向牵引网输出。则光伏逆变器正序电流指令相位可表示为：
Figure BDA0003601527970000102
式中，i+caref、i+cbref、i+ccref为逆变器正序电流分量指令，<>表示相位角。
当牵引负荷位于α牵引臂时，简称为Mode1，该情况下牵引负荷由高压电网A相和C相供电，B相电流为零。在该工况下，以A相电压为基准，设uA＝Umsin<uA>，则α牵引臂电压为：
Figure BDA0003601527970000103
其中，uAC为高压侧A、C相间的线电流，Um为高压电网侧相电压幅值,k1为第一三相V/v变压器1的变比，<>表示相位角。
由于现代电力机车多采用基于全控器件的四象限整流器，通常运行于单位功率因数模式，因此可认为牵引负荷为纯阻性负荷，即牵引臂电流和电压相位相同，但其幅值由牵引负荷决定，则α牵引臂电流可表示为：
Figure BDA0003601527970000111
其中，PLL为牵引负荷功率。
高压侧电网三相电流iA、iB、iC可表示为：
Figure BDA0003601527970000112
根据瞬时对称分量理论，高压电网侧负序电流i A、i B、i C为：
Figure BDA0003601527970000113
其中，a＝ej120°为旋转因子。
为补偿高压侧由单相负荷引起的负序电流，所以高压侧各相负序电流的反相位即为光伏侧各相负序电流参考值的相位，即光伏负序电流参考值的a相与UC(即Ucc)同相位，b相与UB(即Ucb)同相位，c相与UA(即Uca)同相位。
假设将机车负载作用于β臂，而α臂无机车负载时，可称为Mode 2。该情况下有功功率应通过相位B相和C相输送，且A相的电流为0。
仍以A相电压为基准，则:
Figure BDA0003601527970000114
其中，uBC为高压侧B、C相间的线电流。
则β牵引臂电流可表示为：
Figure BDA0003601527970000115
其中，PLL为牵引负荷功率。
高压侧电网三相电流可表示为：
Figure BDA0003601527970000121
根据瞬时对称分量理论，高压电网侧负序电流i A、i B、i C为：
Figure BDA0003601527970000122
此时，光伏负序电流参考值的a相与UA即(Uca)同相位，b相与UC(即Ucc)同相位，c相与UB(即Ucb)同相位。
综上可知，通过获取光伏输出电压Uca、Ucb、Ucc的相位，可得到牵引网接入单相负载时的光伏负序电流参考值的相位。
相较于通过锁相环获得负序电流参考值相位的方法，此方法更加简便快速，但其精度不高。本文采用的是此方法获得负序电流参考值的相位。
因此，光伏逆变器正序电流参考值可表示为：
Figure BDA0003601527970000123
光伏逆变器负序电流指令可表示为：
Figure BDA0003601527970000124
实施例二：
用于牵引网单相负载供电的负序电流补偿系统
如图1所示，高压电网与牵引侧中压电网之间接有第一三相V/v变压器1，牵引侧中压电网与低压电网之间接有第二三相V/v变压器2；低压电网接入多个光伏发电单元3，所述光伏发电单元3可对高压电网的负序电流进行补偿。
如图1、图2所示，所述光伏发电单元包括三相逆变器4、电流控制器5、Y/Y变压器6、光伏模块7，电流控制器5通过控制三相逆变器4的电流输出，对高压电网负序电流进行补偿。
实施例二所述系统用于实现实施例一所述的方法。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。

Claims (7)

1.一种用于牵引网单相负载供电的负序电流补偿方法，其特征在于：
通过第一三相V/v变压器实现高压电网与牵引侧中压电网之间转换，所述转换为三相高电压与两相中电压之间的转换；
通过第二三相V/v变压器实现牵引侧中压电网与低压电网之间转换，所述转换为两相中电压与三相低电压之间的转换；
所述低压电网接入多个光伏发电单元，通过所述光伏发电单元对高压电网的负序电流进行补偿；
基于有功功率参考值Pcref，获得三相逆变器输出的正序电流幅值参考值
Figure 870144DEST_PATH_IMAGE001
；
所述有功功率参考值Pcref与所述正序电流幅值参考值
Figure 131492DEST_PATH_IMAGE002
之间的关系为
Figure 848913DEST_PATH_IMAGE003
式中，Ucm为光伏侧相电压幅值；
三相逆变器在不超过最大允许电流值的前提下，可输出的最大负序电流幅值
Figure 211498DEST_PATH_IMAGE004
为
Figure 963554DEST_PATH_IMAGE006
式中，Icm_nom为光伏逆变器的最大允许电流值，Sc为光伏逆变器额定容量；
单相牵引负载所需补偿的负序电流Ineed为
Figure 458120DEST_PATH_IMAGE007
式中，PLL为单相牵引负载功率；
三相逆变器输出的负序电流幅值不能超过由单相牵引负载产生的负序电流幅值以及三相逆变器的最大允许电流值；
三相逆变器输出负序电流幅值参考值
Figure 662837DEST_PATH_IMAGE008
为
Figure 907742DEST_PATH_IMAGE009
。
2.根据权利要求1所述的用于牵引网单相负载供电的负序电流补偿方法，其特征在于：所述光伏发电单元包括三相逆变器、电流控制器，在优先输出光伏全部有功功率和不超过三相逆变器容量的前提下，电流控制器通过控制三相逆变器的电流输出，对高压电网负序电流进行补偿。
3.根据权利要求2所述的用于牵引网单相负载供电的负序电流补偿方法，其特征在于：所述光伏发电单元包括直流链路电压控制模块，所述直流链路电压控制模块用于对三相逆变器输入的直流电压进行控制和获得有功功率参考值Pcref。
4.根据权利要求3所述的用于牵引网单相负载供电的负序电流补偿方法，其特征在于：所述直流链路电压控制模块采用PI控制，有功功率参考值Pcref通过如下公式获得：
Figure 248725DEST_PATH_IMAGE010
式中，Vdc为光伏侧直流电压，Vdcref为直流电压参考值，kvp和kvi分别为比例和积分参数。
5.根据权利要求1所述的用于牵引网单相负载供电的负序电流补偿方法，其特征在于：获得高压电网负序电流相位，根据高压电网负序电流相位确定三相逆变器输出的负序电流参考值的相位；所述负序电流参考值的相位与高压电网负序电流相位相反。
6.根据权利要求1所述的用于牵引网单相负载供电的负序电流补偿方法，其特征在于：通过锁相环获得所述负序电流参考值的相位，或者通过高压电网、牵引侧中压电网和低压电网的电压、电流关系得到所述负序电流参考值的相位。
7.一种实现权利要求1至6任何一项所述方法的系统，其特征在于：高压电网与牵引侧中压电网之间接有第一三相V/v变压器，牵引侧中压电网与低压电网之间接有第二三相V/v变压器；低压电网接入多个光伏发电单元，所述光伏发电单元可对高压电网的负序电流进行补偿。
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