陸子清
電氣化鐵道的電力機車負荷一般均是通過降壓變壓器接入電力系統(tǒng)線-線間的單相負荷,當單相功率較大時,可使三相電力系統(tǒng)的電流和電壓產(chǎn)生不平衡;另外,機車為整流型,則牽引電流波形還可因整流產(chǎn)生畸變。對于上、下半周對稱的非正弦波形,其諧波僅含奇次高次諧波,尤以3次諧波含量最大。整流式電力機車的功率因數(shù)約為 0.8~0.84,加上牽引網(wǎng)和主變壓器的無功消耗,歸算至牽引變電所一次側(cè)的平均功率因數(shù)約為0.75[1]。有源電力濾波器是一種用于動態(tài)抑制諧波和補償無功的電力電子設備,它能對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償,其應用可以克服LC濾波器等傳統(tǒng)的濾波和無功補償方法的缺陷。有源濾波器工作的起始端是指令電流檢測電路,即檢測出電流中的諧波和無功等電流分量,然后把需要補償?shù)碾娏餍盘杺鹘o下一級電路,因此有源濾波器進行補償?shù)年P(guān)鍵是電流檢測電路[2]。目前較成熟的瞬時無功功率理論,旨在補償三相系統(tǒng)諧波和無功電流。如果能將成熟的諧波和無功電流檢測技術(shù)加以改造,使之應用于牽引供電系統(tǒng)中含量較大的負序、諧波和無功電流檢測中,則具有很大意義。本文基于瞬時無功功率理論,針對牽引供電系統(tǒng)中含量較高的負序電流和含量較高的諧波和無功電流,提出了2種檢測方法,即基于瞬時無功功率理論的單相檢測法和有功電流分離法。理論分析和仿真表明:2種方法都能夠利用傳統(tǒng)的諧波和無功電流檢測理論來實現(xiàn)對牽引供電系統(tǒng)中負序、諧波和無功電流的檢測,且具有實時性好,檢測精度高的特點。
牽引變壓器向上下行線路的2條供電臂供電,如使兩輸出側(cè)相電壓相位角為90°,雖不是各相之間相位角為2π/m(m表示相數(shù))的各相對稱系統(tǒng),卻是一個平衡系統(tǒng)。當兩相負荷相等、功率因數(shù)相等時,原邊三相電流將組成三相對稱系,通常將三相變換為相位相差90°的兩相系統(tǒng),并能保持原邊三相電流平衡的變壓器稱為平衡變壓器。故平衡變壓器具有變壓和換相功能,適用于鐵道牽引供電系統(tǒng)[3]。
圖1表示裝有有源濾波器的牽引變電所,其中牽引變壓器采用Scott接線平衡變壓器,左邊為M座變壓器,右邊為T座變壓器,T座變壓器的一邊由M座變壓器繞組的中點引出,T座變壓器的繞組匝數(shù)是M座變壓器的倍[6]。APF為有源濾波器,其工作電路包括指令電流運算電路(檢測電路)、補償電流發(fā)生電路。檢測補償對象的電流,經(jīng)指令電流運算電路計算出補償電流的指令信號,該信號經(jīng)過補償電流發(fā)生電路放大得出補償電流,補償電流與負載電流中要補償?shù)闹C波和無功等電流相抵消,最終得到所需要的電流。在圖1中,2個有源濾波器共用一個直流電源,起到傳遞有功分量的作用。因此,電容 C是變壓器兩副邊繞組的能量傳輸通道,2個端口均需要電容C進行能量的緩沖與交換[5]。
圖1 牽引供電系統(tǒng)綜合補償裝置框圖
目前比較成熟的基于瞬時無功功率檢測方法是基于三相電路的,而對于電氣化鐵道單相電路的檢測可以考慮通過單相構(gòu)造三相的思路,更簡單的是可以直接從單相電流構(gòu)造α,β兩相電流即令iα=is,延時90°為iβ,其檢測結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
圖2 基于瞬時無功理論的單相檢測圖
根據(jù)瞬時無功功率理論:三相電路瞬時有功電流ip和瞬時無功電流iq分別為矢量i在矢量e及法線上的投影。即
電壓沒有畸變時,電壓為
電流為
式中,
式中,ip為基波有功電流,ip=i1cosφ1sin(ωt),iq為基波無功電流,iq=i1sinφ1cos(ωt),ih為諧波電流,
將式(8)兩邊同乘以2sinωt得:
同理將式(8)兩邊同乘以2cosωt得:
由式(9)、式(10)可知,采用低通濾波器(LPF)可得到Ip,Iq,采用鎖相環(huán)(PLL)產(chǎn)生與電源電壓同步的標準 sinωt,cosωt函數(shù),可得到ip,iq。電源濾波器可以根據(jù)用戶的選擇,對諧波和無功電流同時進行補償或只對諧波進行補償。如果對諧波和無功電流同時進行補償,則只需分離出基波有功電流作為補償電流,算法更簡單。框圖如圖3所示。此時的鎖相環(huán)可以去掉,而通過控制電路產(chǎn)生與電網(wǎng)電壓頻率相等,相位相同的正余弦信號,在實現(xiàn)時,讓控制系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的與電網(wǎng)電壓同頻的正余弦信號參與計算,這樣實現(xiàn)起來更加簡單。
圖3 諧波和無功電流同時進行檢測的框圖
如果只對諧波進行補償,那么就要將有功電流和無功電流全部計算出來??驁D如圖4所示。
圖4 諧波電流補償諧波檢測框架圖
可見,有功電流分離法比基于瞬時無功功率理論的單相檢測法更簡單,需要的元件更少。牽引網(wǎng)供電系統(tǒng)是采用單相供電,因此運用上面的檢測方法可以檢測出負荷電流中的諧波和無功[4]。
(1)方法 1:采用基于瞬時無功功率理論的單相檢測法,設計其檢測框圖見圖5。
圖5 檢測框圖
在仿真時設置仿真參數(shù)為
仿真模型圖略。
通過仿真得到兩相補償前的電流波形見圖6。
圖6 兩相補償前的電流波行圖
分析得到下面關(guān)于基波的有功和無功電流:
經(jīng)過補償后可得到圖7中的波形,從圖中可以看出,ip的理論值和檢測得到的基本一致,從而驗證了檢測方法的正確性,且A,B相滿足對稱條件。
A,B相需要補償?shù)碾娏骺梢宰鳛橹噶钸\算的對象,經(jīng)過運算后得到指令信號,輸入到 APF的補償電流發(fā)生電路中,經(jīng)過放大得到補償電流,補償電流與負載電流中需要補償?shù)闹C波、無功電流相抵消,理論上此時的負載電流功率因數(shù)為1,又因A,B相的電流相位相差90°,所以在補償?shù)耐瑫r,負序也得到補償。
圖7 補償后得到A,B相的電流波行圖
(2)方法2:基于有功電流分離法的綜合檢測。
為使2條供電臂的電流大小相等,可以把兩相電流相加以后乘以1/2,再補償?shù)絻上嘭摵伞T趦上嗟碾娏飨嗉映艘?/2后,通過兩“背靠背”補償裝置使2條供電臂的電流大小相等[6],但總的負荷基波有功電流不變,圖8為綜合補償框圖。
圖8 諧波、無功、負序綜合補償框圖
圖9表示A,B相補償前的電流波形。為了說明檢測方法的一般應用性,假定仿真負荷電流中包含基波有功、基波有無功與諧波電流,并且2個供電臂的電流大小不相等,相位相差不為90°。
設置仿真參數(shù)具體為
仿真模型框圖略。
分析得到下面關(guān)于基波的有功和無功電流:
圖9 A,B相補償前的電流波形圖
被檢測出的諧波和無功的波形如圖10所示。
圖10 A,B相的諧波、無功電流之和波形圖
補償后可得到圖11中的波形,從圖11中可以看出,ip的理論值和檢測得到的基本一致,從而驗證了檢測方法的正確性,且A,B相滿足對稱條件。
圖11 補償后A,B相基波有功電流波形圖
A,B相需要補償?shù)碾娏?,可以作為指令運算的對象,經(jīng)過運算后得到指令信號,輸入到 APF的補償電流發(fā)生電路中,經(jīng)過放大得到補償電流,補償電流與負載電流中需要補償?shù)闹C波、無功電流相抵消,理論上此時的負載電流功率因數(shù)為1,又因A,B相的電流相位相差90°,所以在補償無功的同時,負序也得到補償。
本文提出了基于瞬時無功功率理論的單相檢測法和有功電流分離法2種實時檢測方法,根據(jù)平衡變壓器在兩相負荷相等及功率因數(shù)相等時,原邊三相電流將組成三相對稱系的特性,本文在此基礎(chǔ)上構(gòu)造了基于Scott平衡變壓器的2種綜合檢測法,經(jīng)過仿真驗證后,達到了綜合補償?shù)哪康摹?/p>
[1]譚秀柄,劉向陽.交流電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)[M].成都:西南交通大學出版社,2002.
[2]唐敏,李群湛.牽引變電所無功諧波綜合補償方案研究[J].電網(wǎng)技術(shù),2004,(2).
[3]曾國宏,郝榮泰.基于有源濾波器和阻抗匹配平衡變壓器的同相牽引供電系統(tǒng)[J].鐵道學報,2003,5(2):5.
[4]付振宇,劉覺民,張彥林.瞬時檢測諧波及無功電流的單相有源濾波器研究[J].2006,(3):1-3.
[5]高大威.電力系統(tǒng)諧波、無功和負序、電流綜合補償?shù)难芯縖D].華北電力大學,2001,(5):1-35.
[6]張秀峰,連級三.基于斯科特變壓器的新型同相 AT牽引供電系統(tǒng)[J].機車電傳動,2006,(4).