羅 毅，李 鶯，常 非

(1.四川理工學(xué)院自動(dòng)化與電子信息學(xué)院，四川自貢643000;2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都610031)

0 引言

電氣化鐵道的牽引供電系統(tǒng)一直存在著無(wú)功、負(fù)序、諧波等方面的技術(shù)問(wèn)題。為解決此類問(wèn)題，通常采用靜止無(wú)功補(bǔ)償器(static var compensator，SVC)裝置來(lái)進(jìn)行治理，SVC雖然能夠動(dòng)態(tài)補(bǔ)償諧波和無(wú)功，但幾乎無(wú)法解決負(fù)序問(wèn)題。本文給出了一種基于新型YNvd(星形–開閉三角形)平衡變壓器的背靠背靜止無(wú)功發(fā)生器(static var generator，SVG)補(bǔ)償方案，兩個(gè)SVG通過(guò)直流耦合電容C背靠背連接在一起。如果兩臂的負(fù)荷相差較大，中間的電容便可以根據(jù)負(fù)荷的差值進(jìn)行功率傳遞，使2個(gè)供電臂的負(fù)荷基本相同［1-2］。這樣，通過(guò)平衡變壓器將負(fù)荷等效到系統(tǒng)一次側(cè)就成為對(duì)稱負(fù)荷，從而可以解決負(fù)序問(wèn)題。還能兼補(bǔ)牽引負(fù)荷引起的諧波和無(wú)功問(wèn)題，達(dá)到電能質(zhì)量的綜合治理。

1 系統(tǒng)方案

背靠背SVG補(bǔ)償系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。平衡變壓器采用YNvd接線方式，變壓器二次側(cè)的兩牽引母線上連接2臺(tái)單相換流器，并與直流環(huán)節(jié)相連，即為潮流控制器。SVG1，SVG2通過(guò)直流耦合電容C背靠背連接在一起。

圖1 背靠背SVG補(bǔ)償系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Principle diagram of back-to-back SVG compensation system

YNvd變壓器接線原理圖如圖2所示。因這種變壓器二次側(cè)的2個(gè)輸出回路在電氣上沒(méi)有聯(lián)系，而且沒(méi)有互感耦合關(guān)系，所以一相負(fù)荷的增減不會(huì)造成另一相的輸出電壓變化。在不設(shè)置阻抗匹配的情況下就能得到較好的輸入、輸出特性。變壓器二次側(cè)的三角形繞組能讓三次諧波勵(lì)磁電流流通，從而極大地改善電壓波形。在保證平衡的條件下，理論上完全能夠使兩電壓輸出端口的輸入阻抗平衡。當(dāng)一相負(fù)載變化時(shí)，另一相的電壓輸出不會(huì)受到影響［3-4］。

圖2 YNvd接線原理圖Fig.2 YNvd wiring schematic diagram

YNvd變壓器電流變換關(guān)系式為

根據(jù)對(duì)稱分量法可得:

從(2)式可以看出，YNvd平衡變壓器可使電力系統(tǒng)側(cè)的零序分量為0，兩臂負(fù)荷電流在對(duì)稱條件下，平衡變壓器能夠?qū)⒇?fù)序?qū)﹄娏ο到y(tǒng)側(cè)的影響完全消除，這樣使得變壓器原邊的三相電流對(duì)稱。

2 潮流控制器主電路結(jié)構(gòu)

電氣化鐵路的牽引負(fù)荷和一般電力負(fù)荷相比，最主要的不同就是牽引負(fù)荷不對(duì)稱。兩電平潮流控制器能夠讓牽引負(fù)荷功率交換到牽引變壓器的不同負(fù)荷端口，并對(duì)牽引負(fù)荷產(chǎn)生的無(wú)功功率與諧波均予以補(bǔ)償，實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的綜合治理。

針對(duì)YNvd接線的平衡變壓器，由于其兩端口接線角相差±90°，潮流控制器采用2個(gè)單相四象限電壓源換流器通過(guò)直流耦合電容C背靠背連接在一起，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 兩電平潮流控制器結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of two-level power flow controller

3 兩電平潮流控制器控制原理

3.1 單相電路諧波電流與無(wú)功檢測(cè)

該方法首先利用單相鎖相環(huán)得到與牽引網(wǎng)電壓信號(hào)同相位的正、余弦信號(hào)。然后分別與牽引網(wǎng)的負(fù)載電流相乘，經(jīng)過(guò)低通濾波器得到牽引網(wǎng)電流中的瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無(wú)功電流，再進(jìn)一步得到瞬時(shí)諧波電流［5-6］。

(3)式中:I1為負(fù)載電流有效值;φ為功率因數(shù)角;為負(fù)載電流瞬時(shí)有功分量;為負(fù)載電流瞬時(shí)無(wú)功分量;φ2n－1］為負(fù)載電流瞬時(shí)諧波分量。

(3)式兩邊同乘以2sinωt得

同理，(3)式兩邊同乘以2cosωt得

由上述分析可知，電流擴(kuò)大2倍，乘以sinωt，通過(guò)低通濾波器后可得到，再乘以 sinωt就得到ip;同理可以得到iq。為實(shí)現(xiàn)兩牽引供電臂負(fù)載之間的有功平衡，可采取將兩牽引臂有功電流相加之后再“平攤”的辦法，之后對(duì)兩相負(fù)載分別進(jìn)行補(bǔ)償。圖4為綜合補(bǔ)償框圖。

圖4 負(fù)序、無(wú)功、諧波綜合補(bǔ)償框圖Fig.4 Comprehensive compensation diagram of negative sequence，reactive power and harmonics

只有在直流側(cè)的電容電壓Ud保持不變的前提條件下，脈寬調(diào)制(pulse width modulation，PWM)變流器才能正常工作，而在工作過(guò)程中，變流器存在能量損耗，會(huì)造成電壓Ud降低。為維持Ud恒定，設(shè)置了一個(gè)比例—積分(proportional integral，PI)控制器，用以檢測(cè)直流側(cè)電壓。

圖4中直流側(cè)電壓的給定值Uref與實(shí)際值Udc經(jīng)過(guò)比較，將電壓偏差送入PI調(diào)節(jié)器，輸出電流調(diào)節(jié)信號(hào)Δip，將Δip與檢測(cè)出來(lái)的有功電流的直流分量進(jìn)行疊加，這樣兩變流器的指令電流信號(hào)中就都含有有功電流分量，進(jìn)而補(bǔ)償系統(tǒng)的補(bǔ)償電流中也含有一定的有功電流分量，從而使補(bǔ)償系統(tǒng)的直流側(cè)與交流側(cè)交換能量，將Udc維持在給定值。

3.2 三角載波電流控制

常用的電流直接控制，即跟蹤型PWM控制技術(shù)主要有滯環(huán)控制和三角載波控制［7］2種。滯環(huán)控制方式中，滯環(huán)寬度通常是固定的，則電流跟隨誤差范圍也就固定，但是器件的開關(guān)頻率是變化的。三角載波控制的優(yōu)點(diǎn)在于開關(guān)頻率固定，且等于三角載波的頻率。

圖5是三角載波電流控制原理框圖。先將實(shí)際輸入電流iαcf，iβcf與兩電平潮流控制器的指令電流iαc，iβc分別進(jìn)行比較，得到的差值送入 PI調(diào)節(jié)器處理。PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓uα，uβ作為變流器輸出電壓的給定值，再和多電平三角載波進(jìn)行邏輯判斷，最后得到功率器件的開關(guān)信號(hào)，從而驅(qū)動(dòng)變流器工作［8］。

圖5 三角載波電流控制原理框圖Fig.5 Principle diagram of triangular carrier current control

4 系統(tǒng)仿真

根據(jù)背靠背SVG補(bǔ)償系統(tǒng)方案，平衡變壓器采用YNvd方式接線，建立了系統(tǒng)的Matlab/simulink仿真模型。系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置為:直流側(cè)電壓Udc=3 000 V，隔離變壓器變比KT=27 500/1 770 V，三角載波頻率fc=2 KHz，直流側(cè)支撐電容C1=C2=0.1 F，兩電平VSC交流側(cè)電感參數(shù)L1=L2=2 mH。牽引負(fù)荷電流波形、直流側(cè)電壓波形、補(bǔ)償后平衡變壓器二次側(cè)電流波形、補(bǔ)償前后系統(tǒng)側(cè)電流波形的仿真結(jié)果如圖6—10所示。

1)負(fù)序、無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆治?/p>

從圖8可以看出，補(bǔ)償后牽引變壓器副邊兩端口各承擔(dān)1/2的有功功率，平衡變壓器二次側(cè)兩相電流的大小相等，相位相差90°。再?gòu)膱D9、圖10比較可以看出，補(bǔ)償前系統(tǒng)側(cè)電流不對(duì)稱，補(bǔ)償后系統(tǒng)側(cè)三相電流大小相等、相位互差120°，負(fù)序電流的影響完全消除。經(jīng)測(cè)量模塊測(cè)算，補(bǔ)償之后系統(tǒng)側(cè)功率因數(shù)為0.998 9(趨近于1)，無(wú)功補(bǔ)償效果非常良好。

2)抑制諧波的分析

表1給出了依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)定，電氣化鐵道的牽引變電所允許注入電力系統(tǒng)的3－11次諧波電流值，以及基于YNvd平衡變壓器的背靠背SVG補(bǔ)償系統(tǒng)各次諧波電流的仿真值。兩者比較可以看出，仿真值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于允許值，表明補(bǔ)償系統(tǒng)抑制諧波的能力較強(qiáng)。

圖10 補(bǔ)償后電流波形Fig.10 Three-phase current waveform after compensation

表1 諧波電流允許值及仿真值Tab.1 Allowable value and simulation value of harmonic current

5 結(jié)論

仿真驗(yàn)證了基于新型YNvd平衡變壓器的背靠背SVG補(bǔ)償系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)兩牽引供電臂間的有功平衡，而且能夠補(bǔ)償無(wú)功和諧波，是一種較為理想的補(bǔ)償裝置。

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