朱子棟，金鈞，張偉

(大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，遼寧 大連 116028)

0 引言

隨著電氣化鐵路的不斷發(fā)展，電力機(jī)車(chē)的功率也越來(lái)越大，電力機(jī)車(chē)過(guò)電分相時(shí)對(duì)牽引網(wǎng)的沖擊也越來(lái)越嚴(yán)重，運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的無(wú)功以及諧波，對(duì)電能質(zhì)量造成影響，并且過(guò)電分相時(shí)出現(xiàn)電壓跌落的情況也越來(lái)越多。因此，研究補(bǔ)償裝置來(lái)解決無(wú)功、諧波以及電壓跌落問(wèn)題是很有必要性的。靜止無(wú)功發(fā)生器(SVG)是一種先進(jìn)的補(bǔ)償裝置，近年來(lái)成為了無(wú)功補(bǔ)償裝置研究的重點(diǎn)，SVG于上世紀(jì)80年代出現(xiàn)，它的主電路是一個(gè)橋式逆變器，采用半導(dǎo)體器件構(gòu)成。通過(guò)控制半導(dǎo)體器件的通斷，使交流側(cè)產(chǎn)生相位和幅值都可以調(diào)節(jié)的電流和電壓，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的補(bǔ)償，并能對(duì)諧波起到一定的抑制作用［1-2］。

文獻(xiàn)［3-5］介紹了SVG應(yīng)用于電氣化鐵路的具體方法以及控制策略和補(bǔ)償效果，但是都只是針對(duì)無(wú)功補(bǔ)償和負(fù)序的治理。沒(méi)有考慮諧波的抑制以及電壓跌落時(shí)都沒(méi)有考慮如何進(jìn)行補(bǔ)償;而文獻(xiàn)［6］中介紹了SVG的電壓控制策略，使SVG在系統(tǒng)發(fā)生電壓跌落時(shí)能夠進(jìn)行電壓補(bǔ)償，但是文章沒(méi)有針對(duì)電氣化鐵路等大功率場(chǎng)合的電能質(zhì)量特性進(jìn)行SVG結(jié)構(gòu)以及控制策略的設(shè)計(jì)。為此，本文提出了基于H橋級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的多控制目標(biāo)的SVG控制策略，使其既能補(bǔ)償無(wú)功、抑制諧波又能在發(fā)生電壓跌落時(shí)維持負(fù)荷電壓(接入點(diǎn)電壓)的穩(wěn)定;介紹了適用于級(jí)聯(lián)H橋結(jié)構(gòu)的優(yōu)秀調(diào)制策略——載波移相脈寬調(diào)制技術(shù)。并在MATLAB環(huán)境下建模仿真，驗(yàn)證了本文設(shè)計(jì)的SVG控制策略的可行性。

1 SVG的工作原理及H橋級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)

SVG的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中 UC直流側(cè)電容電壓，初始值設(shè)為UC0;us系統(tǒng)供電電壓也即補(bǔ)償點(diǎn)電壓;IS是系統(tǒng)電流;IVT是SVG輸出補(bǔ)償電流;IL是負(fù)載電流。

設(shè)接入點(diǎn)的電壓為:

圖1 單相SVG結(jié)構(gòu)圖

正常工況下SVG只對(duì)無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償;在接入點(diǎn)電壓發(fā)生跌落瞬間，SVG自身有功能量的消耗很小可忽略。

SVG補(bǔ)償電流為:

SVG輸出功率:

一個(gè)周期內(nèi)無(wú)功功率qL的積分為:

一個(gè)周期內(nèi)有功功率ΔPL的積分為:

當(dāng)牽引網(wǎng)發(fā)生電壓跌落時(shí)SVG可以維持接入點(diǎn)電壓穩(wěn)定的周期個(gè)數(shù)m負(fù)荷公式(6):

為了使補(bǔ)償點(diǎn)的無(wú)功補(bǔ)償能夠正常進(jìn)行UC1不能使零。假定UC1=αUC0(0＜α＜1)，

則SVG可以維持電壓穩(wěn)定的時(shí)間為:

式中IPL為SVG輸出的損耗有功電流。ts和C、UC0的平方成正比，與IPL成反比，式(7)可以作為計(jì)算SVG可接受電壓跌落程度和持續(xù)時(shí)間的理論公式。H橋級(jí)聯(lián)型逆變器的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 H橋級(jí)聯(lián)的SVG

2 級(jí)聯(lián)H橋型SVG的控制策略

2.1 工作模式的選擇

本文設(shè)計(jì)的SVG有兩種工作模式:(1)電流補(bǔ)償模式—無(wú)功補(bǔ)償和諧波抑制;(2)電壓補(bǔ)償模式-維持接入點(diǎn)電壓在正常的范圍內(nèi)。工作模式的轉(zhuǎn)換在與對(duì)接入點(diǎn)電壓的檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到接入點(diǎn)電壓低于所設(shè)定的正常工作電壓的最小值時(shí)，SVG從電流補(bǔ)償模式轉(zhuǎn)換到電壓補(bǔ)償模式。模式選擇的關(guān)鍵所在為接入點(diǎn)電壓的檢測(cè)，本文電壓檢測(cè)的方法:待檢測(cè)的接入點(diǎn)電壓us通過(guò)PLL(鎖相環(huán))和正弦波發(fā)生器產(chǎn)生一個(gè)與us同相同頻的單位正弦波f(x)，然后判斷f(x)是否大于某一設(shè)定值來(lái)產(chǎn)生采樣脈沖。接入點(diǎn)電壓采樣完成后，采樣電壓與電力機(jī)車(chē)正常運(yùn)行的最小電壓Umin進(jìn)行比較，Us＞ Umin進(jìn)行電流補(bǔ)償;Us＜Umin進(jìn)行電壓補(bǔ)償。本文SVG工作模式的選擇如圖3。

圖3 SVG工作模式的選擇

2.2 目標(biāo)電流檢測(cè)方法

目前較為成熟的靜止無(wú)功發(fā)生器的電流檢測(cè)方法有兩種:一種是較為成熟的瞬時(shí)無(wú)功功率法，瞬時(shí)無(wú)功功率法最初是基于三相電力系統(tǒng)的，為了使其同樣適用于如電氣化鐵路等單相電力系統(tǒng)提出了單相構(gòu)造三相的方法，使得單線電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償也更容易實(shí)現(xiàn)，但是單相構(gòu)造三相時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的延時(shí)對(duì)于無(wú)功功率的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償產(chǎn)生一定的影響，使靈敏性在一定程度上降低;第二種就是無(wú)功電流分離法，通過(guò)數(shù)學(xué)理論對(duì)系統(tǒng)電流做數(shù)學(xué)變換使有功電流無(wú)功電流以及諧波電流分離。兩種方法相比較有功電流分離法比基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的單相檢測(cè)法更簡(jiǎn)單，需要的元件更少。牽引網(wǎng)供電系統(tǒng)是采用單相供電，運(yùn)用上面的檢測(cè)方法可以檢測(cè)出負(fù)荷電流中的諧波和無(wú)功。諧波和無(wú)功電流同時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)臋z測(cè)框圖如圖4。

圖4 諧波和無(wú)功電流同時(shí)進(jìn)行檢測(cè)的框圖

2.3 載波移相脈寬調(diào)制技術(shù)

在控制系統(tǒng)中引入載波移相正弦脈寬調(diào)制技術(shù)(CPS-SPWM)，CPS-SPWM技術(shù)是一種適用于全控型器件的開(kāi)關(guān)調(diào)制方法［7-9］。載波移相正弦脈寬調(diào)制技術(shù)的基本思想是:設(shè)級(jí)聯(lián)的H橋數(shù)為N，SVG每個(gè)H橋變流模塊用一個(gè)調(diào)制波信號(hào)US(ωst)，角頻率為KCωs，其中每重逆變橋的三角波載波頻率為KCωs，將每重的逆變器模塊的三角波相位錯(cuò)開(kāi)三角周波的1/N，則第X(1≤X≤N)逆變器的三角波初相角ψL=ψC+2πX/N，N重化的逆變器模塊輸出電流的疊加，那么SVG逆變器總的輸出的電流等效開(kāi)關(guān)頻率為NKcωs［10-14］。其原理如圖5。級(jí)聯(lián)的H橋模塊個(gè)數(shù)不同三角載波的移相角度也不同，本文對(duì)級(jí)聯(lián)不同數(shù)量的H橋的方案進(jìn)行了仿真，并分析了不同情況下輸出電壓的諧波畸變率，如表1所示。

表1 不同級(jí)聯(lián)H橋數(shù)目對(duì)輸出電壓的影響

從表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著級(jí)聯(lián)單元的增加輸出電壓的畸變率逐漸降低，根據(jù)級(jí)聯(lián)逆變模塊的個(gè)數(shù)調(diào)整模型中的移相度數(shù)，本文給出了三重級(jí)聯(lián)情況下的每一個(gè)功率單元輸出電壓波形，以及三個(gè)電壓疊加后的輸出波形。如圖6所示。

從圖5可以看出疊加后的電壓不僅增大輸出電壓值，而且輸出的電壓電平數(shù)隨著級(jí)聯(lián)H橋個(gè)數(shù)的增加而增多，從而大大提高SVG的容量，使輸出電壓波形更接近與正弦波，減小輸出電壓諧波畸變率。

圖5 載波移相技術(shù)原理圖

圖6 N=3時(shí)對(duì)應(yīng)的輸出電壓

3 建模與仿真

本文利用MATLAB對(duì)H橋級(jí)聯(lián)的SVG進(jìn)行仿真分析。在MATLAB上搭建了牽引供電系統(tǒng)以及機(jī)車(chē)負(fù)載和基于載波移相技術(shù)的SVG的仿真模塊，仿真參數(shù)如下:電網(wǎng)電壓110 kV，接觸網(wǎng)電壓27.5 kV，牽引變壓器采用V/V接線方式，SVG的容量±5 000 kVar，直流側(cè)電容 0.2 F，直流側(cè)電容電壓 1 650 V，因采用3級(jí)H橋級(jí)聯(lián)所以交流側(cè)輸出電壓值大約在5 000 V左右，為保證SVG的正常運(yùn)行隔離變壓器副邊電壓選取為4 600 V，通過(guò)計(jì)算選取變壓器的變比為6。本文以韶山6B型號(hào)電力機(jī)車(chē)作為負(fù)載進(jìn)行仿真［15］。模型如圖7所示。

圖7 電力機(jī)車(chē)模型圖

1)無(wú)功補(bǔ)償:為了使負(fù)載電流和系統(tǒng)電壓的相位差比較明顯，在系統(tǒng)中把感性負(fù)載和機(jī)車(chē)負(fù)載同時(shí)投入運(yùn)行，并0.1 s時(shí)把SVG接入系統(tǒng)中?？梢缘玫较到y(tǒng)電壓和電流波形，從圖中可以看出補(bǔ)償前系統(tǒng)電流(放大50倍)和系統(tǒng)電壓有明顯的相位差，而在0.1 s接入補(bǔ)償裝置以后系統(tǒng)電壓和負(fù)載電流相位基本一致，此時(shí)系統(tǒng)功率因數(shù)接近于1，過(guò)度時(shí)間大約在1/4周期以?xún)?nèi)。從而表明本文的設(shè)計(jì)方案能夠很好地實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償。如圖8所示。

2)諧波抑制仿真:投入SVG之前的系統(tǒng)負(fù)載電流和投入SVG后的負(fù)載電流如圖 9、10所示。

從圖9中可以看出負(fù)載電流含有大量諧波，波形不是規(guī)則的正弦波，而圖10中接入SVG后電流波形諧波含量明顯減少，電流波形更接近正弦波形。證明了本文所設(shè)計(jì)的方案具有很好的諧波抑制功能。

圖8 SVG接入系統(tǒng)前后的電壓電流波形

圖9 投入SVG前的負(fù)載電流

圖10 投入SVG后的負(fù)載電流

3) 電壓補(bǔ)償:在0.15 s加重負(fù)荷，由于采樣的峰值電壓低于設(shè)定值，因而進(jìn)入電壓補(bǔ)償模式;在0.35 s時(shí)切除增加的負(fù)荷，電壓恢復(fù)到正常值，系統(tǒng)恢復(fù)到正常的電流補(bǔ)償模式。SVG按設(shè)計(jì)控制策略工作時(shí)的系統(tǒng)電壓、SVG工作在電流補(bǔ)償模式時(shí)的系統(tǒng)電壓以及正常工作模式下SVG的輸出電流波形如圖11～13所示，分析SVG工作特性:對(duì)比圖11～13可知，SVG 在0.15 s之前進(jìn)行電流補(bǔ)償，0.15 s后由于加重負(fù)荷，接入點(diǎn)電壓低于設(shè)定的閥值，SVG進(jìn)入電壓補(bǔ)償模式維持接入點(diǎn)電壓穩(wěn)定，而當(dāng)0.35 s切除增加的負(fù)荷后SVG恢復(fù)到電流補(bǔ)償模式。

圖11 兩種補(bǔ)償模式時(shí)的系統(tǒng)電壓

圖12 電流補(bǔ)償模式下的系統(tǒng)電壓

圖13 兩種補(bǔ)償模式下SVG輸出的補(bǔ)償電流

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)牽引供電系統(tǒng)的特點(diǎn)以及電力機(jī)車(chē)的電氣特性設(shè)計(jì)了適用于牽引供電系統(tǒng)SVG的結(jié)構(gòu)以及控制策略。并在MATLAB環(huán)境下對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了建模仿真，驗(yàn)證了載波移相脈寬調(diào)制技術(shù)的性能是與理論相符合的。而且仿真了牽引供電系統(tǒng)供電電壓穩(wěn)定時(shí)對(duì)無(wú)功以及諧波的治理效果和供電系統(tǒng)發(fā)生電壓跌落時(shí)SVG運(yùn)行的情況。仿真結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的SVG對(duì)系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償和諧波抑制以及電壓補(bǔ)償具有良好的補(bǔ)償效果。仿真驗(yàn)證說(shuō)明了該方案的SVG控制性能具有響應(yīng)速度快、動(dòng)態(tài)特性好的優(yōu)點(diǎn)，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

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