摘 要：針對地鐵供電系統(tǒng)的無功補償設備投資成本大、運營維護成本高、補償效果差等問題，提出了靜止無功發(fā)生器（SVG）和電抗器的混合補償系統(tǒng)。SVG由一個小容量電力濾波器和LC調諧濾波器組成與電抗器并聯(lián)構成混合補償系統(tǒng)，用以補償系統(tǒng)的無功功率。解耦控制用于電流跟蹤和電壓調節(jié)，并引入PI控制器消除系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差?；旌涎a償系統(tǒng)能有效降低SVG容量，補償系統(tǒng)無功，穩(wěn)定性好，動態(tài)響應快。仿真結果表明，所提出的混合補償系統(tǒng)的有效性和實用性。

關鍵詞：諧波抑制;無功補償;解耦控制;混合補償

1 介紹

近年來，隨著大西安的快速建設，地下軌道交通也進入了建設高峰期，隨之而來的地鐵主變電站建設也加快了步伐。地鐵主變電站一般以110kV電壓等級變電站為主，大多通過電纜線路接入地區(qū)大電網(wǎng)。受地鐵運行方式的影響，地鐵主變電站的負荷會隨著地鐵運行時段和工況發(fā)生變化，具有較強的隨機波動性[1-3]。

當?shù)罔F線路處于試車、夜晚停運時，地鐵變電站沒有牽引負荷，只有部分照明負荷，負荷非常小，變電站處于輕載狀態(tài)，這時電纜線路容性無功遠大于線路和負荷感性無功，一方面導致主變電站側電壓高于電網(wǎng)電源側電壓，另一方功率因數(shù)變?yōu)槌?；因此，目前地鐵主變電站在建設時都會考慮配置動態(tài)無功補償設備SVG（靜止無功發(fā)生器，Static Var Generator），以應對由于地鐵運行方式變化帶來的無功補償失衡問題。盡管SVG具有連續(xù)平滑快速調節(jié)無功和抑制系統(tǒng)諧振的優(yōu)勢，但由于SVG控制復雜，價格較高，對運行環(huán)境要求較苛刻，所以我們提出SVG+電抗器的補償方案，以利用電抗器成本低、對運行環(huán)境要求不高和易維護的優(yōu)勢[4-6]。

針對地鐵的無功補償問題，文獻[7]根據(jù)瞬時無功功率理論諧波電流檢測法，導入平均電流控制器建立了模擬模型，文獻[8]為提高地鐵供電系統(tǒng)功率因數(shù)及電能質量，據(jù)實際情況，采用SVG的無功補償方式，文獻[9]為了解決因系統(tǒng)功率因數(shù)降低導致的無功返送問題，通過交直流交替迭代潮流計算，提出SVG無功補償容量設計方法，文獻[10]針對地鐵電力系統(tǒng)穩(wěn)定性要求高的需求，提出一種基于改進SVG的無功補償裝置，其主要由信號處理模塊、處理采集單元、變流器以及三相電壓輸出端組成。

本文提出了的SVG+電抗器的混合補償系統(tǒng)，用以補償負載產(chǎn)生的無功功率，降低直流側電壓。SVG控制的關鍵是控制直流側的輸出電流和電壓，電壓外環(huán)和電流內環(huán)的雙閉環(huán)串級控制結構是一種常用的控制策略，雙閉環(huán)串級控制的主要特點是物理意義明確、控制結構簡單、控制性能優(yōu)異，這種拓撲結構適用于大容量系統(tǒng)的無功補償控制系統(tǒng)。仿真和實

驗結果表明，該拓撲結構適用于諧波抑制和無功補償。

2 SVG+電抗器的無功補償系統(tǒng)結構和原理

圖1展示了SVG+電抗器的新拓撲結構，該混合補償系統(tǒng)是由一臺SVG和多組電抗器組合而成，系統(tǒng)復雜性大大降低，經(jīng)濟實用。其中，有源部分可以改善系統(tǒng)的濾波特性，同時抑制電壓閃變，并承受了小容量電網(wǎng)的基本電壓和電流，無源部分進行分級投切，提供大容量的感性性無功，通過對兩者之間的協(xié)調控制能夠對地鐵的無功功率迅速、實時、低成本補償。

3 建立數(shù)學模型

3.1 下圖是理想的RLC振蕩電路

如上圖所示：為控制回路直流側的電容;為控制回路的電感。當開關閉合時，回路方程為：

假設為線性電感，則有：

設電容的初始電壓：，電感器的初始電流為，可由式（2）引入：

式中：

根據(jù)式（3），當SVG直流側電容器單獨作用于電抗器回路時，電抗器將電流控制為指數(shù)衰減的振蕩波。當檢測到瞬時值達到要求時，斷開開關，隔離電容和電抗器。電抗器自身的控制電壓允許在電容器快速放電期間保持快速建立的控制電流。

3.2 建立SVG模型

首先，從拓撲圖出發(fā)，建立系統(tǒng)模型：

將開關函數(shù)定義為：

在交流和電壓沒有零序分量的情況下，系統(tǒng)在靜止坐標系下可以得到開關效果：

在三相靜止坐標系中，將式（7）變換為兩相旋轉坐標系，對和的電流進行微分，得到系統(tǒng)的空間狀態(tài)模型。由于開關函數(shù)和狀態(tài)變量的存在，系統(tǒng)模型是非線性的。

SVG控制的三個狀態(tài)變量必須是獨立控制的。因此，通過對控制策略進行解耦，充分分離它們各自的動態(tài)變量，就可以避免內部電流環(huán)與外部直流母線電壓環(huán)的相互作用。

4 直流母線電壓調節(jié)

為了使直流母線電壓保持在一個期望值，可以通過控制將控制器的輸出加到參考電流的分量上流過混合電源濾波器的電流，可以推導出：

最終濾波器電流的有效值為：

q軸有源濾波器的電壓表示為：

在基頻處，直流分量將在SVG+電抗器補償期間強制產(chǎn)生電流。調整直流電壓，通過PI控制器得到電壓誤差環(huán)。

直流母線電壓環(huán)響應為二階傳遞函數(shù)，其形式如下：

給出直流母線電壓調節(jié)的傳遞函數(shù)：

通過反饋解耦，直流母線電壓環(huán)和電流環(huán)之間沒有相互作用，設計的SVG+電抗器補償器如圖4所示。

圖4為直流母線電壓外部控制回路，對高壓大功率系統(tǒng)有很好的控制效果。

5 仿真驗證

將以上方案在Simulink環(huán)境中搭建模型，來證實SVG+電抗器的混合補償系統(tǒng)補償性能的有效性。

以A相為例，通過比較經(jīng)混合補償系統(tǒng)補償前后電網(wǎng)側的電壓和電流相位關系，來對SVG與電抗器的無功補償功能進行驗證。SVG與電抗器共同補償前和補償后電網(wǎng)側的A相電壓、電流波形如圖5所示，可以看出補償后電壓和電流的波形得到了很好的改善。

圖6給出了SVG與電抗器共同補償后的功率因數(shù)的仿真圖，由仿真圖可以看出在經(jīng)過SVG+電抗器補償后功率因數(shù)由0.8左右提升到0.95以上。

結語

本文提出的SVG和電抗器聯(lián)合補償系統(tǒng)將非線性控制解耦策略應用于混合補償控制系統(tǒng)，提高了濾波性能，降低了SVG的額定功率。使SVG的功率、直流側電壓保持在穩(wěn)定的低壓值，實現(xiàn)諧波和無功的動態(tài)綜合補償。仿真和實驗證明，該方法具有快速的動態(tài)響應能力，可以有效的補充系統(tǒng)的無功。所提出的補償系統(tǒng)和控制方法有效地解決了地鐵大規(guī)模無功增長問題。

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