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高速铁路供电系统负序补偿与谐波抑制技术研究 摘要 高速铁路电力机车作为一种特殊的负载，引起负序、谐波等严重的电能质量 问题。负序与谐波不仅危害电力设备的正常运行、增加损耗，甚至可能引发电力 事故，严重威胁到牵引供电系统本身及上级电力系统的安全和经济运行。因此， 必须采取切实有效的电能质量治理措施，对负序与谐波进行集中治理，提升高速 铁路牵引供电系统的安全性与稳定性。本文主要研究了高速铁路负序与谐波综合 补偿装置的拓扑结构、负序与谐波检测方法及铁路功率调节器控制方法、补偿装 置参数设计方法，并研制了样机及其数字控制系统，进行了实验验证。这些理论 和实践工作将为高速铁路负序与谐波综合补偿技术提供理论基础和工程设计参 考。 负序与谐波综合补偿装置的拓扑结构关系到补偿性能的好坏。本文在分析国 内外各种补偿装置拓扑结构的基础上，重点对两种补偿优势较大的拓扑结构，即 铁路功率调节器( r p c ) 和注入式混合型有源电力滤波器与静止无功补偿器联合 系统，进行了比较研究。分析了它们的结构特点，建立其数学模型，探讨了它们 各自的补偿性能及其特点，并搭建仿真模型，进行了仿真验证。通过比较研究， 选择性能更优的铁路功率调节器作为高速铁路综合补偿装置。 接着对铁路功率调节器在采用三相v v 牵引变压器下的牵引供电系统下的负 序与谐波补偿参考电流检测方法进行了研究。在分析以往的单相谐波与无功检测 方法的基础上，从瞬时功率的角度出发，提出了铁路功率调节器的负序与谐波补 偿参考电流实时检测方法。同时，对铁路功率调节器的控制方法进行了研究。为 保证铁路功率调节器直流侧电压的稳定，采用了直流侧电压闭环控制，直流侧电 压控制器的输出转化为交流有功电流量，叠加到负序与谐波补偿参考电流形成铁 路功率调节器的两个变流器的输出参考电流指令，对两个变流器的电流跟踪采取 滞环控制方法，实现了直流侧电压稳定控制和负序与谐波补偿电流跟踪双重控制 目标。 为使铁路功率调节器具有较佳的工作性能，本文进行了元件参数优化设计研 究，对铁路功率调节器的降压变压器变比及容量设计、交流侧电感参数设计、直 流侧电容设计进行了探讨。并研制了r p c 实验样机，研制了基于d s p 2 8 3 3 5 的铁 路功率调节器数字控制系统，包括控制器硬件部分的设计和软件部分设计。利用 实验样机进行了实验，实验结果验证了所提出的r p c 检测和控制方法的有效性。 关键词：负序；谐波；高速铁路；铁路功率调节器；综合补偿 硕i ：学位论文 i a b s t r a c t a sas p e c i a lk i n do fe l e c t r i cl o a d ，e l e c t r i cl o c o m o t i v e si nh i g h s p e e dr a i l w a y c a u s es e r i o u sp o w e rq u a l i t yp r o b l e m s ，s u c ha sn e g a t i v es e q u e n c ea n dh a r m o n i c c u r r e n t s ，w h i c hn o to n l yd a m a g ee l e c t r i cd e v i c e sa n db r i n ga d d i t i o n a lp o w e re n e r g y l o s t s e r i o u s l y ，t h e yw i l lc a u s ee l e c t r i ca c c i d e n t t h e s ep o w e rq u a l i t yp r o b l e m s t h r e a t t h et r a c t i o np o w e rs y s t e ma n dt h eu p o np o w e rs y s t e m t h e r e f o r e ，a ne f f e c t i v ep o w e r q u a l i t yi m p r o v e m e n tm e t h o d f o re l i m i n a t i n gn e g a t i v es e q u e n c ea n dh a r m o n i c ，i s n e e d e dt os t u d yt oe n h a n c et h es t a b i l i t ya n ds a f e t yo ft r a c t i o np o w e rs y s t e m t h i s p a p e rs t u d i e dt o p o l o g y s e l e c t i o no fh i g h s p e e dr a i l w a yn e g a t i v es e q u e n c ea n d h a r m o n i ci n t e g r a t e dc o m p e n s a t i o ns y s t e m ，d e t e c t i o na n dc o n t r o lm e t h o df o rn e g a t i v e s e q u e n c ea n dh a r m o n i c ，p a r a m e t e r sd e s i g no fc o m p e n s a t i o ns y s t e m a n dap r o t o t y p e a n di t sd i g i t a lc o n t r o ls y s t e mw e r ed e s i g n e di nt h el a b o r a t o r yt ov e r i f yt h er e s u l t sf o r t h e o r y t h ew o r ki n t h i sp a p e rw i l lp r o v i d et h e o r e t i c a lp r i n c i p l ea n de n g i n e e r i n g d e s i g nr e f e r e n c ef o rh i g h s p e e dr a i l w a yn e g a t i v es e q u e n c ea n d h a r m o n i ci n t e g r a t e d c o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g y c o m p e n s a t i o np e r f o r m a n c ei s d e t e r m i n e db yt h et o p o l o g yo fn e g a t iv es e q u e n c e a n dh a r m o n i ci n t e g r a t e dc o m p e n s a t o r b a s e do na n a l y z i n gt h et o p o l o g yo fv a r i o u s c o m p e n s a t i o nd e v i c e sa th o m ea n da b r o a d ，t h i sp a p e rm a d ead e e pr e s e a r c ho nt w o t o p o l o g yw h i c hh a v el a r g ea d v a n t a g e i nc o m p e n s a t i o n ，t h a ti s ，t h er a i l w a ys t a t i c p o w e rr e g u la t o r ( r p c ) a n dt h ec o m b i n e ds y s t e mo fi n je c t i o nt y p eh y b r i da c t i v ep o w e r f i l t e ra n ds t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ( i h a p f + s v c ) t h i sp a p e ra n a l y z e dt h e i rs t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i c s ，e s t a b l i s h e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e la n dm a d ead e e pr e s e a r c ho nt h e i r c o m p e n s a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa n dp e r f o r m a n c es e p a r a t e l y s i m u l a t i o nm o d e l sw e r e a l s oe s t a b l i s h e d ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t s o ft h et w ot o p o l o g yc o m p e n s a t i n g n e g a t i v ea n dh a r m o n i cw e r eg i v e n b yc o m p a r i s o ns t u d y ，t h i sp a p e rc h o o s e dt h er p c a sh i g h s p e e dr a i l w a yi n t e g r a t e dc o m p e n s a t o rt o p o l o g y t h e n ，t h en e g a t i v es e q u e n c ea n dh a r m o n i cc o m p e n s a t i o n r e f e r e n c ec u r r e n t d e t e c t i o nt e c h n i q u eo fr p cw a sg i v e ni nt h i sp a p e r , w h e nt h et r a c t i o np o w e rs u p p l y s y s t e mu s e st h r e ep h a s ev vt r a c t i o nt r a n s f o r m e r b a s eo nt h es i n g l e p h a s eh a r m o n i c a n dr e a c t i v ed e t e c t i o nm e t h o d s ，t h i sp a p e rp r o p o s e dn e g a t i v es e q u e n c ea n dh a r m o n i c c o m p e n s a t i o nr e f e r e n c ec u r r e n tr e a l t i m ed e t e c t i o nm e t h o df o rr p c m e a n w h i l e ，t h e c o n t r o lm e t h o df o rr p ci ss t u d i e di nt h i sp a p e r t om a i n t a i nt h ev o l t a g es t a b i l i t yo f 苛速铁路供l 乜系统负序补偿j 谐波抑制技术研究 r a i l w a yp o w e rr e g u l a t o r sd cs i d e ，c l o s e d - l o o pc o n t r o lw a sa d o p t e d t h eo u t p u to f d cs i d ev o l t a g ec o n t r o l l e ri sc o n v e n e dt oa ca c t i v ep o w e rc u r r e n t ，w h i c hw a sa d d e d t ot h en e g a t i v es e q u e n c ea n dh a r m o n i cc o m p e n s a t i o nr e f e r e n c ec u r r e n tt og e tt h e o u t p u tr e f e r e n c ec u r r e n ti n s t r u c t i o n f o rt w oi n v e r t e r si nr p c h y s t e r e s i sc o n t r o l m e t h o dw a su s e di nt h ec u r r e n tt r a c ko ft w oi n v e r t e r st or e a l i z et h ev o l t a g es t a b i l i t y c o n t r o lo fd cs i d ea n dt h ec o m p e n s a t i o nc u r r e n tt r a c ko fn e g a t i v es e q u e n c ea n d h a r m o n i c i no r d e rt om a k et h e r a i l w a yp o w e rr e g u l a t o rh a v e b e t t e r p e r f o r m a n c e ， c o m p o n e n tp a r a m e t e r ss e l e c t i o nm e t h o dw a ss t u d i e d s u c ha ss t e p d o w nt r a n s f o r m e r r a t i oa n dc a p a c i t yd e s i g n ，a cs i d ei n d u c t a n c ep a r a m e t e rd e s i g na n dd cs i d ec a p a c i t o r d e s i g na r eg i v e ni nt h i sp a p er t h ed e s i g no fr p ce x p e r i m e n t a ld e v i c ee s p e c i a l l yt h e d e s i g no fd i g i t a lc o n t r o ls y s t e mb a s e do nd s p 2 8 3 3 5i n c l u d i n gh a r d w a r ea n ds o f t w a r e d e s i g nw a sa l s og i v e n t h ee x p e r i m e n t sw e r ec o n d u c t e du s i n gt h ep r o t o t y p e ，a n dt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sv e r i f i e st h ee f f e c t i v e n e s so ft h ep r o p o s e dd e t e c t i o na n dc o n t r o l m e t h o d sf o rr p c k e yw o r d s ：n e g a t i v es e q u e n c e ；h a r m o n i c ；h i g h s p e e dr a i l w a y ；r a i l w a ys t a t i cp o w e r r e g u l a t o r ；i n t e g r a t e dc o m p e n s a t i o n 硕十学位论文 第1 章绪论 为缓解电气化铁路运输压力，提高铁路运输能力，高速铁路近年来在我国得 到高度重视和快速发展。但高速铁路由于其独特的供电方式和电力机车负载特性， 给电力系统带来了负序、谐波、电压波动和闪变等电能质量问题，降低了上级电 力系统和牵引供电系统本身的供电质量，影响邻近电力系统企业生产和人民生活 用电。其中，负序给同步发电机、感应电动机和电力变压器带来附加损耗，影响 它们的正常工作，给输电线路带来电能损失，并易使继电保护装置发生误动作； 谐波电流影响电力设备的正常工作，给输电线路带来附加损耗。近年来，由负序 和谐波超标引起继电保护装置动作造成大面积停电的事故时有发生，给企业生产 和人民生活带来了重大的经济损失，造成了恶劣的社会影响。另一方面，随着精 密仪器技术的发展和人民生活水平的提高，用户对电能质量的要求越来越高。因 此，对高速铁路突出的负序和谐波电能质量问题进行治理己刻不容缓，必须采取 有效的治理措施，提高高速铁路供电系统及其上级电力系统的供电质量，实现高 速铁路牵引供电系统高质、安全和经济供电。 本章将从高速铁路供电方式出发，介绍高速铁路供电系统的电能质量问题特 点及治理的必要性，概述国内外高速铁路电能质量的补偿技术研究现状，并介绍 本论文的研究内容和所做工作。 1 1 高速铁路供电方式 电气化铁路供电系统由电力供电系统与牵引供电系统组成【l 。4 】。其中，电力供 电系统指的是三相高压供电系统；牵引供电系统是指电气化铁路从电力系统接引 电源，降压转换后给电力机车供电的电力网络，主要由牵引变电所和接触网组成。 牵引变电所将电力供电系统中高压输电线送来的电能，根据电力牵引对电流和电 压的不同要求，转换为适用于电力牵引的电能，然后输送给沿铁路线上空架设的 接触网，以供给沿线路行驶的电力机车。 由电力供电系统中心变电站向牵引变电所供电的线路电压称为供电电压等 级；牵引变电所经由接触网供给机车的电流制，叫供电制式。目前，电气化铁路 的主流供电制式为工频单相交流制。1 9 5 5 年，法国在电力机车上采用静止式整流 器和直流牵引电动机获得成功，工频单相交流制开始在各国推行开来，可以说整 流技术的进步，是当时工频单相交流制能获得广泛应用的一个重要因素。这种连 接方式一般连接在电网的高压系统，牵引变电站将接入的三相高压交流电通过特 殊变压器转化为单相交流电，然后通过单相交流输电线路向电力机车供电。这种 高速铁路供屯系统负序补偿i j 谐波抑制技术研究 交流制接触网电压一般为2 5 k v ，接触网构造进一步简化，牵引变电所的设置间距 扩大为3 0 - 7 0 公里。我国铁路采用工频单相交流制，定2 5 k v 为接触网标准电压。 交流电力牵引供电方式按照供电系统设备、接线方式以及电磁兼容要求等方 面不同，主要分为四种供电方式，如图1 1 所示。 名称 系统图 接触网 i 基本型 2 ，美甲电机到) i r 直 接 供 电 吸溅、m 方 、l二 带吸流线 式 肥由 切时的情况与上述类似，可以得出一般情况下r p c 两变流器在两供电 臂电压侧的基波补偿电流 。= 三( 锄一锄弦- j 3 0 + 丽1 ( k + 切) 一甜 ( 2 5 ) j = 互1 ( 切一锄弦棚+ 丽1 ( 锄+ 切弦叫舳。 式( 2 5 ) 中，k 和k 分别为r p c 中a 、b 相侧变流器在供电臂侧电压下的 基波补偿等效电流，以流入r p c 的方向为正方向。 由于高速铁路电力机车负载产生谐波，r p c 还需进行谐波抑制。r p c 应产生 与负载谐波电流幅值相等，相位相差18 0 度的谐波电流去抵消机车负载谐波。设 a 、b 两供电臂负载谐波电流分别为如 和厶朋，则r p c 两变流器产生的谐波抑制 电流为 ，。 漆 高速铁路供电系统负序补偿j 谐波抑制技术研究 故r p c 两变流器的补偿电流为 ( 2 6 ) 乞2 互1 ( 切一切矿，鲥+ 丽1 ( 切+ 幻) e j 6 0 。_ 匕 ( 2 7 ) 乞= 圭( 切一切矿，鲋+ 去( - + 锄矿删一 当r p c 两变流器产生的电流折算到降压变压器高压侧满足上式时，负序和谐 波就完全补偿了。设降压变压器变比为毛，则r p c 两变流器在低压侧产生的补偿 电流乘以毛即可得到。 从以上分析可知，r p c 通过转移两供电臂有功，补偿两供电臂无功，抑制谐 波能够对高速铁路中的负序和谐波电流进行综合治理。 2 3i h a p f + s v c 的基本原理 本节将分析i h a p f + s v c 的结构特点，并建立其电气模型。 2 3 1i h a p f + s v c 的结构 b 0 。 l f ic ；人、 三相、 a 变 图2 6i h a p f + s v c 结构图 i h a p f + s v c 补偿结构如图2 6 所示，在三相v v 变压器的两供电臂下分别安 装一套i h a p f + s v c 装置。i h a p f + s v c 系统由注入式混合有源电力滤波器i h a p f 和静止无功补偿器s v c 构成。注入式混合有源电力滤波器由注入支路、耦合变压 器、输出电抗、逆变器和不可控整流桥构成。其中，电感厶和c i 谐振在基波频率， 构成基波谐振支路，和注入电容c f 组成注入支路，i h a p f 中有源部分经输出电 感和耦合变压器与基波谐振支路并联，因此i h a p f 有源部分不承受基波电压，大 而 打k 一 一 = i l 匕k ，l 硕十学位论文 大降低了其有源容量，能够直接应用于高速铁路2 7 5 k v 电压等级。i h a p f 用以 抑制电气化铁路谐波，同时注入电容相当于固定电容器，具备无功静补能力。s v c 由晶闸管控制电抗器t c r 构成，为了不给高速铁路牵引供电系统引入谐波，晶闸 管只做开关控制，触发角为9 0 度，在两供电臂分别安装一套t c r 。s v c 和i h a p f 配合可以给供电系统提供容性或感性无功，改善无功量，补偿负序。在有电力机 车负载的供电臂下，i h a p f 和s v c 均投入，无电力机车负载的供电臂仅投入s v c ， 其中i h a p f 补偿谐波，s v c 补偿负序。 2 3 2i h a p f + s v c 的数学模型 同样，将a 、b 相电力机车负载等效为基波电流源与谐波电流源并联。两供电 臂结构下i h a p f + s v c 结构完全一样，以a 相供电臂下i h a p f + s v c 为例，将i h a p f 中逆变器控制为电流源灯，曲，建立其谐波域模型，如图2 7 所示。 由图2 7 可得 其中 图2 7i h a p f + s v c 谐波域等效电路 i 口h = i j h + l 呦 l h = i n + i 协 i l h = i f l 一日油 z s i 曲= 一z n i n z s l o h = z z l l h + z 一2 z s = r s 七j n l s z l l - 厶 z i ：l 1 c o c r l z ：= i c o n l - 一志 其中为刀次谐波频率的角频率。 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 高速铁路供i 乜系统负序补偿与谐波抑制技术研究 解得 要抑制谐波，即 即 l = 趱 z l + 半 l 2浮kzfl+z!+zfl=。 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) k ：一尘垒 ( 2 1 8 2 )k = 一i _ 卫() z f l 通过控制i h a p f 中逆变器的输出电流，即可达到谐波抑制的目的。 由于i h a p f + s v c 中i h a p f 的基波谐振支路谐振在基波频率，有源部分不承 受基波，因此在分析基波时，a 、b 相供电臂下i h a p f + s v c 的基波等效电路分别 如图2 8 ( a ) 和( b ) 所示。 a ) a 相i h a p f + s v c 基波域等效电路b ) b 相i h a p f + s v c 基波域等效电路 图2 8a 相和b 相供电臂下i h a p f + s v c 的基波域等效电路 由于电网阻抗乙( z l z z , z ) ，因此将其忽略 由图2 8 ( a ) 可得到 其中 u a c = z l l ，j l l ， u = z l f i 阳= l l f + l l f 1o = i m + i b ( 2 1 9 ) 硕i j 学位论文 国为基波角频率。 由( 2 1 9 ) 、( 2 2 0 ) 解得 由图2 8 ( b ) 可得到 其中 由( 2 2 2 ) 、( 2 2 3 ) 可得 设三相高压侧电压为 僦+ 忑丢q c ( 缈厶一) u b c = z l 2 f l l 2 f u b c = z 2 f 1 2 r j 而= i l 2 f + 1 2 f i b = i 吨+ i 嗨 语乞+ 南 ( 国岛一) f 吼：u e j o 。 l 以= u e 1 2 矿 【= u e m 矿 假设三相v v 牵引变压器变比为k 。两供电臂电压分别为 ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) i三三i三三、f鲁3v p e 一_ j 纠3 0 旷o c2 2 6 ， 1 7 - 厶 ：吖 弦。一议 兰肛 厂 = 朋 v 乙 乙 厶 i r 吓 p。一忧= 肛 n v 乙 乙 ，j，【 高速铁路供电系统负序补偿与i 皆波抑制技术研究 三相侧电流j 一、厶、站分别为 i 。= 等 i b = i a l b - t = 一( l + 厶) = 去( 丘口+ 丘6 ) ( 2 2 7 ) 同样地，假设补偿前只有a 相有电力机车负载，则j 肋= 0 ，三相侧b 相电流 也为0 ，l 、站如图2 9 所示；a 相的i h a p f + s v c 装置抑置谐波，且投入t c r 以平衡注入电容的无功，且使a 相电流滞后a 相电压口角度，b 相只投入t c r ，b 相电流滞后b 相电压9 0 。，此时三相电流变为艺、艺和艺，如图2 9 所示。 图2 9i h a p f + s v c 补偿前后基波电压电流向量图 根据图2 9 ，补偿后三相电流为 t ：k p 叫3 0 。帕) c o s 口 丘= i b e j l 孵 ( 2 2 8 ) 艺= 一( l + 元) 设老= 刁，则根据负序电流计算公式( 2 2 7 ) 计算出负序电流与口角和刁的 关系如图2 1 0 所示。 硕士学位论文 丑 n 媾 脚 迫 世 肝 壁 g 1 2 1 、1 0 2 1 - 5 - - 1 b 相与原a 相电流之比 oo a 相电流滞后角度 图2 1 0 负序电流与正序电流之比与口角和7 7 的关系 从图2 1 0 可以看出，随着a 相电流滞后角度口角和b 相电流与a 相原电流之 比7 7 的增大，负序电流与正序电流之比的整体趋势是先减小后增大。从图中可以 测量出，在口= 3 0 。，7 7 = 1 1 3 3 时，负序电流与正序电流之比仅为1 0 7 8 ，负序电 流基本上实现补偿。因此，只要设计好电抗器和注入电容的参数，确定适当的口和 r 值，可以完全消除三相电流中的负序含量。但是，从图2 9 可以看出，此时三 相电流功率因数均为0 5 ，功率因数很低。从两单相供电臂看，a 相供电臂功率因 数为o 8 6 6 ，b 相功率因数为0 。因此，s v c 和注入电容配合虽然能够完全补偿负 序电流，但功率因数较低，增大了牵引变压器的容量。 2 4r p c 与i h a p f + s v c 的补偿性能仿真比较研究 从对r p c 与i h a p f + s v c 两种拓扑结构的基本原理分析可知，两种结构均能 进行电气化铁路的负序和谐波抑制作用，但效果不同。为了进一步验证两种拓扑 结构的具体补偿效果，我们利用国际通用电力仿真软件p s i m ，搭建了r p c 与 i h a p f + s v c 两种结构的仿真模型，并根据高速铁路供电系统资料和电力机车资 料搭建了高速铁路供电系统下电力机车负载p s i m 仿真模型，将两种拓扑结构与 电力机车负载仿真模型合并，验证两种拓扑结构的综合补偿效果，以求选择较优 的高速铁路电能质量综合补偿装置拓扑结构。 2 4 1 高速铁路供电系统下电力机车仿真模型 根据相关资料，在京沪高速铁路的电气化工程中，除个别牵引变电所为直接 高速铁路供电系统负序补偿与谐波抑制技术研究 供电方式的变电所外，其余均为a t 供电方式的牵引变电所。牵引变压器除个别 牵引所采用单相结线型式外，其它变电所均采用三相v v 牵引变压器。仿真负载 电力机车功率为4 8 0 0 k w 。电机控制方式为四象限p w m 脉冲整流，一般情况下功 率因数高达0 9 8 ，在再生制动时功率因数也较高。其谐波特点是单次谐波含量低， 但频带较宽，存在较多的高频谐波。 根据京沪高速铁路牵引供电系统和电力机车资料，搭建了高速铁路供电系统 下电力机车p s i m 仿真模型。假设只有三相v v 结线牵引变压器二次侧a 相供电 臂有电力机车负载，a 相供电臂电流及其f f t 频谱分析图如图2 1 l 所示。 a ) a 相供电臂电力机车负载电流波形 il b ) a 相供电臂电力机车负载电流f f t 频谱分析 图2 1 1a 相供电臂下电力机车负载电流及其f f t 频谱 从图2 1 1 可见，机车负载电流的谐波含量以低次谐波及开关频率谐波为主， 但高频谐波含量丰富，频谱带较宽；总电流畸变率约为1 3 1 。 2 4 2r p c 与i h a p f + s v c 负序补偿与谐波抑制能力仿真分析 根据r p c 的结构和原理，搭建了r p c 仿真模型，并与高速铁路供电系统下 电力机车模型融合，对其负序补偿和谐波抑制能力进行了仿真研究。 仿真结果如图2 1 2 和2 1 3 所示。 硕士学位论文 6 0 0 o o 4 0 0 o o 瑚 - 4 o o ；0 0 0 9 0o 9 20 9 4o 9 6 1 铆k ( s ) a ) 补偿前后a 相2 5 k v 供电臂电流波形 o 9 8 毛l 0 o o 2 0 3 2 1 m o o t - 2 0 0 - 3 0 0 0 0 o 4 0o 8 00 8 0 f r e q u e n c y ( m - 4 z ) b ) 补偿前后a 相2 5 k v 供电臂电流频谱 o 0 鸵 o 9 40 o 9 8 t 盯b ( 。) c ) 补偿后a 相和b 相供电臂电流 图2 1 2r p c 补偿前后供电臂侧电流波形 2 1 瑚 o g j 的 旨； o 3 3 2 2 ， 蕾 1。e? 一g 高速铁路供电系统负序补偿与谐波抑制技术研究 、 o - 2 0 0 0 。、- 4 0o o 2 0 u o m 2 00 0 1 0 0 一 f 约 o o 1 0 0 ? o 0 0 5 0 0 0 一 1 - 1 0 0 a ) 补偿前后a 相2 5 k v 供电臂电流波形 l ，t a l l 、 o 2 00 4 0o 6 00 8 0 f r e q u e n c y ( k n z ) b ) 补偿前后a 相2 5 k v 供电臂电流频谱 0 9 00 9 20 0 9 60 1 t r r m ( s ) c ) 补偿后a 相和b 相供电臂电流 图2 1 41 h a p f + s v c 补偿前后供电臂侧电流波形 2 3 o g 签o v t 高速铁路供电系统负序补偿与谐波抑制技术研究 0 h - 0 、 u 、 、 a ) 补偿前三相电流波形 b ) 补偿后三相电流波形 图2 1 5i h a p f + s v c 补偿前后三相电流波形 从图2 1 4 ( a ) 和( b ) a 相供电臂补偿前后电流及其频谱图可以看出，经 i h a p f + s v c 系统补偿后，低频谐波明显降低。从图2 1 4 ( c ) 可以看出，补偿后 a 、b 相供电臂电流基本相等，说明两供电臂视在功率相等。从图2 15 可以看出， 补偿前，负序与正序电流之比为1 0 0 ，补偿后三相电流接近平衡，负序电流基 本消除。这是s v c 和i h a p f 的注入电容共同作用的结果，表明s v c 具有负序补 偿的功能；测得三相电流功率因数均约为0 8 6 ，功率因数较低，与理论分析一致。 2 5 比较研究结论 通过对r p c 和i h a p f + s v c 两种拓扑结构的比较研究，我们可以发现，r p c 可以通过调节两供电臂的有功和无功功率使两供电臂功率平衡，将三相电流的负 序电流完全消除。r p c 对低次谐波抑制较好，对高次谐波抑制较弱。i h a p f + s v c 能够利用s v c 来补偿部分负序，但使一供电臂的功率因数为0 ：i h a p f + s v c 对 低次谐波具备较好抑制能力，高次谐波抑制能力依然有限。r p c 的优势在于能够 硕 j 学位论文 保证三相电流功率因数的情况下通过调节两供电臂有功和无功功率来动态补偿负 序和抑制谐波。基本分析和仿真研究均表明r p c 对负序的抑制能力优于 i h a p f + s v c ，因此选择r p c 作为高速铁路电能质量综合补偿装置。 2 6 本章小结 本章通过对现有补偿装置拓扑结构的回顾，分析了它们各自的特点，并结合 我国高速铁路牵引供电系统的特征，对具有应用潜力的两种拓扑结构，即r p c 和 i h a p f + s v c ，进行了比较研究。分析了它们的基本原理，建立了电气模型，并对 负序和谐波补偿能力进行了理论上的分析和仿真验证，得出了两种拓扑结构的补 偿特点。结果表明，r p c 对负序电流的抑制能力要优于i h a p f + s v c ，因此选择 r p c 作为高速铁路电能质量综合补偿装置。 高速铁路供电系统负序补偿i 一谐波抑制技术研究 第3 章r p c 负序与谐波补偿电流检测方法及控制策略 根据上章对r p c 和i h a p f + s v c 两种拓扑结构的比较研究，我们可以发现， 应用r p c 较i h a p f + s v c 更具优势。因此本章将对r p c 的负序和谐波检测方法 及控制策略进行研究。 3 1 单相电路谐波与无功电流检测方法 从前面对r p c 的原理分析可知，r p c 进行负序与谐波补偿，实际上是通过 r p c 两变流器转移一定量的有功、吸收或发出一定量的无功和发出补偿谐波电流 来实现负序与谐波的抑制。因此r p c 的负序与谐波补偿电流的检测与单相电路的 谐波和无功检测方法有一定的联系。 目前有一些文献对单相电路谐波及无功检测方法进行了研究【4 0 4 4 1 ，代表性的 有构造三相法、改进i p i q 法等。 3 1 1 构造三相法进行单相谐波及无功检测 在负载平衡的三相三线制电路中，各相电压与电流波形相同，相位互差1 2 0 。 构造三相法1 4 3 】的思路是：由单相电路的电压和电流构造三相系统，或直接构造一 个等效的两相系统，再应用三相瞬时无功理论进行分解，其方法如图3 1 所示。 乞坷 意：l e ，| e e b | e 厂l 三4 一1 一 蜘夕盘匠一 垮 。 一丝碧 纠国l f 三相巨一l l ， 蜘蜒 图3 1 构造三相法进行谐波检测框图 设巳、t 分别为单相电路的电压和电流瞬时值，根据、构造三相( 两相) 系统。文献作者提出了三种构造方法。其中比较有代表性的一种构造方法如下： 令巳= 乞，屯= 。将巳滞后1 2 0 。得e h ，滞后2 4 0 。得巳。则e o 、和巳分别为。 硕l ：学位论文 e a = = 、f 2 e o s i nc o t e h = , 、t 2 e os i n ( c o t 一12 0 。) e c = x 2 e 。s i n ( c o t 一2 4 0 。) 将乞滞后1 2 0 。得，滞后2 4 0 。得t 。 ( 3 1 ) 艺= 2 ls i n ( c o t - o ) = 2 厶s i n ( ( c o t - 1 2 0 。) 一体) ( 3 2 ) c = 2 ls i n ( ( c o t - 2 4 0 。) 一) 构造得到的、e b 、p f 和、b 、之分别为构造的三相电压、电流瞬时值，把 它们变换到口- 坐标系。 厅 式中，c 3 22 詈 吃e p 7 = c 3 ： 乞巳r 乞订= c 3 ： 艺汀 ( 3 3 ) ( 3 4 ) 根据三相瞬时功率理论，所构造三相系统的瞬时有功功率p 和无功功率g 分 别为 i p = + i g2 0 一吃冶 将p 、g 分别分解为直流分量歹、虿和交流分量卢、耷。 l p = p + p 【q2q + q 可将对应的单相电流分解为单相电路瞬时有功电流乙， 电流乙及谐波电流厶。 2 一l s p k 式中，p 2 = + 菇，且有基波电流0 = 岛+ 0 。 ( 3 5 ) ( 3 6 ) 单相电路瞬时无功 ( 3 7 ) ( 3 8 ) 一2后一2。一2订一2l一2压一2。一2压一2 1 0 一p g 吃一矿一， 压惦压惦 = 1 1 纫 岛 高速铁路供电系统负序补偿j 谐波抑制技术研究 根据上述，得到如图3 1 所示的单相电路谐波电流检测框图。 3 1 2 改进f p 一法 为了使改进后的检测方法能直接应用于单相系统，改进i p 一乞法f 4 4 1 直接对单相 电流进检测。与传统f p 一算法一样，取与单相电压相位相同的单位正弦函数来代 替单相电压。设单相瞬时电压和瞬时电流分别为 材= c o s ( c o o t ) ( 3 9 ) f = 2 厶c o s ( k c o o t + c p k ) ( 3 1 0 ) k = l 为了降低计算量，改进一法省去一算法中的三相至两相坐标变换，改 为直接求三相坐标系下的瞬时有功电流和瞬时无功电流。定义a b c 三相坐标系 下的瞬时有功电流f ：，和瞬时无功电流分别为 坼 器卜扪孰 脚， ( 3 1 2 ) 由( 3 1 2 ) 可以看出，在单相瞬时电压取为与其同相位的单相瞬时正弦函数 的情况下，瞬时有功电流i ：的物理意义是单相瞬时电流和单相瞬时电压的乘积， 这跟时域下的瞬时有功功率定义是相同的；瞬时无功电流艺的意义是单相瞬时电 流和相位滞后万2 的单相瞬时电压的乘积，这跟时域下的瞬时无功功率的定义也 是相同的。 将式( 3 1 1 ) 得到的三相坐标系下的瞬时有功电流f ：和瞬时无功电流通过低 通滤波器后获得它们的直流分量，分别定义为乏和i ，则有 ：鱼枷伊2 _ ， ：鱼耶i n 缈2 i， ( 3 1 3 ) 由( 3 1 3 ) 可以看出，在单相瞬时电压取为与其同相位的单位正弦函数的情 仇 栅 岬 仇 伊 啦 s 丫 螂 呲 + 喝 ，r + 依 粗 岬 纯 舻 砌 m 洲 瞅 书 鼬 粤孚 扣 料 )、， ) 吲 吖 慨 引 k m a 酊 硕：l ：学位论文 况下，亏与基波有功功率成比例，而亏与基波无功功率成比例，也就是说，通过 对i 的控制能精确地控制基波有功功率，而对亏的控制能精确地控制基波无功功 率。另一方面，从式