高速电气化铁路混合电能质量补偿系统的研究

高速电气化铁路混合电能质量补偿系统的研究

1种新的电能质量补偿系统作为铁路运输业的骨干，铁路在我国经济中发挥着重要作用。为了满足中国铁路运输市场的需求，国家大力发展铁路建设，尤其是高速铁路建设。由于高速电气列车为单相重负荷,并具有波动性强、谐波含量丰富等特点,其产生的谐波和负序电流注入公用电网,对电力系统的安全稳定运行造成极大的威胁。随着高速电气化铁路的飞速发展,电力和铁路部门之间的供用电矛盾将日益突出,因此深入而广泛研究其相互影响是亟待解决的问题。为了解决电气化铁路的高负序和谐波含量等电能质量问题,在机车运营上提出了轮相换序的方式来平衡负载的单相不对称性。在功率补偿方面,采用大功率静止无功补偿装置补偿无功来抑制负序电流。然而对于谐波抑制,一般使用有源电力滤波器、无源滤波器和有源电力滤波器相结合的混合型有源滤波器等,但是有源滤波器功能过于单一不能补偿负序。在日本,有学者提出了电气化铁路功率调节器的概念,通过由背靠背的逆变桥分别连接在牵引变电站两个牵引臂,它具有转移两牵引臂有功、补偿无功和谐波电流的能力,能够有效补偿负序与抑制电压的波动。文献提出了一种统一电能质量控制器的电气化铁路补偿方案,将多个H桥呈链式连接在一起增大补偿容量来满足大容量无功与负序补偿的要求,但是该装置结构复杂、成本高。因此结合无源装置的大容量低成本特性和RPC的综合补偿能力成为了一种明智的选择。针对京沪高速铁路V/V牵引系统,为了进行大容量的无功与负序补偿,本文提出一种新颖的混合型综合补偿系统。该系统充分利用SVC低成本、高可靠性的特点进行绝大部分的无功补偿,然后由RPC来进行转移有功,补偿余下的无功和谐波。混合系统中有源部分容量大大降低,节省了成本,提高了系统的可靠性。本文首先分析了V/V系统的结构原理,推得控制器的指令参考信号,并采用了一种模糊递推PI积分算法,有效克服一般PI控制器的缺陷并提高了系统的动态跟踪性能。根据补偿要求设计了系统参数,最后通过仿真与实验证明混合系统结构和控制方法的正确性。2等效电路与负载模型新型电能质量补偿系统结构图如图1所示。整个系统由三部分组成:铁路功率调节器,即由图中电容器C连接的两个单相H桥逆变器构成;由电感L构成的晶闸管控制电抗器(ThyristorControlledReactor,TCR);由电感L3、电容C3晶闸管控制3次单调谐滤波器(ThyristorControlledFilter,TCF)。铁路功率调节器通过两个降压变压器与三相V/V牵引变压器二次侧的两供电臂连接,TCF安装在与电流相位超前的α供电臂连接下,TCR安装在与电流相位滞后的β供电臂连接下。若只有一供电臂机车负载时,首先分别投入TCF和TCR来补偿固定量的无功,然后通过RPC转移有功功率与补偿谐波来达到负序与谐波完全补偿的目的,通过无源装置大大降低了RPC的容量;若两供电臂都有机车负载时,两供电臂有功已经平衡,在两供电臂分别投入TCF和TCR来补偿固定量的无功,然后通过RPC补偿余下的无功与谐波来达到负序与谐波完全补偿的目的,通过无源装置大大降低了RPC的容量。这里晶闸管只起开关作用,不会给牵引供电系统带来额外谐波。这样通过无源装置大大减小RPC为补偿负序而增加输出的无功电流,降低了RPC装置的容量与成本,提高了系统的可靠性能。三相V/V变压器以其结构简单,容量利用率高的优点为我国电气化铁路牵引供电系统所采用。定义图1中的右侧供电臂为α相,左侧供电臂为β相供电臂。根据图1所示的综合补偿结构图,为了进一步分析系统的运行机理,考虑到两供电臂结构的相似性,欲建立其单相等效电气模型。逆变器输出等效为一个电压源,两供电臂下的晶闸管控制的无源装置等效阻抗分别为ZF(两相分别为ZαF,ZβF),故可以推得等效模型如图2a所示。假设供电臂电网阻抗为ZS,把机车负载等效为电流源IL,RPC逆变器输出电抗等效阻抗为ZC(两相分别为ZαC,ZβC)。建立H桥逆变器单独作用时的等效模型如图2b所示。考虑到降压变压器的电压比为n,图中逆变输出电源UC=nUinv,其中Uinv逆变器实际输出电压,故可推得电源Uinv与电网电流IC的关系为其中x∈{α,β},且ZF≫ZS。由于电网阻抗值一般远远小于无源装置阻抗值,从上式可以看到,RPC的负序与谐波补偿能力基本不受无源装置的影响,故RPC只要采取合适的控制方法使其输出电流跟踪指定的基波和谐波电流信号,之后与由负载引起的基波和谐波电流叠加使相应部分得以补偿与抵消,这样就可以整体达到负序补偿与谐波抑制的目的。3综合补偿系统的原理和参考信号的检测3.1混合装置负序补偿原理设IΑ,IΒ,IC分别表示V/V牵引变压器一次侧三相基波电流,Iα、Iβ为α相和β相供电臂电流中的基波电流。定义复数运算符号a=ej120°,根据V/V牵引变压器的特点,正序和负序电流计算式为针对不同负载情况下,分析混合装置的负序补偿原理。由于铁路机车一般为交-直-交电力机车,采取四象限PWM脉冲整流控制方式,功率因数接近1。为了便于分析假设牵引变压器电压比为1。对于两供电臂都有机车的情况,上面的负序补偿原理不变,如图3b所示。由于两边同时存在机车负载电路故两供电臂有功电流已经平衡。则需要在两供电臂分别补偿一定量的无功电流来扩张两供电臂电流相角以补偿负序,即首先通过无源装置补偿固定量的无功然后通过RPC分别给两供电臂补偿缺额的无功,使得一次侧三相电流完全对称,负序分量为0,并且此时一次侧三相功率因数为1。3.2rpc综合补偿装置的构建由于晶闸管控制的无源装置安装在负载侧,这里把晶闸管控制的无源装置提供的无功电流与机车电流一起看作总的负载电流。设牵引系统一次侧电网A相单位电压为uA(t)=sinωt,则两牵引供电臂单位电压为uα(t)=sin(ωt-30),uβ(t)=sin(ωt-90)设两供电臂检测的负载电流为iαL、iβL,用傅里叶级数表示为式中,Iαp和Iβp分别为两相供电臂负载电流的有功分量的幅值;Iαq和Iβq分别为两相供电臂负载电流的无功分量的幅值。根据鉴相检测原理,可以搭建如图4所示的供电臂参考指令信号检测框图。首先将两牵引臂负载电流分别乘以同步信号,两者相加后通过低通滤波器(LPF)滤波后可以容易地提取出基波有功电流幅值和的一半,如图4所示。即要实现系统负序电流的完全补偿,在两个牵引臂的有功负荷平衡之后,需要分别给两牵引供电臂补偿指定量的容性与感性无功电流,如图4所示。这样得到补偿后的α、β两供电臂的电流幅值相等,相角相差120°,此时两牵引供电臂电流期望值为对于机车负载谐波,由RPC进行动态抑制,分别根据α、β两供电臂的负载谐波,分别向α、β相供电臂注入大小相等、相位相差180°的谐波电流进行抵消。故只要RPC综合补偿装置能把α、β两供电臂的负载电流分量iLα(t)、iLβ(t)补偿为iα(t)、iβ(t)就达到了负序与谐波完全补偿的目的。故可以求得补偿参考信号为通过合适的闭环控制策略来控制背靠背的两逆变桥,并控制其为一个受控电流源,故只要使其输出电流完全跟踪给定的基波与谐波电流就可以实现系统负序完全补偿与谐波完全抑制。4控制战略与系统性能分析4.1rpc补偿原理RPC要达到负序与谐波补偿的目的,两变流器必须实时跟踪负序与谐波电流补偿参考量,而两变流器要正常工作,就必须稳定直流侧电压。由于逆变器功率管的开关损耗和电感电容器件的功率损耗,如果不及时对直流侧电容充电,其电压就会下降。两个变流器是由直流侧电容连接起来,共享直流侧电容,故直流侧电压由两个变流器共同补充或释放有功来维持稳定。根据系统的负序补偿原理,可以搭建系统的闭环控制框图如图5所示,其中GPWM(s)为SPWM调制的等效传递函数,Gobj(s)为RPC补偿系统内部的传递函数。首先通过直流侧电压外环PI控制来维持电压的稳定,保证系统的正常运行,然后通过电流内环控制来补偿指定量的基波与谐波电流以达到补偿负序与抑制谐波的目的。具体实现如下:直流侧电压的跟踪误差经PI调节器处理后输出一个调节信号,然后分别乘以两供电臂的同步信号,得到RPC中α、β相变流器的直流侧电压调节信号。直流侧电压通过由两变流器共同控制维持的方法,器件损耗由两供电臂分担,从而保证了RPC变流器两侧功率平衡。将α、β相变流器的直流侧电压调节信号与谐波和负序补偿电流参考指令叠加,得到RPC两变流器的实际电流参考指令信号。由于RPC输出是个受控电压信号,本文通过闭环方式把RPC逆变输出支路控制为一个受控电流源信号IC,从而实现对电流信号的跟踪补偿。为了到达电流参考信号快速、无差跟踪的目的,本文采用了一种模糊递推PI控制方法,将模糊算法和递推算法相结合,提高内环电流控制的性能。根据内环模糊递推PI控制器的输出,通过SPWM调制方式,可以得到两个变流器的PWM驱动信号,然后驱动开关管获得期望的电源电流信号。4.2递推积分pi控制算法由于参考指令信号为交流信号,故本文采用一种递推积分PI算法来实现对闭环控制系统的无差控制。递推积分PI算法如式(8)所示。式中,N为一个周期内的采样点数;C为[k/N]取整,代表当前时刻已经采样完毕的基波周期的个数。算法分别对每个周期内相应的各采样点的误差e(k)进行积分。对比于传统PI算法,相当于有N个PI并行工作来实现对系统的PI控制。为简化计算,可以把out(k)表示为增量形式,即式中,k表示当前时刻采样值,k-N为上周期对应点采样值。从上式可以看出,递推积分PI的传递函数包含了参考信号的周期信息,而传统PI的传递函数中并没有包含这一信息,也就是说,递推积分PI控制算法可以保证控制系统在稳态时输出电流能无差跟踪指令参考信号。通过以上的分析可知,递推积分PI控制算法能够使闭环控制系统达到稳态无差的效果,但和传统PI控制一样,响应速度较慢。故本文采用模糊算法对递推积分PI的系数KP、KI进行在线调整来提高其响应速度。考虑到RPC两逆变结构的相近性和控制规则的通用性,故两个逆变结构电流内环控制共同采用一个模糊控制规则。模糊参数调节器采用二维结构,设e、ec、ΔKp、ΔKI的模糊集E、EC、U1、U2为:{NB,NS,0,PS,PB},E、EC、U1、U2的隶属度函数采用鲁棒性强的S型函数。比例环节作用是使控制器立即产生控制作用,迅速减少误差,积分环节主要用于提高系统的无差度,对应点误差进行积分。根据参考文献所述,可以推得ΔKP和ΔKI的控制规则见表1和表2。模糊推理算法:(2)模糊推理:根据E、EC查询模糊控制表得到U1(k),U2(k)。(3)反模糊化:式中,<x>表示对x取整;λ1、λ2为模糊化因子;λ3、λ4为反模糊化因子。5实验的模拟和结果5.1补偿前后的仿真本文采用PSIM6软件进行了仿真。220kV牵引供电电源经过V/V变压器变为两个单相27.5kV牵引供电源。机车都采用四象限高功率因数整流,机车负载模型的功率为4.8MW,电流畸变率约为14%且以3次谐波为主。两供电臂的电网电感LS=5mH,降压变压电压比为25。从前面的负序补偿原理可知:单机车时,首先通过两边的无源装置分别向两供电臂补偿固定容量(2.4tan30°=1.385Mvar)的容性和感性无功功率,再通过RPC转移2.4MW有功功率;双机车时,由于两供电臂的有功功率已经平衡,在通过两边的无源装置补偿固定的无功功率后,再由RPC分别向两个供电臂提供缺额的1.385Mvar的容性和感性无功功率。α供电臂要补偿固定容量的容性无功功率,又考虑到机车负载以3次谐波为主,故设计一组3次无源滤波器来滤除谐波与补偿无功,3次滤波器参数折算到25kV侧为:C3=7.04μF,L3=159.6mH,R3=5Ω;β供电臂要补偿固定容量的感性无功功率,可得晶闸管控制的电抗器参数折算到25kV侧为:L=1437.5mH。仿真系统参数如上所述,利用PSIM6软件搭建了系统电气模型,仿真结果如下。(1)当只有一桥臂有机车时,以α供电臂有机车为例,来说明具体补偿原理。在0.1s处首先投入无源装置分别给两供电臂补偿固定量的无功电流,然后在0.2s处投入RPC来转移有功,补偿余下的无功电流与谐波来达到系统负序与谐波的整体补偿。图6为仿真结果。可以看出,补偿前,二次侧只有α供电臂有电流,而β供电臂电流为0,此时三相一次侧A,C相有互为反向的电流,B相电流为0。在0.1s处两供电臂分别投入无源装置,α供电臂电流Isα通过TCF补偿一定量的容性无功电流后,其基波电流有效值由原来的192A变为203A,而β供电臂电流Isβ通过TCR补偿一定量的感性无功电流后,其基波电流有效值由原来的0变为54A,基本达到无源补偿的目标。在0.2s时投入RPC来转移有功和补偿谐波,α供电臂通过RPC向供电臂汲取一半的有功电流,本供电臂的有功出力减少一半,这样综合补偿之后两供电臂基波电流有效值都变为113A,两供电臂基波电流幅值相等,相位差120°,一次侧三相电流完全对称,此时负序分量为0。(2)当两边都有机车时,在0.1s处首先投入无源装置分别给两供电臂补偿固定量的无功电流,然后在0.2s处投入RPC,仿真结果如图7所示。从图7a和7b中可以看出,在补偿以前,二次侧两供电臂都有大小相等的有功电流,此时两供电臂有功已经平衡。在0.1s处两供电臂分别投入无源装置,α供电臂电流Isα通过TCF补偿一定量的容性无功电流后,其基波电流有效值由原来的192A变为202A,而β供电臂电流Isβ通过TCR补偿一定量的感性无功电流后,其基波电流有效值由原来的192A变为203A,基本达到无源补偿的目标。在0.2s处投入RPC来补偿余额的无功,α和β供电臂分别通过RPC向本供电臂补偿余额的无功电流,两桥臂基波电流有效值都变为222A,这样综合补偿之后两供电臂基波电流幅值相等,相位差120°,此时一次侧三相电流对称负序完全补偿。为了验证RPC对负载谐波补偿能力,以α供电臂为例,如图8所示。由频谱图可知,机车负载电流ILα补偿前畸变很严重,其中3次,5次,7次,11次,13次幅值分别为26、20、16.3、11.6、8.8A,经过装置补偿后α供电臂电流Isα很平滑,相应谐波幅值分别变为1.2、0.8、0.7、0.5、0.4A。故RPC能有效地补偿负载谐波,大大减小供电臂电流畸变率。为了验证本文采用的模糊递推积分PI控制算法的优越性,在0.2s投入综合补偿装置,通过分析电流内环的跟踪误差的波形和频谱来说明控制算法的性能。图9a和9b为采用常规PI控制时的跟踪误差波形和频谱,图9c和9d为采用模糊递推积分PI控制时的跟踪误差波形和频谱。在0.2s补偿以前,注入支路电流对参考信号的跟踪误差的波形不变。图9a表明采用单纯的PI控制时,闭环系统需要较长的时间才能使电流跟踪误差较小,而图9c采用递推积分对控制系统指令信号点对点实时调节,又利用模糊算法对控制器参数在线调整后,电流跟踪速度加快,误差就很快减小到稳态值。通过误差频谱图进一步来分析算法的跟踪精度,图9b表明采用一般PI控制时的稳态误差频谱图,其中基波,2次、3次、5次谐波幅值为4.1A、1.1A、1.6A、1.4A,而图9d采用递推算法后,其对应频率的谐波幅值分别为0.45A、0.05A、0.3A、0.25A。可以看出,采用模糊递推PI控制算法对电流内环调整后,系统的稳态跟踪精度大大提高。5.2改造后的rpc参数为模拟电气化铁路牵引系统,搭建了220V供电的V/V牵引机构。用两个电压比为380∶220