牽引變電站三相SVC系統設計與控制方法

2018-03-12 14:27:32 大云網　點擊量：評論 (0)

分析了常規牽引變電站用無功補償設備的特點，針對現有方法實現三相分相補償的缺陷，采用牽引變壓器副邊三相分相補償方法，設計牽引變電站

分析了常規牽引變電站用無功補償設備的特點，針對現有方法實現三相分相補償的缺陷，采用牽引變壓器副邊三相分相補償方法，設計牽引變電站用靜止無功補償系統。提出了在牽引變電站TCR+FC 型SVC 三相補償方式下的系統設計方法，闡述了SVC 三相分相補償方法的原理和控制實現方法，搭建了牽引變電站用SVC 控制仿真系統。仿真分析結果表明該方法可以在牽引變壓器原邊采用分相補償控制方法實現牽引變壓器原邊的負序電流消除和單位功率因數，具有一定的有效性和可行性。

1. 引言

鐵路是國民經濟的大動脈，鐵路運輸是我國重要的運輸方式之一。牽引供電網的電能質量問題日益受到廣泛的關注，因此研究并解決這些問題，發展適合高速鐵路的新型電能質量治理裝置十分必要而且很有意義。目前關于電氣化鐵路諧波治理的技術已經趨于成熟，但對于負序的治理仍存在很多問題。國內外學者致力于研究、尋求針對電氣化鐵路牽引電網出現的諧波、無功、負序等問題的解決方法，輔以一定的控制設備、裝置，以解決諧波、無功、負序等電能質量問題。

文獻[6]采用基于H橋串聯的鏈式STATCOM補償方案，基于H 橋加變壓器級聯的方法，實現無功負序綜合補償，但系統結構復雜，控制困囊，造價昂貴文獻[7]采用基于APF 的牽引變電站副邊兩相低壓側補償方案，實現諧波消除和無功補償，但適用的電壓等級有限，裝置體積大，補償容量有限。文獻[8]采用基于TCR+FC 的SVC 牽引變電站副邊兩相補償方案，實現諧波消除和無功補償，但不能消除負序電流。文獻[9]采用基于TCR+FC 型SVC 的牽引變壓器原邊三相補償方案，實現無功，諧波和負序的綜合治理，由于裝置諧波通過變壓器，嚴重影響變壓器的性能。

2. 牽引變壓器副邊SVC 三相補償原理

牽引變電站所接負荷為牽引機車，為單相負荷。采用常規補償手段，如固定電容器，TSC 分級投機等，可使每個單相橋臂具有較高的功率因數。陜西省重點學科建設專項資金資助項目(105-00901) 采用副邊SVC單相補償的方法，理論上可實現單相單位功率因數運行。但是，從牽引變壓器原邊三相功率綜合分析，系統中存在大量負序電流，采用V-V牽引變壓器時，在一個橋臂機車最大功率運行，另一個橋臂空載運行這一極限情況時，負序電流近似等于正序電流。

牽引變壓器采用三相Y/Δ 型，Scott 型，阻抗匹配平衡型等其他方式可以減少負序電流，但不能完全除負序電流。因此，負序電流的消除必須從三相功率的角度整體分析解決。另外，由于電力機車運行狀態的隨機性，必須采用動態補償的方法才能取得理想的無功功率綜合補償效果。

與傳統單相補償系統不同的是，三相補償系統在兩個牽引邊橋臂之間新加入一單相補償系統，與原有兩橋臂兩相補償系統一并構成三相補償系統。

每一相SVC 補償系統均有TCR 和FC 兩部分構成，其中FC 設計為兼具濾波功能的LC 型濾波器，在輸出容性無功功率，提高功率因數的基礎上可消除機車運行所產生的諧波電流，提高牽引變電站供電質量，提高牽引系統穩定性和安全性。TCR 為連續可調節的電抗器，用于快速輸出感性電流，抵消機車運行中快速變化的無功功率。

牽引變壓器副邊三相補償用SVC 控制器采集牽引變壓器原邊三相電壓和電流，采用合適的負序電流抑制算法，直接對原邊的正序無功電流和負序電流進行消除。

3. 系統設計

SVC 控制器采用外開環，內部閉環的分相控制方式，系統最小響應時間5ms，最大響應時間10ms，典型調節時間40ms。詳細的實現原理見第四部分。

4. SVC 分相補償控制器

4.1 分相補償原理

牽引變電站的接線方式，機車負載可以等效為三相阻抗不等的電網絡，分相補償原理是尋找一個無源阻抗網絡，通過該無源阻抗網絡可使三相阻抗不等的電網絡變成為三相阻抗平衡網絡，并且整個電網絡呈現純阻性。以α 橋臂上有機車，β 橋臂上無機車運行狀態為例，此時機車負載的等效電網絡，式1為機車三相負載的阻抗，采用分相補償方法后的等效電網絡，式2 為分相補償后的三相電網的阻抗

控制器采用電壓和三相電流綜合控制的方法，通過引入電壓前饋控制，一方面提高系統電壓穩定度，另一方面可加快控制器響應速度。電流環采用基于對稱分量法的三相有功平衡和無功補償的電流平衡綜合補償算法。

式4 為負載導納的有效值，不能直接測量，因此SVC 控制器采集系統電壓和系統電流的瞬時值，對負載導納進行間接測量。由于系統電壓和電流通常包含一定的諧波分量，因此首先采用ip-iq 基波提取算法提取系統基波電壓和基波電流的瞬時值。接著通過對稱分量法分別計算系統總導納和TCR 導納，間接得到負載導納。最后，通過調整TCR 導納，使系統三相電導相等，三相電納為零，實現分相補償。在系統電壓和系統導納之間引入前饋控制，可同時調節系統電壓期望值。由于TCR觸發角度和輸出之間呈非線性關系，通過輸出線性化的方法將SVC 系統轉化為線性系統，提高SVC 控制器的響應速度和控制精度。SVC 控制器系統主要實現部分如下：1)ip-iq 基波提取算法。

4.2 系統仿真

搭建matlab/simulink 平臺下的牽引變電站三相不平衡SVC 補償控制仿真系統。模擬的機車負載運行狀況如下：

1)在0.2s 之前，兩段母線上均無機車負載;

2)在0.2s，一段母線上運行最大機車負載，另一段無負載;

3)在0.3s，兩段母線上均運行最大機車負載。

這里分別采用兩相單相補償方法和三相分相補償方法，進行比較分析。為便于分析比較，仿真波形中系統電壓和電流采用標幺量，選取系統相電壓峰值和系統電流峰值為標幺基準值圖5 為牽引變電站采用兩套單相SVC 進行兩相單相補償后的兩相電壓電流波形。

5. 結論

本文介紹了一種用于牽引變電站的TCR+FC 型三相SVC 系統。該系統從牽引變壓器副邊進行三相分相無功功率補償，消除了機車單相負荷所產生負序電流分量對牽引供電網的影響。仿真結果表明了所提出的牽引變電站用SVC 系統設計方法和牽引變電站三相分相補償SVC 控制器控制方法的有效性和可行性。