高速電氣化鐵路混合電能質量補償系統(tǒng)的研究

高速電氣化鐵路混合電能質量補償系統(tǒng)的研究

1種新的電能質量補償系統(tǒng)作為鐵路運輸業(yè)的骨干，鐵路在我國經濟中發(fā)揮著重要作用。為了滿足中國鐵路運輸市場的需求，國家大力發(fā)展鐵路建設，尤其是高速鐵路建設。由于高速電氣列車為單相重負荷,并具有波動性強、諧波含量豐富等特點,其產生的諧波和負序電流注入公用電網,對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行造成極大的威脅。隨著高速電氣化鐵路的飛速發(fā)展,電力和鐵路部門之間的供用電矛盾將日益突出,因此深入而廣泛研究其相互影響是亟待解決的問題。為了解決電氣化鐵路的高負序和諧波含量等電能質量問題,在機車運營上提出了輪相換序的方式來平衡負載的單相不對稱性。在功率補償方面,采用大功率靜止無功補償裝置補償無功來抑制負序電流。然而對于諧波抑制,一般使用有源電力濾波器、無源濾波器和有源電力濾波器相結合的混合型有源濾波器等,但是有源濾波器功能過于單一不能補償負序。在日本,有學者提出了電氣化鐵路功率調節(jié)器的概念,通過由背靠背的逆變橋分別連接在牽引變電站兩個牽引臂,它具有轉移兩牽引臂有功、補償無功和諧波電流的能力,能夠有效補償負序與抑制電壓的波動。文獻提出了一種統(tǒng)一電能質量控制器的電氣化鐵路補償方案,將多個H橋呈鏈式連接在一起增大補償容量來滿足大容量無功與負序補償的要求,但是該裝置結構復雜、成本高。因此結合無源裝置的大容量低成本特性和RPC的綜合補償能力成為了一種明智的選擇。針對京滬高速鐵路V/V牽引系統(tǒng),為了進行大容量的無功與負序補償,本文提出一種新穎的混合型綜合補償系統(tǒng)。該系統(tǒng)充分利用SVC低成本、高可靠性的特點進行絕大部分的無功補償,然后由RPC來進行轉移有功,補償余下的無功和諧波。混合系統(tǒng)中有源部分容量大大降低,節(jié)省了成本,提高了系統(tǒng)的可靠性。本文首先分析了V/V系統(tǒng)的結構原理,推得控制器的指令參考信號,并采用了一種模糊遞推PI積分算法,有效克服一般PI控制器的缺陷并提高了系統(tǒng)的動態(tài)跟蹤性能。根據補償要求設計了系統(tǒng)參數,最后通過仿真與實驗證明混合系統(tǒng)結構和控制方法的正確性。2等效電路與負載模型新型電能質量補償系統(tǒng)結構圖如圖1所示。整個系統(tǒng)由三部分組成:鐵路功率調節(jié)器,即由圖中電容器C連接的兩個單相H橋逆變器構成;由電感L構成的晶閘管控制電抗器(ThyristorControlledReactor,TCR);由電感L3、電容C3晶閘管控制3次單調諧濾波器(ThyristorControlledFilter,TCF)。鐵路功率調節(jié)器通過兩個降壓變壓器與三相V/V牽引變壓器二次側的兩供電臂連接,TCF安裝在與電流相位超前的α供電臂連接下,TCR安裝在與電流相位滯后的β供電臂連接下。若只有一供電臂機車負載時,首先分別投入TCF和TCR來補償固定量的無功,然后通過RPC轉移有功功率與補償諧波來達到負序與諧波完全補償的目的,通過無源裝置大大降低了RPC的容量;若兩供電臂都有機車負載時,兩供電臂有功已經平衡,在兩供電臂分別投入TCF和TCR來補償固定量的無功,然后通過RPC補償余下的無功與諧波來達到負序與諧波完全補償的目的,通過無源裝置大大降低了RPC的容量。這里晶閘管只起開關作用,不會給牽引供電系統(tǒng)帶來額外諧波。這樣通過無源裝置大大減小RPC為補償負序而增加輸出的無功電流,降低了RPC裝置的容量與成本,提高了系統(tǒng)的可靠性能。三相V/V變壓器以其結構簡單,容量利用率高的優(yōu)點為我國電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)所采用。定義圖1中的右側供電臂為α相,左側供電臂為β相供電臂。根據圖1所示的綜合補償結構圖,為了進一步分析系統(tǒng)的運行機理,考慮到兩供電臂結構的相似性,欲建立其單相等效電氣模型。逆變器輸出等效為一個電壓源,兩供電臂下的晶閘管控制的無源裝置等效阻抗分別為ZF(兩相分別為ZαF,ZβF),故可以推得等效模型如圖2a所示。假設供電臂電網阻抗為ZS,把機車負載等效為電流源IL,RPC逆變器輸出電抗等效阻抗為ZC(兩相分別為ZαC,ZβC)。建立H橋逆變器單獨作用時的等效模型如圖2b所示?？紤]到降壓變壓器的電壓比為n,圖中逆變輸出電源UC=nUinv,其中Uinv逆變器實際輸出電壓,故可推得電源Uinv與電網電流IC的關系為其中x∈{α,β},且ZF?ZS。由于電網阻抗值一般遠遠小于無源裝置阻抗值,從上式可以看到,RPC的負序與諧波補償能力基本不受無源裝置的影響,故RPC只要采取合適的控制方法使其輸出電流跟蹤指定的基波和諧波電流信號,之后與由負載引起的基波和諧波電流疊加使相應部分得以補償與抵消,這樣就可以整體達到負序補償與諧波抑制的目的。3綜合補償系統(tǒng)的原理和參考信號的檢測3.1混合裝置負序補償原理設IΑ,IΒ,IC分別表示V/V牽引變壓器一次側三相基波電流,Iα、Iβ為α相和β相供電臂電流中的基波電流。定義復數運算符號a=ej120°,根據V/V牽引變壓器的特點,正序和負序電流計算式為針對不同負載情況下,分析混合裝置的負序補償原理。由于鐵路機車一般為交-直-交電力機車,采取四象限PWM脈沖整流控制方式,功率因數接近1。為了便于分析假設牽引變壓器電壓比為1。對于兩供電臂都有機車的情況,上面的負序補償原理不變,如圖3b所示。由于兩邊同時存在機車負載電路故兩供電臂有功電流已經平衡。則需要在兩供電臂分別補償一定量的無功電流來擴張兩供電臂電流相角以補償負序,即首先通過無源裝置補償固定量的無功然后通過RPC分別給兩供電臂補償缺額的無功,使得一次側三相電流完全對稱,負序分量為0,并且此時一次側三相功率因數為1。3.2rpc綜合補償裝置的構建由于晶閘管控制的無源裝置安裝在負載側,這里把晶閘管控制的無源裝置提供的無功電流與機車電流一起看作總的負載電流。設牽引系統(tǒng)一次側電網A相單位電壓為uA(t)=sinωt,則兩牽引供電臂單位電壓為uα(t)=sin(ωt-30),uβ(t)=sin(ωt-90)設兩供電臂檢測的負載電流為iαL、iβL,用傅里葉級數表示為式中,Iαp和Iβp分別為兩相供電臂負載電流的有功分量的幅值;Iαq和Iβq分別為兩相供電臂負載電流的無功分量的幅值。根據鑒相檢測原理,可以搭建如圖4所示的供電臂參考指令信號檢測框圖。首先將兩牽引臂負載電流分別乘以同步信號,兩者相加后通過低通濾波器(LPF)濾波后可以容易地提取出基波有功電流幅值和的一半,如圖4所示。即要實現系統(tǒng)負序電流的完全補償,在兩個牽引臂的有功負荷平衡之后,需要分別給兩牽引供電臂補償指定量的容性與感性無功電流,如圖4所示。這樣得到補償后的α、β兩供電臂的電流幅值相等,相角相差120°,此時兩牽引供電臂電流期望值為對于機車負載諧波,由RPC進行動態(tài)抑制,分別根據α、β兩供電臂的負載諧波,分別向α、β相供電臂注入大小相等、相位相差180°的諧波電流進行抵消。故只要RPC綜合補償裝置能把α、β兩供電臂的負載電流分量iLα(t)、iLβ(t)補償為iα(t)、iβ(t)就達到了負序與諧波完全補償的目的。故可以求得補償參考信號為通過合適的閉環(huán)控制策略來控制背靠背的兩逆變橋,并控制其為一個受控電流源,故只要使其輸出電流完全跟蹤給定的基波與諧波電流就可以實現系統(tǒng)負序完全補償與諧波完全抑制。4控制戰(zhàn)略與系統(tǒng)性能分析4.1rpc補償原理RPC要達到負序與諧波補償的目的,兩變流器必須實時跟蹤負序與諧波電流補償參考量,而兩變流器要正常工作,就必須穩(wěn)定直流側電壓。由于逆變器功率管的開關損耗和電感電容器件的功率損耗,如果不及時對直流側電容充電,其電壓就會下降。兩個變流器是由直流側電容連接起來,共享直流側電容,故直流側電壓由兩個變流器共同補充或釋放有功來維持穩(wěn)定。根據系統(tǒng)的負序補償原理,可以搭建系統(tǒng)的閉環(huán)控制框圖如圖5所示,其中GPWM(s)為SPWM調制的等效傳遞函數,Gobj(s)為RPC補償系統(tǒng)內部的傳遞函數。首先通過直流側電壓外環(huán)PI控制來維持電壓的穩(wěn)定,保證系統(tǒng)的正常運行,然后通過電流內環(huán)控制來補償指定量的基波與諧波電流以達到補償負序與抑制諧波的目的。具體實現如下:直流側電壓的跟蹤誤差經PI調節(jié)器處理后輸出一個調節(jié)信號,然后分別乘以兩供電臂的同步信號,得到RPC中α、β相變流器的直流側電壓調節(jié)信號。直流側電壓通過由兩變流器共同控制維持的方法,器件損耗由兩供電臂分擔,從而保證了RPC變流器兩側功率平衡。將α、β相變流器的直流側電壓調節(jié)信號與諧波和負序補償電流參考指令疊加,得到RPC兩變流器的實際電流參考指令信號。由于RPC輸出是個受控電壓信號,本文通過閉環(huán)方式把RPC逆變輸出支路控制為一個受控電流源信號IC,從而實現對電流信號的跟蹤補償。為了到達電流參考信號快速、無差跟蹤的目的,本文采用了一種模糊遞推PI控制方法,將模糊算法和遞推算法相結合,提高內環(huán)電流控制的性能。根據內環(huán)模糊遞推PI控制器的輸出,通過SPWM調制方式,可以得到兩個變流器的PWM驅動信號,然后驅動開關管獲得期望的電源電流信號。4.2遞推積分pi控制算法由于參考指令信號為交流信號,故本文采用一種遞推積分PI算法來實現對閉環(huán)控制系統(tǒng)的無差控制。遞推積分PI算法如式(8)所示。式中,N為一個周期內的采樣點數;C為[k/N]取整,代表當前時刻已經采樣完畢的基波周期的個數。算法分別對每個周期內相應的各采樣點的誤差e(k)進行積分。對比于傳統(tǒng)PI算法,相當于有N個PI并行工作來實現對系統(tǒng)的PI控制。為簡化計算,可以把out(k)表示為增量形式,即式中,k表示當前時刻采樣值,k-N為上周期對應點采樣值。從上式可以看出,遞推積分PI的傳遞函數包含了參考信號的周期信息,而傳統(tǒng)PI的傳遞函數中并沒有包含這一信息,也就是說,遞推積分PI控制算法可以保證控制系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時輸出電流能無差跟蹤指令參考信號。通過以上的分析可知,遞推積分PI控制算法能夠使閉環(huán)控制系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)無差的效果,但和傳統(tǒng)PI控制一樣,響應速度較慢。故本文采用模糊算法對遞推積分PI的系數KP、KI進行在線調整來提高其響應速度。考慮到RPC兩逆變結構的相近性和控制規(guī)則的通用性,故兩個逆變結構電流內環(huán)控制共同采用一個模糊控制規(guī)則。模糊參數調節(jié)器采用二維結構,設e、ec、ΔKp、ΔKI的模糊集E、EC、U1、U2為:{NB,NS,0,PS,PB},E、EC、U1、U2的隸屬度函數采用魯棒性強的S型函數。比例環(huán)節(jié)作用是使控制器立即產生控制作用,迅速減少誤差,積分環(huán)節(jié)主要用于提高系統(tǒng)的無差度,對應點誤差進行積分。根據參考文獻所述,可以推得ΔKP和ΔKI的控制規(guī)則見表1和表2。模糊推理算法:(2)模糊推理:根據E、EC查詢模糊控制表得到U1(k),U2(k)。(3)反模糊化:式中,<x>表示對x取整;λ1、λ2為模糊化因子;λ3、λ4為反模糊化因子。5實驗的模擬和結果5.1補償前后的仿真本文采用PSIM6軟件進行了仿真。220kV牽引供電電源經過V/V變壓器變?yōu)閮蓚€單相27.5kV牽引供電源。機車都采用四象限高功率因數整流,機車負載模型的功率為4.8MW,電流畸變率約為14%且以3次諧波為主。兩供電臂的電網電感LS=5mH,降壓變壓電壓比為25。從前面的負序補償原理可知:單機車時,首先通過兩邊的無源裝置分別向兩供電臂補償固定容量(2.4tan30°=1.385Mvar)的容性和感性無功功率,再通過RPC轉移2.4MW有功功率;雙機車時,由于兩供電臂的有功功率已經平衡,在通過兩邊的無源裝置補償固定的無功功率后,再由RPC分別向兩個供電臂提供缺額的1.385Mvar的容性和感性無功功率。α供電臂要補償固定容量的容性無功功率,又考慮到機車負載以3次諧波為主,故設計一組3次無源濾波器來濾除諧波與補償無功,3次濾波器參數折算到25kV側為:C3=7.04μF,L3=159.6mH,R3=5Ω;β供電臂要補償固定容量的感性無功功率,可得晶閘管控制的電抗器參數折算到25kV側為:L=1437.5mH。仿真系統(tǒng)參數如上所述,利用PSIM6軟件搭建了系統(tǒng)電氣模型,仿真結果如下。(1)當只有一橋臂有機車時,以α供電臂有機車為例,來說明具體補償原理。在0.1s處首先投入無源裝置分別給兩供電臂補償固定量的無功電流,然后在0.2s處投入RPC來轉移有功,補償余下的無功電流與諧波來達到系統(tǒng)負序與諧波的整體補償。圖6為仿真結果?？梢钥闯?補償前,二次側只有α供電臂有電流,而β供電臂電流為0,此時三相一次側A,C相有互為反向的電流,B相電流為0。在0.1s處兩供電臂分別投入無源裝置,α供電臂電流Isα通過TCF補償一定量的容性無功電流后,其基波電流有效值由原來的192A變?yōu)?03A,而β供電臂電流Isβ通過TCR補償一定量的感性無功電流后,其基波電流有效值由原來的0變?yōu)?4A,基本達到無源補償的目標。在0.2s時投入RPC來轉移有功和補償諧波,α供電臂通過RPC向供電臂汲取一半的有功電流,本供電臂的有功出力減少一半,這樣綜合補償之后兩供電臂基波電流有效值都變?yōu)?13A,兩供電臂基波電流幅值相等,相位差120°,一次側三相電流完全對稱,此時負序分量為0。(2)當兩邊都有機車時,在0.1s處首先投入無源裝置分別給兩供電臂補償固定量的無功電流,然后在0.2s處投入RPC,仿真結果如圖7所示。從圖7a和7b中可以看出,在補償以前,二次側兩供電臂都有大小相等的有功電流,此時兩供電臂有功已經平衡。在0.1s處兩供電臂分別投入無源裝置,α供電臂電流Isα通過TCF補償一定量的容性無功電流后,其基波電流有效值由原來的192A變?yōu)?02A,而β供電臂電流Isβ通過TCR補償一定量的感性無功電流后,其基波電流有效值由原來的192A變?yōu)?03A,基本達到無源補償的目標。在0.2s處投入RPC來補償余額的無功,α和β供電臂分別通過RPC向本供電臂補償余額的無功電流,兩橋臂基波電流有效值都變?yōu)?22A,這樣綜合補償之后兩供電臂基波電流幅值相等,相位差120°,此時一次側三相電流對稱負序完全補償。為了驗證RPC對負載諧波補償能力,以α供電臂為例,如圖8所示。由頻譜圖可知,機車負載電流ILα補償前畸變很嚴重,其中3次,5次,7次,11次,13次幅值分別為26、20、16.3、11.6、8.8A,經過裝置補償后α供電臂電流Isα很平滑,相應諧波幅值分別變?yōu)?.2、0.8、0.7、0.5、0.4A。故RPC能有效地補償負載諧波,大大減小供電臂電流畸變率。為了驗證本文采用的模糊遞推積分PI控制算法的優(yōu)越性,在0.2s投入綜合補償裝置,通過分析電流內環(huán)的跟蹤誤差的波形和頻譜來說明控制算法的性能。圖9a和9b為采用常規(guī)PI控制時的跟蹤誤差波形和頻譜,圖9c和9d為采用模糊遞推積分PI控制時的跟蹤誤差波形和頻譜。在0.2s補償以前,注入支路電流對參考信號的跟蹤誤差的波形不變。圖9a表明采用單純的PI控制時,閉環(huán)系統(tǒng)需要較長的時間才能使電流跟蹤誤差較小,而圖9c采用遞推積分對控制系統(tǒng)指令信號點對點實時調節(jié),又利用模糊算法對控制器參數在線調整后,電流跟蹤速度加快,誤差就很快減小到穩(wěn)態(tài)值。通過誤差頻譜圖進一步來分析算法的跟蹤精度,圖9b表明采用一般PI控制時的穩(wěn)態(tài)誤差頻譜圖,其中基波,2次、3次、5次諧波幅值為4.1A、1.1A、1.6A、1.4A,而圖9d采用遞推算法后,其對應頻率的諧波幅值分別為0.45A、0.05A、0.3A、0.25A?？梢钥闯?采用模糊遞推PI控制算法對電流內環(huán)調整后,系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)跟蹤精度大大提高。5.2改造后的rpc參數為模擬電氣化鐵路牽引系統(tǒng),搭建了220V供電的V/V牽引機構。用兩個電壓比為380∶220