分析了常規(guī)牽引變電站用無功補償設(shè)備的特點，針對現(xiàn)有方法實現(xiàn)三相分相補償?shù)娜毕?，采用牽引變壓器副邊三相分相補償方法，設(shè)計牽引變電站用靜止無功補償系統(tǒng)。提出了在牽引變電站TCR+FC 型SVC 三相補償方式下的系統(tǒng)設(shè)計方法，闡述了SVC 三相分相補償方法的原理和控制實現(xiàn)方法，搭建了牽引變電站用SVC 控制仿真系統(tǒng)。仿真分析結(jié)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(xiàn)牽引變壓器原邊的負序電流消除和單位功率因數(shù)，具有一定的有效性和可行性。

 

  1. 引言

 

  鐵路是國民經(jīng)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(wǎng)的電能質(zhì)量問題日益受到廣泛的關(guān)注，因此研究并解決這些問題，發(fā)展適合高速鐵路的新型電能質(zhì)量治理裝置十分必要而且很有意義。目前關(guān)于電氣化鐵路諧波治理的技術(shù)已經(jīng)趨于成熟，但對于負序的治理仍存在很多問題。國內(nèi)外學者致力于研究、尋求針對電氣化鐵路牽引電網(wǎng)出現(xiàn)的諧波、無功、負序等問題的解決方法，輔以一定的控制設(shè)備、裝置，以解決諧波、無功、負序等電能質(zhì)量問題。

 

  文獻[6]采用基于H橋串聯(lián)的鏈式STATCOM補償方案，基于H 橋加變壓器級聯(lián)的方法，實現(xiàn)無功負序綜合補償，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(cè)補償方案，實現(xiàn)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(xiàn)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(xiàn)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(guī)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(shù)。陜西省重點學科建設(shè)專項資金資助項目(105-00901) 采用副邊SVC單相補償?shù)姆椒ǎ碚撋峡蓪崿F(xiàn)單相單位功率因數(shù)運行。但是，從牽引變壓器原邊三相功率綜合分析，系統(tǒng)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(tài)的隨機性，必須采用動態(tài)補償?shù)姆椒ú拍苋〉美硐氲臒o功功率綜合補償效果。

 

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

 

  每一相SVC 補償系統(tǒng)均有TCR 和FC 兩部分構(gòu)成，其中FC 設(shè)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(shù)的基礎(chǔ)上可消除機車運行所產(chǎn)生的諧波電流，提高牽引變電站供電質(zhì)量，提高牽引系統(tǒng)穩(wěn)定性和安全性。TCR 為連續(xù)可調(diào)節(jié)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(tǒng)設(shè)計

 

  SVC 控制器采用外開環(huán)，內(nèi)部閉環(huán)的分相控制方式，系統(tǒng)最小響應時間5ms，最大響應時間10ms，典型調(diào)節(jié)時間40ms。詳細的實現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)，分相補償原理是尋找一個無源阻抗網(wǎng)絡(luò)，通過該無源阻抗網(wǎng)絡(luò)可使三相阻抗不等的電網(wǎng)絡(luò)變成為三相阻抗平衡網(wǎng)絡(luò)，并且整個電網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)純阻性。以α 橋臂上有機車，β 橋臂上無機車運行狀態(tài)為例，此時機車負載的等效電網(wǎng)絡(luò)，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(wǎng)絡(luò)，式2 為分相補償后的三相電網(wǎng)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(tǒng)電壓穩(wěn)定度，另一方面可加快控制器響應速度。電流環(huán)采用基于對稱分量法的三相有功平衡和無功補償?shù)碾娏髌胶饩C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(tǒng)電壓和系統(tǒng)電流的瞬時值，對負載導納進行間接測量。由于系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)總導納和TCR 導納，間接得到負載導納。最后，通過調(diào)整TCR 導納，使系統(tǒng)三相電導相等，三相電納為零，實現(xiàn)分相補償。在系統(tǒng)電壓和系統(tǒng)導納之間引入前饋控制，可同時調(diào)節(jié)系統(tǒng)電壓期望值。由于TCR觸發(fā)角度和輸出之間呈非線性關(guān)系，通過輸出線性化的方法將SVC 系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為線性系統(tǒng)，提高SVC 控制器的響應速度和控制精度。SVC 控制器系統(tǒng)主要實現(xiàn)部分如下：1)ip-iq 基波提取算法。

 

  4.2 系統(tǒng)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(tǒng)。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(tǒng)電壓和電流采用標幺量，選取系統(tǒng)相電壓峰值和系統(tǒng)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(jié)論

 

  本文介紹了一種用于牽引變電站的TCR+FC 型三相SVC 系統(tǒng)。該系統(tǒng)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(chǎn)生負序電流分量對牽引供電網(wǎng)的影響。仿真結(jié)果表明了所提出的牽引變電站用SVC 系統(tǒng)設(shè)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。