分析了常規(guī)牽引變電站用無功補(bǔ)償設(shè)備的特點(diǎn)，針對(duì)現(xiàn)有方法實(shí)現(xiàn)三相分相補(bǔ)償?shù)娜毕荩捎脿恳儔浩鞲边吶喾窒嘌a(bǔ)償方法，設(shè)計(jì)牽引變電站用靜止無功補(bǔ)償系統(tǒng)。提出了在牽引變電站TCR+FC 型SVC 三相補(bǔ)償方式下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，闡述了SVC 三相分相補(bǔ)償方法的原理和控制實(shí)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(bǔ)償控制方法實(shí)現(xiàn)牽引變壓器原邊的負(fù)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(jì)的大動(dòng)脈，鐵路運(yùn)輸是我國重要的運(yùn)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(duì)于負(fù)序的治理仍存在很多問題。國內(nèi)外學(xué)者致力于研究、尋求針對(duì)電氣化鐵路牽引電網(wǎng)出現(xiàn)的諧波、無功、負(fù)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(fù)序等電能質(zhì)量問題。

      文獻(xiàn)[6]采用基于H橋串聯(lián)的鏈?zhǔn)絊TATCOM補(bǔ)償方案，基于H 橋加變壓器級(jí)聯(lián)的方法，實(shí)現(xiàn)無功負(fù)序綜合補(bǔ)償，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制困囊，造價(jià)昂貴文獻(xiàn)[7]采用基于APF 的牽引變電站副邊兩相低壓側(cè)補(bǔ)償方案，實(shí)現(xiàn)諧波消除和無功補(bǔ)償，但適用的電壓等級(jí)有限，裝置體積大，補(bǔ)償容量有限。文獻(xiàn)[8]采用基于TCR+FC 的SVC 牽引變電站副邊兩相補(bǔ)償方案，實(shí)現(xiàn)諧波消除和無功補(bǔ)償，但不能消除負(fù)序電流。文獻(xiàn)[9]采用基于TCR+FC 型SVC 的牽引變壓器原邊三相補(bǔ)償方案，實(shí)現(xiàn)無功，諧波和負(fù)序的綜合治理，由于裝置諧波通過變壓器，嚴(yán)重影響變壓器的性能。

      2. 牽引變壓器副邊SVC 三相補(bǔ)償原理

      牽引變電站所接負(fù)荷為牽引機(jī)車，為單相負(fù)荷。采用常規(guī)補(bǔ)償手段，如固定電容器，TSC 分級(jí)投機(jī)等，可使每個(gè)單相橋臂具有較高的功率因數(shù)。陜西省重點(diǎn)學(xué)科建設(shè)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(105-00901) 采用副邊SVC單相補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ碚撋峡蓪?shí)現(xiàn)單相單位功率因數(shù)運(yùn)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(fù)序電流，采用V-V牽引變壓器時(shí)，在一個(gè)橋臂機(jī)車最大功率運(yùn)行，另一個(gè)橋臂空載運(yùn)行這一極限情況時(shí)，負(fù)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(fù)序電流，但不能完全除負(fù)序電流。因此，負(fù)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(jī)車運(yùn)行狀態(tài)的隨機(jī)性，必須采用動(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)姆椒ú拍苋〉美硐氲臒o功功率綜合補(bǔ)償效果。

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

      每一相SVC 補(bǔ)償系統(tǒng)均有TCR 和FC 兩部分構(gòu)成，其中FC 設(shè)計(jì)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(jī)車運(yùn)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(jī)車運(yùn)行中快速變化的無功功率。

      牽引變壓器副邊三相補(bǔ)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(fù)序電流抑制算法，直接對(duì)原邊的正序無功電流和負(fù)序電流進(jìn)行消除。

      3. 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

      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(yīng)時(shí)間5ms，最大響應(yīng)時(shí)間10ms，典型調(diào)節(jié)時(shí)間40ms。詳細(xì)的實(shí)現(xiàn)原理見第四部分。

      4. SVC 分相補(bǔ)償控制器

       4.1 分相補(bǔ)償原理

      牽引變電站的接線方式，機(jī)車負(fù)載可以等效為三相阻抗不等的電網(wǎng)絡(luò)，分相補(bǔ)償原理是尋找一個(gè)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(gè)電網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)純阻性。以α 橋臂上有機(jī)車，β 橋臂上無機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)為例，此時(shí)機(jī)車負(fù)載的等效電網(wǎng)絡(luò)，式1為機(jī)車三相負(fù)載的阻抗，采用分相補(bǔ)償方法后的等效電網(wǎng)絡(luò)，式2 為分相補(bǔ)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(yīng)速度。電流環(huán)采用基于對(duì)稱分量法的三相有功平衡和無功補(bǔ)償?shù)碾娏髌胶饩C合補(bǔ)償算法。

      式4 為負(fù)載導(dǎo)納的有效值，不能直接測(cè)量，因此SVC 控制器采集系統(tǒng)電壓和系統(tǒng)電流的瞬時(shí)值，對(duì)負(fù)載導(dǎo)納進(jìn)行間接測(cè)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(shí)值。接著通過對(duì)稱分量法分別計(jì)算系統(tǒng)總導(dǎo)納和TCR 導(dǎo)納，間接得到負(fù)載導(dǎo)納。最后，通過調(diào)整TCR 導(dǎo)納，使系統(tǒng)三相電導(dǎo)相等，三相電納為零，實(shí)現(xiàn)分相補(bǔ)償。在系統(tǒng)電壓和系統(tǒng)導(dǎo)納之間引入前饋控制，可同時(shí)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(yīng)速度和控制精度。SVC 控制器系統(tǒng)主要實(shí)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(tái)下的牽引變電站三相不平衡SVC 補(bǔ)償控制仿真系統(tǒng)。模擬的機(jī)車負(fù)載運(yùn)行狀況如下：

      1)在0.2s 之前，兩段母線上均無機(jī)車負(fù)載;

      2)在0.2s，一段母線上運(yùn)行最大機(jī)車負(fù)載，另一段無負(fù)載;

      3)在0.3s，兩段母線上均運(yùn)行最大機(jī)車負(fù)載。

      這里分別采用兩相單相補(bǔ)償方法和三相分相補(bǔ)償方法，進(jìn)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(biāo)幺量，選取系統(tǒng)相電壓峰值和系統(tǒng)電流峰值為標(biāo)幺基準(zhǔn)值圖5 為牽引變電站采用兩套單相SVC 進(jìn)行兩相單相補(bǔ)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(jìn)行三相分相無功功率補(bǔ)償，消除了機(jī)車單相負(fù)荷所產(chǎn)生負(fù)序電流分量對(duì)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(jì)方法和牽引變電站三相分相補(bǔ)償SVC 控制器控制方法的有效性和可行性。