基于载波移相技术的电铁电能质量治理方案

朱子栋，金 钧，张 伟

基于载波移相技术的电铁电能质量治理方案

朱子栋，金 钧，张 伟

针对现阶段电气化铁路的电能质量治理的现状提出在电气化铁路车站附近装设无功补偿装置对供电电能质量进行治理。提出了多重化SVG并联运行与高压电容器组配合使用的补偿方案，设计了SVG的控制策略，并在控制策略中引入了载波移相技术。应用MATLAB/SIMULINK软件进行了建模仿真，仿真结果表明本文所设计的方案能够很好地实现对车站附近的供电电能质量的治理，而且载波移相技术的应用，提高了电力电子器件的等效开关频率，减少了SVG输出电流的谐波含量。仿真验证了文中设计方案的可行性和控制效果，有效提高了牵引供电系统车站附近的供电质量和稳定性。

SVG；载波移相脉宽调制（CPS-SPWM）；牵引供电；电能质量

0 引言

随着国内电气化铁路的飞速发展，越来越多的高铁与动车投入运行，许多既有车站的运行是各种车型的混跑，例如韶山系列、和谐系列、动车、高铁的混合运行，而且不同时段车站的运行状况不同，某些时段负荷相对集中，而夜间高铁回库和早晨高铁集中出库发车，所以车站在某些时段电能质量波动较大。而目前大多数文献都是对FC+TCR以及SVG在牵引变电所的补偿效果进行研究或者是最佳固定补偿容量选择的研究[1，2]。很少有关于在车站增设无功补偿装置对电能质量进行治理的方案。本文针对车站负荷集中、运行状态多元化、机车类型多元化造成的电能质量波动较为频繁问题，提出在车站增设静止无功发生器SVG和高压电容器组，对系统进行无功功率的动态补偿，以提高车站附近的供电稳定性、可靠性和安全性。

静止无功发生器SVG作为一种较为理想的无功补偿和谐波抑制设备，得到了越来越深入的研究和更为广泛的应用[3～5]。SVG的主电路设计有3种：基于H桥级联的链式结构；基于单绕组变压器变流器多重化结构；基于多绕组变压器的变流器多重化结构。链式SVG需要多个H桥模块级联，价格较高，尤其是在容量不大的场合没有成本优势；基于多绕组变压器的多重化SVG，虽然控制算法相对简单，但是变压器成本较高[6～8]。

本文综合分析了3种设计的结构优缺点，在此基础上设计了一套单绕组变压器隔离型的多重化SVG，配合高压电容器组进行无功补偿和谐波抑制，这样即可以减小装设的SVG容量要求，大大的减小了投入，又可以有效抑制牵引网的谐波。该系统设计合理，具有无功控制精度高、谐波抑制能力强、运行稳定、响应速度快、投入经费低等优点，能够满足电气化铁路牵引网的无功补偿实际要求。

1 主电路的设计

SVG的实质就是有源逆变器，它通过电抗器接入系统，其控制系统通过控制逆变器输出反映的幅值和相位，控制SVG发出的无功功率的大小和方向，从而实现动态无功补偿的目的[9]。单相SVG H 桥主电路如图1所示。

图1 单相SVG结构图

所谓基于单绕组变压器隔离型多重化SVG，就是通过隔离变压器将SVG和高压侧的系统母线隔离开，低压侧SVG采用多SVG模块并联运行连接到隔离变压器低压绕组上。根据现有无功补偿装置的容量大小和SVG容量大小，可以选择不同的SVG并联数目。

该设计方案有以下特点：与高压电容器组配合使用，使有源补偿容量减少，从而降低装置整体成本；每重SVG易于集中控制且不会产生相互干扰补偿的问题；可以冗余降额运行，一个变流器出现故障，不会造成全部停机；每重SVG都使用独立的变流器单元，与共用直流电容的拓扑结构相比，在每重SVG变流器之间无环流；每重SVG可以实现模块化设计，方便移植，并可根据容量大小扩充模块个数。

本文设计的方案是在电气化车站侧进行综合补偿，主电路由SVG支路、隔离变压器以及高压电容器组HVC支路组成，如图2所示。

图2 系统主电路结构图

HVC高压电容器组，具体个数视情况而定。SVG可以根据牵引网的无功补偿容量计算选择安装的容量以及数量。HVC可以依次设为3次、5次、7次滤波支路等。T为隔离变压器，考虑到SVG逆变器部分IGBT的耐压程度，隔离变压器的参数选择高压侧为27.5 kV，低压侧选为1 250 V。

2 接触网无功电流检测

目前比较成熟的基于瞬时无功功率检测方法是基于三相电路的，而对于电气化铁道单相电路的检测可以考虑通过单相构造三相的思路，更简单的是可以直接从单相电流构造α，β两相电流，即令iα= is，延时90°为iβ，其检测结构框图如图3所示。

图3 基于瞬时无功理论的单相无功电流检测图

根据瞬时无功功率理论：电路瞬时无功电流ip和瞬时有功电流iq分别为系统电流i在矢量e及法线上的投影。即：

从而有

式中，ip、iq分别经过LPF滤波后得到有功电流和无功电流；ispf、isqf为基波电流的有功分量和无功分量。

3 控制方案

3.1 闭环控制系统

本文的设计方案是所有的SVG逆变器模块共用一个控制器，控制器对牵引供电系统电压、电流信号进行采集，然后运用瞬时无功功率理论计算得到应补偿的无功电流值，平均分配给并网运行的SVG的逆变器模块，作为输出无功电流的指令。控制系统结构如图4所示。

图4中，isqf为图3中得到的牵引网的无功电流，经过加法器后变为系统需要补偿的无功电流，然后与SVG输出的电流反馈至比较，得到系统需要补偿的无功电流参考值，直流侧电压Ud和直流侧目标电压Udref两者比较后得到直流侧电压补偿值，然后经过电压调节器得到有功电流补偿值Ipref，再与SVG输出的电流有功分量作比较，得出需要补偿的有功电流瞬时量，经电流调节后再与调节得到的无功电流值一起做d q -α β 变换，得出SVG系统的控制电流iα，即PWM模块的调制波，调制波送到脉冲发生器PWM模块与三角载波进行比较产生逆变器模块所需要的触发脉冲，控制SVG的输出电流。

控制系统整体使用了电流闭环反馈和直流侧电压闭环反馈的双闭环控制策略，并运用了d q -α β变换和 d q -α β反变换，使得直流侧电压与控制电流是解耦关系，给工程上的PI调节带来了方便。

图4 SVG双闭环控制图

3.2 多重化载波移相PWM技术

在控制系统中引入多重化载波移相技术（CPS-SPWM），载波移相正弦脉宽调制技术是一种适用于全控型器件的开关调制方法，随着SVG并联重数的增加，开关的等效频率会越来越高，从而有效控制SVG输出电流中的特征次谐波频率，使SVG输出波形更加接近正弦波[10～12]。

载波移相正弦脉宽调制技术的基本思想是：设并联多重化的SVG数为N，SVG每个H桥变流模块用一个调制波信号Us(wst)，角频率为KCws，其中每重逆变桥的三角波载波频率为KCws，将每重逆变器模块的三角波相位错开三角周波的1/N，则第X（1≤X≤N）逆变器的三角波初相角ψL= ψC+ 2πX/N，N重化的逆变器模块输出电流的叠加，那么多重化SVG逆变器总的输出的电流等效开关频率为NKCws[13～17]。

4 仿真验证

在MATLAB/SIMULINK里建立图2所示的系统模型，对该方案的无功补偿能力进行仿真验证。仿真模型中系统电压采用额定电压27.5 kV、50 Hz交流电源，采用3 200 V/750 A的高速IGBT管搭建SVG的主电路，单个SVG额定容量SN= 5 000 kV·A；直流侧直流支撑电容值为0.2 F；交流侧连接电感值为1 mH；变流器IGBT工作频率为500 Hz；负载部分根据电气化铁路现有电力机车的负载特性设计负载模型，负载产生谐波部分有整流模块和直流负载模拟，由于电气化铁路额定电压为27.5 kV，为保证变压器安全运行，副边电压选为1 250 V。系统电流电压相位关系见图5。

从图5 a看出电流和电压相位存在一定差值，功率因数比较低；而当系统装设SVG后，其电压电流相位差基本为零，功率因数非常接近于1（图5 b）。

图5 系统电流电压相位关系图

利用MATLAB软件仿真分析了单个SVG接入和三重化SVG接入系统时电流波形以及输出电流的频谱。从图6可以看出，单个SVG接入系统时，SVG输出电流中可以很明显看出谐波电流，通过对输出电流的FFT分析可以看出2种情况下输出电流的谐波含量均在国家标准范围以内，对比可以看出SVG三重化接入系统时的谐波含量远远低于单个SVG接入系统时的谐波含量。由此验证了多重化载波移相技术的设计。随着SVG多重化的增加会使得SVG等效开关频率越来越高，从而输出电流的谐波含量逐渐降低。当设定SVG的开关频率为1 kHz时，三重化时等效开关频率即为3 kHz，从谐波频谱可以看出谐波含量主要集中在3次、5次、7次谐波，该设计方案中的HVC可以根据谐波的含量而设计为3次、5次、7次的滤波特性，从而滤除SVG输出电流中的谐波，大大减少注入牵引网的谐波含量，提高供电品质。

图6 不同重数SVG运行时的输出电流图

另外，利用MATLAB软件，模拟了车站有电力机车启动加速离开车站和机车减速滑行停靠的工况，随着机车在不同运行状态之间转换，系统的负荷也随之变化，负荷的变化引起无功功率的变化，从而会引起牵引供电系统的供电电压的波动。仿真曲线如图7所示。

图7 a中，0.3 s为模拟电力机车启动加速驶出车站：即在系统内增设与电力机车相同负荷特性的负载模块，此时系统负荷增加，无功功率也随之增加，导致系统供电电压的波动，电压略微低于稳定时的电压，而从0.7 s切掉部分负荷模拟机车抵达车站附近后减速滑行进站的工况，从图7 a中可以看出：0.7 s工况发生变化后，系统供电电压随着负荷的变化产生波动，若把0.7 s前的电压视为稳定时的电压，则电压略高于稳态电压，随着电气化铁路的不断发展，车站每天经过的机车越来越多，这也意味着车站附近的供电电压会频繁波动，图7 b为系统连接SVG后与图7 a相同工况时的系统电压波形，对比图7 a、b两图的电压波形可以看出，当系统连接SVG后电压在负荷发生变化时没有明显的波动，说明SVG在一定程度上能起到稳定系统电压的作用。

图7 负荷波动时系统的供电电压曲线图

5 结论

本文通过分析电气化铁路现阶段的状况，得出车站附近电力机车混跑以及运行工况复杂，在某些时段牵引网车站附近的电能质量较差，提出在车站附近增设无功补偿装置，并提出了具体的安装方案；本文应用MATLAB/SIMULINK软件建立了仿真模型，仿真了设计方案，仿真分析验证了本文所提出的设计安装方案的补偿效果：该设计方案具有补偿速度快、控制精度高、无功输出调节范围灵活、模块化设计和投入经费低等优点。与此同时在控制策略中引入的多重化载波移相技术，使多重化的SVG装置达到较高的等效开关频率，从而大大降低了输出电流的谐波含量，具有很高的使用价值和经济价值。

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The paper proposed electrification of the railway station in the vicinity of the installation of reactive power compensation device for power quality of governance based on the status at this stage electrified railway power quality of governance. This paper presents a compensation scheme that SVG parallel operation multi and High voltage capacitor be used in conjunction, and the carrier phase shift be introduced in the control strategy technology. The paper used MATLAB / SIMULINK simulation software for modeling and simulation results show that the scheme can be able to achieve a good governance quality for the power supply station. And the introduction of carrier phase shift technology improved the equivalent switching frequency of the power electronic devices greatly. Simulation verified the feasibility of the paper and control results of the design, effectively improved the traction power supply system of power quality and stability.

SVG; carrier phase shift pulse width modulation (CPS-SPWM); traction power supply; power quality

U223.5+2

B

1007-936X(2015)01-0021-05

2014-05-06

朱子栋.大连交通大学电气信息学院，硕士研究生，电话：15518071589；

金 钧.大连交通大学电气信息学院，副教授；

张 伟.大连交通大学电气信息学院，硕士研究生。