基于级联H桥结构的电气化铁路用SVG的研究

朱子栋，金钧，张伟

(大连交通大学 电气信息学院，辽宁 大连 116028)

0 引言

随着电气化铁路的不断发展，电力机车的功率也越来越大，电力机车过电分相时对牵引网的冲击也越来越严重，运行过程中会产生大量的无功以及谐波，对电能质量造成影响，并且过电分相时出现电压跌落的情况也越来越多。因此，研究补偿装置来解决无功、谐波以及电压跌落问题是很有必要性的。静止无功发生器(SVG)是一种先进的补偿装置，近年来成为了无功补偿装置研究的重点，SVG于上世纪80年代出现，它的主电路是一个桥式逆变器，采用半导体器件构成。通过控制半导体器件的通断，使交流侧产生相位和幅值都可以调节的电流和电压，从而实现无功功率的补偿，并能对谐波起到一定的抑制作用［1-2］。

文献［3-5］介绍了SVG应用于电气化铁路的具体方法以及控制策略和补偿效果，但是都只是针对无功补偿和负序的治理。没有考虑谐波的抑制以及电压跌落时都没有考虑如何进行补偿;而文献［6］中介绍了SVG的电压控制策略，使SVG在系统发生电压跌落时能够进行电压补偿，但是文章没有针对电气化铁路等大功率场合的电能质量特性进行SVG结构以及控制策略的设计。为此，本文提出了基于H桥级联结构的多控制目标的SVG控制策略，使其既能补偿无功、抑制谐波又能在发生电压跌落时维持负荷电压(接入点电压)的稳定;介绍了适用于级联H桥结构的优秀调制策略——载波移相脉宽调制技术。并在MATLAB环境下建模仿真，验证了本文设计的SVG控制策略的可行性。

1 SVG的工作原理及H桥级联结构

SVG的结构如图1所示，其中 UC直流侧电容电压，初始值设为UC0;us系统供电电压也即补偿点电压;IS是系统电流;IVT是SVG输出补偿电流;IL是负载电流。

设接入点的电压为:

图1 单相SVG结构图

正常工况下SVG只对无功进行补偿;在接入点电压发生跌落瞬间，SVG自身有功能量的消耗很小可忽略。

SVG补偿电流为:

SVG输出功率:

一个周期内无功功率qL的积分为:

一个周期内有功功率ΔPL的积分为:

当牵引网发生电压跌落时SVG可以维持接入点电压稳定的周期个数m负荷公式(6):

为了使补偿点的无功补偿能够正常进行UC1不能使零。假定UC1=αUC0(0＜α＜1)，

则SVG可以维持电压稳定的时间为:

式中IPL为SVG输出的损耗有功电流。ts和C、UC0的平方成正比，与IPL成反比，式(7)可以作为计算SVG可接受电压跌落程度和持续时间的理论公式。H桥级联型逆变器的电路拓扑结构如图2所示。

图2 H桥级联的SVG

2 级联H桥型SVG的控制策略

2.1 工作模式的选择

本文设计的SVG有两种工作模式:(1)电流补偿模式—无功补偿和谐波抑制;(2)电压补偿模式-维持接入点电压在正常的范围内。工作模式的转换在与对接入点电压的检测，当检测到接入点电压低于所设定的正常工作电压的最小值时，SVG从电流补偿模式转换到电压补偿模式。模式选择的关键所在为接入点电压的检测，本文电压检测的方法:待检测的接入点电压us通过PLL(锁相环)和正弦波发生器产生一个与us同相同频的单位正弦波f(x)，然后判断f(x)是否大于某一设定值来产生采样脉冲。接入点电压采样完成后，采样电压与电力机车正常运行的最小电压Umin进行比较，Us＞ Umin进行电流补偿;Us＜Umin进行电压补偿。本文SVG工作模式的选择如图3。

图3 SVG工作模式的选择

2.2 目标电流检测方法

目前较为成熟的静止无功发生器的电流检测方法有两种:一种是较为成熟的瞬时无功功率法，瞬时无功功率法最初是基于三相电力系统的，为了使其同样适用于如电气化铁路等单相电力系统提出了单相构造三相的方法，使得单线电力系统的动态无功补偿也更容易实现，但是单相构造三相时会产生一定的延时对于无功功率的动态补偿产生一定的影响，使灵敏性在一定程度上降低;第二种就是无功电流分离法，通过数学理论对系统电流做数学变换使有功电流无功电流以及谐波电流分离。两种方法相比较有功电流分离法比基于瞬时无功功率理论的单相检测法更简单，需要的元件更少。牵引网供电系统是采用单相供电，运用上面的检测方法可以检测出负荷电流中的谐波和无功。谐波和无功电流同时进行补偿的检测框图如图4。

图4 谐波和无功电流同时进行检测的框图

2.3 载波移相脉宽调制技术

在控制系统中引入载波移相正弦脉宽调制技术(CPS-SPWM)，CPS-SPWM技术是一种适用于全控型器件的开关调制方法［7-9］。载波移相正弦脉宽调制技术的基本思想是:设级联的H桥数为N，SVG每个H桥变流模块用一个调制波信号US(ωst)，角频率为KCωs，其中每重逆变桥的三角波载波频率为KCωs，将每重的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SVG逆变器总的输出的电流等效开关频率为NKcωs［10-14］。其原理如图5。级联的H桥模块个数不同三角载波的移相角度也不同，本文对级联不同数量的H桥的方案进行了仿真，并分析了不同情况下输出电压的谐波畸变率，如表1所示。

表1 不同级联H桥数目对输出电压的影响

从表中数据可以看出，随着级联单元的增加输出电压的畸变率逐渐降低，根据级联逆变模块的个数调整模型中的移相度数，本文给出了三重级联情况下的每一个功率单元输出电压波形，以及三个电压叠加后的输出波形。如图6所示。

从图5可以看出叠加后的电压不仅增大输出电压值，而且输出的电压电平数随着级联H桥个数的增加而增多，从而大大提高SVG的容量，使输出电压波形更接近与正弦波，减小输出电压谐波畸变率。

图5 载波移相技术原理图

图6 N=3时对应的输出电压

3 建模与仿真

本文利用MATLAB对H桥级联的SVG进行仿真分析。在MATLAB上搭建了牵引供电系统以及机车负载和基于载波移相技术的SVG的仿真模块，仿真参数如下:电网电压110 kV，接触网电压27.5 kV，牵引变压器采用V/V接线方式，SVG的容量±5 000 kVar，直流侧电容 0.2 F，直流侧电容电压 1 650 V，因采用3级H桥级联所以交流侧输出电压值大约在5 000 V左右，为保证SVG的正常运行隔离变压器副边电压选取为4 600 V，通过计算选取变压器的变比为6。本文以韶山6B型号电力机车作为负载进行仿真［15］。模型如图7所示。

图7 电力机车模型图

1)无功补偿:为了使负载电流和系统电压的相位差比较明显，在系统中把感性负载和机车负载同时投入运行，并0.1 s时把SVG接入系统中。可以得到系统电压和电流波形，从图中可以看出补偿前系统电流(放大50倍)和系统电压有明显的相位差，而在0.1 s接入补偿装置以后系统电压和负载电流相位基本一致，此时系统功率因数接近于1，过度时间大约在1/4周期以内。从而表明本文的设计方案能够很好地实现无功补偿。如图8所示。

2)谐波抑制仿真:投入SVG之前的系统负载电流和投入SVG后的负载电流如图 9、10所示。

从图9中可以看出负载电流含有大量谐波，波形不是规则的正弦波，而图10中接入SVG后电流波形谐波含量明显减少，电流波形更接近正弦波形。证明了本文所设计的方案具有很好的谐波抑制功能。

图8 SVG接入系统前后的电压电流波形

图9 投入SVG前的负载电流

图10 投入SVG后的负载电流

3) 电压补偿:在0.15 s加重负荷，由于采样的峰值电压低于设定值，因而进入电压补偿模式;在0.35 s时切除增加的负荷，电压恢复到正常值，系统恢复到正常的电流补偿模式。SVG按设计控制策略工作时的系统电压、SVG工作在电流补偿模式时的系统电压以及正常工作模式下SVG的输出电流波形如图11～13所示，分析SVG工作特性:对比图11～13可知，SVG 在0.15 s之前进行电流补偿，0.15 s后由于加重负荷，接入点电压低于设定的阀值，SVG进入电压补偿模式维持接入点电压稳定，而当0.35 s切除增加的负荷后SVG恢复到电流补偿模式。

图11 两种补偿模式时的系统电压

图12 电流补偿模式下的系统电压

图13 两种补偿模式下SVG输出的补偿电流

4 结束语

本文针对牵引供电系统的特点以及电力机车的电气特性设计了适用于牵引供电系统SVG的结构以及控制策略。并在MATLAB环境下对设计的系统进行了建模仿真，验证了载波移相脉宽调制技术的性能是与理论相符合的。而且仿真了牵引供电系统供电电压稳定时对无功以及谐波的治理效果和供电系统发生电压跌落时SVG运行的情况。仿真结果表明所设计的SVG对系统无功补偿和谐波抑制以及电压补偿具有良好的补偿效果。仿真验证说明了该方案的SVG控制性能具有响应速度快、动态特性好的优点，具有较高的工程应用价值。

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