基于空间矢量控制的综合电能质量治理装置在轨道交通行业的应用探究

杨 华，王恩波，焦云飞，王贵有，赵海春

（1.大连地铁运营有限公司，辽宁 大连 116000；2.锐芯电气技术（大连）有限公司，辽宁 大连 116000）

1 对城市轨道交通的影响

在城市轨道交通运输过程中，需要直流电和交流电互相转换带动列车运行。而直流电和交流电在相互转换的过程中就会产生谐波。近年来，地铁因其运行速度快、运载量大等优势，逐渐成为城市轨道交通运输中的主角[1]。而地铁运行过程中，运行的安全与舒适程度又需要配置数量众多的调频设备和各种监控系统、排风系统等。而这众多配套设备的运行也会产生大量的谐波，影响到城市轨道交通运输的安全性和稳定性。

1.1 影响电网安全性

谐波对城市交通运输安全的影响非常严重。首先，为了能够使地铁正常运行，需要安装各种配套设备系统，如配电系统、照明系统、应急系统和接地安全系统等。而这些设备的运行会产生大量的谐波，会导致接地安全设备失灵，影响整个电网的安全。其次，要抵消大量的谐波就要进行无功补偿，使得电力系统增加电力供给，而电力供给量的增大，又会造成电力绝缘体破损，增速电力设备的老化。

1.2 增加损耗

谐波使变压器的铜耗增大，其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗都要增加。谐波还使变压器的铁耗增大，这主要表现在铁心中的磁滞损耗增加，谐波使电压的波形变得越差，则磁滞损耗越大。

2 综合电能质量治理装置介绍

综合电能质量治理装置是利用现代电力电子技术与高速DSP器件的数字信号处理技术研制出来的专门用于治理电力谐波、补偿无功的新型设备装置。综合电能质量治理装置通常由两个电路系统组成，即指令电流电路与补偿电流发生电路。综合电能质量治理装置的工作原理是：首先指令电流电路在对电网电流实时监控过程中，把电流信号转化成数字电流信号，并将数字信号传输到处理器，数字信号处理器把数字电流信号分解成谐波与基波；然后补偿电流发生电路中接收到驱动脉冲，并使通过驱动脉冲产生的电流幅值与电网中的谐波电流幅值相同；最后把不是同一极的补充电流输入电网，进而抑制和抵消原来电路中的谐波，使谐波得到有效治理。轨道交通电网中安装了有源滤波装置后，无论哪种谐波都会得到抑制。此外，综合电能质量治理装置在治理谐波的同时还能对电网电流实现动态跟踪和补充。因此，该装置可以同时实现消除谐波和无功补偿的目标。

3 空间矢量控制策略介绍

用于综合电能质量治理装置控制方法很多，如空间矢量控制、预估电流控制、无差拍控制、自适应控制、磁通轨道控制等[2]。通过空间矢量控制电压是其中方法之一。本文应用该方法是因为其具有清晰物理概念，能够在开关控制频率相对较低情况下仍然具有等同于滞环比较控制的较好控制效果。如今空间矢量控制已被许多领域广泛使用，实践应用效果良好。

基于最优矢量的空间矢量控制策略，能够在系统当前状态下对下一控制周期相关的全部开关状态（矢量）三相电流之综合误差加以预测计算出来，从而找出三相开关状态的误差最低值，作为其后面的控制周期指令加以应用。也即选择最优矢量，从而达到有效控制目的。

图1是电压矢量控制策略扇区判断图。

图1 空间矢量控制策略扇区判断

由图1可知，其中矢量S000～S111代表与变流器相对应的开关状态（8种），其中a，b，c各相对应的开关状态用S之后的三位数字分别代表，当该相的上桥臂关断而下桥臂导通时则用“0”代表，而当上桥臂导通而下桥臂关断时则用“1”代表。如图1所示，Ⅰ～Ⅵ代表电压矢量对应六个扇区，其通过六边形三条对角线加以分隔开来，该三条对角线与直线uab=0、ubc=0、uca=0相对应，如与矢量001相对应的边即ubc＞0、ubc＜0分界线。这种情况下计算电压矢量u时，都可以通过uab、ubc、uca分量符号加以判断其所在区域范围，即只要对a、b、c各相指令电压矢量ua*、ub*、uc*加以计算，进而运用uab*、ubc*、uca*符号就可以对指令电压矢量ua*、ub*、uc*所在的扇区加以判断出来。

4 基于空间矢量控制策略综合电能质量治理装置在城市轨道交通中的应用效果分析

为了有效改善城市地铁轨道交通电网正常运转过程中产生的数量巨大的无功及谐波，提高配电系统的供电效果，地铁全线一般安装电能质量治理装置。在众多的治理装置中，基于空间矢量控制策略综合电能质量治理装置补偿无功与抑制谐波的效果最佳，具有如下突出的优点。第一，该装置具备响应时间最短的电流拓扑，因此其空间矢量控制策略准确度极高，运行也更平稳，不仅能够稳态补偿无功及谐波，而且还能够在动态情况下有优异的无功、谐波补偿性能。第二，该装置具备模块化的设计原理，因此在使用过程中方便调式，使扩容更加便捷。第三，该装置具备能够实现对桥臂的过流和保护。第四，该装置整体设计使具体的操作和后期的维护更加方便[3]。大量实践证明，在城市地铁轨道工程中安装了基于空间矢量控制策略综合电能质量治理装置后，明显减少了城市轨道交通配电系统的无功耗损，有效抑制了配电系统中的谐波，提升了城市轨道交通配电系统整体的供电质量，提高了配电系统中电力设施和设备的使用时间，保障了城市轨道交通配电系统运行的整体质量和安全系数。图2为综合电能质量装置补偿前电网电流，图3为基于空间矢量控制策略的综合电能质量装置补偿后电网电流。

5 结 论

在城市轨道交通配电系统中安装基于空间矢量控制策略综合电能质量治理装置，能够有效补偿电网中的无功与抑制谐波，增强配电系统整体的运行功率，减少电网运行中的耗损，提高了轨道交通配电系统的整体运行能力，确保了城市轨道交通系统的安全运行。

图2 综合电能质量治理装置补偿前电网电流

图3 基于空间矢量控制策略的综合电能质量治理装置补偿后电网电流