殷 雄，羅隆福

(1.廣西電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，南寧 530023;2.湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，長沙 410082)

電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)通常存在牽引負(fù)荷隨機(jī)波動，功率因數(shù)低，諧波含量大等問題，且由于牽引系統(tǒng)固有的結(jié)構(gòu)不對稱性，導(dǎo)致返回至供電系統(tǒng)的電流中含有大量負(fù)序電流，從而影響受電點的電壓水平，還使?fàn)恳┳冸娫O(shè)備的容量利用率變低。其產(chǎn)生的諧波和無功等問題直接威脅著公用電網(wǎng)和其自身的安全運行［1，2］。隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，人們對電能質(zhì)量的要求越來越高，因而對鐵路牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量的研究具有很大的現(xiàn)實意義。

傳統(tǒng)的抑制網(wǎng)側(cè)諧波電流的措施是在負(fù)荷端口裝設(shè)無源電力濾波器PPF(passive power filter)，它可兼顧補(bǔ)償無功功率，具有結(jié)構(gòu)簡單，投資少，運行維護(hù)技術(shù)成熟等優(yōu)點。近年來應(yīng)用的晶閘管相控電抗器TCR(thyristor controlled reactor)與固定電容器FC(fixed capacitor)相結(jié)合的靜止無功補(bǔ)償裝置SVC(static var compensator)能有效地提高功率因數(shù)、穩(wěn)定牽引網(wǎng)壓、減少負(fù)序電流［3，4］。但是存在相當(dāng)多的缺陷，例如，有可能在特定頻率下與系統(tǒng)阻抗發(fā)生并聯(lián)諧振，使該次諧波電流放大;由于電力牽引負(fù)荷變化很劇烈，牽引供電系統(tǒng)的無功功率和電流隨之波動，不可調(diào)補(bǔ)償裝置響應(yīng)速度比較慢，特別是采用“反送正計”的無功計量方法的時候，功率因數(shù)將大幅下降等。

有源電力濾波器APF(active power filter)能夠?qū)ψ兓闹C波進(jìn)行動態(tài)跟蹤補(bǔ)償，基本上克服了無源電力濾波器的缺點［5，6］。但目前的有源電力濾波器在補(bǔ)償容量、開關(guān)元件的耐壓和開關(guān)頻率上受到限制，如果單獨用于電氣化鐵道牽引負(fù)荷這樣的高電壓等級、大容量諧波源的補(bǔ)償，目前在工程實現(xiàn)的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性上都存在相當(dāng)?shù)睦щy［7～13］。因此，針對無源電力濾波器和有源電力濾波器各自的特點，充分發(fā)揮無源電力濾波器耐高壓、大容量和容易實現(xiàn)的特點，以及有源電力濾波器所具有的寬諧波抑制范圍、動態(tài)響應(yīng)特性好和自動跟蹤的優(yōu)勢，設(shè)計無源——有源混合型的電力濾波器將是一種投資適中、技術(shù)先進(jìn)和性能優(yōu)越的無功和諧波綜合補(bǔ)償方案。在工程應(yīng)用中，首先需要考慮的是成本和技術(shù)上的可行性。根據(jù)電氣化鐵道諧波治理工程大容量、高電壓、低成本并兼顧無功補(bǔ)償?shù)囊?，本文將提出一種新型的基于混合濾波及動態(tài)無功補(bǔ)償?shù)碾娔苜|(zhì)量優(yōu)化控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量綜合優(yōu)化控制系統(tǒng)的主電路拓?fù)淙鐖D1所示，其特點是在牽引供電系統(tǒng)27.5 kV側(cè)的兩相分別安裝并聯(lián)混合補(bǔ)償裝置，對電力牽引負(fù)荷產(chǎn)生的諧波與無功進(jìn)行就地補(bǔ)償?；旌涎a(bǔ)償裝置由APF、PPF和可調(diào)無功補(bǔ)償裝置SVC組成。為充分利用目前牽引變電站已有的3次諧波的濾波支路，將原有的3次濾波支路改造成圖1所示的帶基波諧振的3次濾波支路。其中，L1和C1調(diào)諧在基波頻率，整條支路調(diào)諧在3次諧波頻率。利用L1、C1基波串聯(lián)諧振對基波短路，APF只承受諧波電壓，大大地降低了APF的容量，T是耦合變壓器，可以進(jìn)一步降低APF的電壓等級，從而有效地降低有源濾波器的造價。

PPF在濾除部分諧波的同時還擔(dān)負(fù)著固定無功補(bǔ)償?shù)娜蝿?wù)，能承擔(dān)絕大部分的基波電壓。APF只對3、5、7次諧波以外的諧波進(jìn)行補(bǔ)償，補(bǔ)償PPF濾波能力的不足，防止PPF過載及與系統(tǒng)發(fā)生諧振。L0、C0和R0構(gòu)成APF的低通濾波支路。

由于PPF提供的無功功率是固定的感性無功功率，不能無級的連續(xù)的補(bǔ)償牽引系統(tǒng)的無功需求，增設(shè)一組晶閘管投切電抗器TCR和PPF的電容器共同構(gòu)成靜止無功補(bǔ)償器SVC，使得輸出的無功在容性和感性范圍內(nèi)都連續(xù)可調(diào)。TCR的加入主要作用是當(dāng)牽引負(fù)荷波動時，吸收PPF產(chǎn)生的多余無功。由于本文中所優(yōu)化設(shè)計的TCR容量并不大，其本身產(chǎn)生的諧波對濾波裝置的濾波性能影響有限。另外，SVC還能夠通過檢測負(fù)荷中負(fù)序電流大小和相位，發(fā)出適當(dāng)?shù)臒o功電流，改善系統(tǒng)負(fù)序電流嚴(yán)重的問題。

圖1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Main-circuit Topological structure

1.2 工作原理

電能質(zhì)量綜合優(yōu)化控制系統(tǒng)的工作原理如圖2所示，圖2中Ush為系統(tǒng)等效諧波電壓，Zsh為系統(tǒng)諧波阻抗，Z7h和Z5h分別為7次、5次濾波支路阻抗。n2Za為APF濾波阻抗折算到變壓器高壓側(cè)的等效值。變壓器T看成理想變壓器。負(fù)載諧波可以看成一個諧波電流源iLh，有源部分等效為一個受控電流源iAF。有源部分產(chǎn)生與負(fù)載諧波電流減去3、5、7次諧波剩下諧波電流大小相等、方向相反的電流，通過L3、C3注入系統(tǒng)，抵消負(fù)載諧波除去3、5、7次諧波電流剩下的諧波電流，達(dá)到諧波治理的目標(biāo)。由圖2可知，APF發(fā)出的諧波電流一部分注入電網(wǎng)，補(bǔ)償負(fù)載諧波電流，另一部分通過基波串聯(lián)支路消耗掉了。

圖2 工作原理圖Fig.2 Operating principle diagram

2 控制策略

2.1 APF 控制策略

APF控制框圖如圖3所示，主要可以分為四部分:數(shù)字信號處理部分、電流跟蹤部分、驅(qū)動部分、故障保護(hù)部分。主要功能包括脈沖同步、APF行為控制、產(chǎn)生觸發(fā)脈沖和對裝置的保護(hù)。數(shù)字信號處理系統(tǒng)主要完成對系統(tǒng)電壓電流的同步檢測、計算和實時顯示，根據(jù)一定的算法得出補(bǔ)償電流的指令信號進(jìn)而控制IGBT的通斷，同時將裝置的運行情況和補(bǔ)償效果等信息通過RS485送給上位機(jī)以便監(jiān)控和查詢?？刂破魇钦麄€控制系統(tǒng)的核心部件，這里主控制芯片采用TMS320F2812，F(xiàn)PGA配合完成APF的過電壓、過電流保護(hù)。

圖3 APF控制框圖Fig.3 APF control block scheme

為了保證混合補(bǔ)償系統(tǒng)穩(wěn)定并具有良好的動態(tài)響應(yīng)和最佳的諧波抑制效果，APF的控制采用直接電流跟蹤控制方法。應(yīng)用瞬時無功功率理論檢測、計算系統(tǒng)電流諧波含量ih和APF已經(jīng)發(fā)出的電流ic，然后減去PPF發(fā)出的的3次、5次、7次諧波電流(采樣一個工頻周期的電流，通過快速傅里葉變換計算得來)，得到此時電網(wǎng)本該由APF補(bǔ)償?shù)闹C波電流ish，結(jié)合APF已發(fā)出的補(bǔ)償電流ic，便可以得到下一時刻APF應(yīng)發(fā)出的補(bǔ)償電流。再通過PI控制器就可以得到APF輸出的補(bǔ)償電流的指令信號，將做為調(diào)制信號，經(jīng)過三角波PWM調(diào)制就可以得到IGBT的控制脈沖。

2.2 TCR控制策略

TCR的控制原理圖如圖4所示。通過采樣系統(tǒng)的電壓電流，計算出系統(tǒng)的等值導(dǎo)納。根據(jù)折算后的系統(tǒng)的等值總電納，并計算出PPF中的等效電納，總電納扣除PPF中的等效電納，即是TCR所需的電納，其與晶閘管的觸發(fā)角有如下關(guān)系:

式中 Bmax=1/ωL。

通過采樣系統(tǒng)的電壓信號，經(jīng)過鎖相環(huán)倍頻，得到同步脈沖信號，此同步信號將作為TCR的基準(zhǔn)信號，它是控制角α的基準(zhǔn)。由控制信號加上時間基準(zhǔn)即可產(chǎn)生TCR觸發(fā)脈沖，經(jīng)放大后驅(qū)動晶閘管。需要注意的是TCR與APF的采樣時刻是同步的。

圖4 TCR控制系統(tǒng)原理框圖Fig.4 Principle diagram of TCR control system

3 容量優(yōu)化配置

混合濾波器的容量優(yōu)化配置是指根據(jù)PPF和APF的允許容量等級，明確各自的濾波任務(wù)。通過對PPF濾波支路補(bǔ)償無功的合理分配使得電容器組、串聯(lián)電抗器及APF的總?cè)萘孔钚?。容量?yōu)化模型是以電容器組容量、串連電抗器容量、QTCR以及APF容量SAPF的總?cè)萘孔钚槟繕?biāo)函數(shù)，同時以PPF各支路在基波下滿足一定的無功補(bǔ)償容量Qw，以及PPF的n次單調(diào)諧濾波支路滿足一定的諧波殘余度HRRh為約束條件而構(gòu)造的計算模型，式(4)中Z(h)PPF為PPF的h次諧波等值阻抗，Z(h)ST為系統(tǒng)和牽引變壓器的h次諧波等值阻抗。

目標(biāo)函數(shù)為

約束條件為:

這里的容量優(yōu)化配置是一個有約束條件的非線性規(guī)劃問題，MATLAB提供了基于Kuhn-Tucker方程解的有約束非線性優(yōu)化函數(shù)fmincon，根據(jù)具體的目標(biāo)函數(shù)、約束條件、優(yōu)化變量的初始值等就可以算出優(yōu)化結(jié)果。限于篇幅，本文不對此詳細(xì)論述。

4 仿真結(jié)果

4.1 容量優(yōu)化

以成都某牽引變電所的一個供電臂為研究對象，已知參數(shù)為:

VB=27.5 V，I=420.667 A，x=0.5，cos φ0=0.706，cos φc=0.98，Qw=1552.53 kVA，ZST=(1.8968+j5.102)Ω，式中，cos φ0為原功率因數(shù);cos φc為補(bǔ)償后的功率因數(shù)。利用前面提到的優(yōu)化模型和優(yōu)化算法，容量優(yōu)化后的結(jié)果如表1所示，混合電力濾波器的總?cè)萘繛?154.92 kvar，其中APF的容量為248.73 kvar，易于工程實現(xiàn)。

表1 混合電力濾波器容量優(yōu)化設(shè)計結(jié)果Tab.1 Optimal design result of the capacity of the hybrid power filter

4.2 仿真分析

根據(jù)獲取的容量優(yōu)化參數(shù)，采用Matlab/Simulink對所提出的電能質(zhì)量綜合優(yōu)化控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究。裝置投入前后系統(tǒng)參數(shù)對比如表2所示。圖5所示為成都某牽引變電所網(wǎng)側(cè)實測電壓電流波形，可以看到電流波形畸變很嚴(yán)重。由表2可知，混合濾波裝置投入后，在不同負(fù)載下的電網(wǎng)電壓，功率因數(shù)和諧波百分比都有明顯的改善，各項指標(biāo)都優(yōu)于國標(biāo)。這里需要對表2說明的是，在牽引負(fù)荷低，系統(tǒng)出現(xiàn)過補(bǔ)的情況下才投入TCR。

表2 混合濾波裝置投入前后系統(tǒng)響應(yīng)結(jié)果對比Tab.2 Comparison of system responses between

圖5 成都某牽引變電所網(wǎng)側(cè)電流電壓實測波形Fig.5 Measured voltage and current waveforms at the grid side of certain traction system in Chengdu city

圖6和7分別是混合濾波裝置投入前后系統(tǒng)三相電流的仿真波形。投入混合濾波裝置后電流總畸變率大大降低，由原來19.23% 下降到1.56%。圖8為濾波裝置投入前后功率因數(shù)對比圖。由圖8可知，混合濾波裝置投入后，系統(tǒng)功率因數(shù)提高到0.98。

圖6 混合濾波裝置投入前后系統(tǒng)側(cè)三相電流波形Fig.6 Current waveforms at the grid side of the traction system without hybrid filter

圖7 混合濾波裝置投入后系統(tǒng)三相電流波形Fig.7 Current waveforms at the grid side of the traction system with hybrid filter

圖8 混合濾波裝置投入前后系統(tǒng)功率因數(shù)對比Fig.8 Comparison of the power factor between the systems with and without hybrid filter

5 結(jié)語

本文針對電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)存在的電能質(zhì)量問題，提出并研究了一種由混合濾波和動態(tài)無功補(bǔ)償裝置構(gòu)成的電能質(zhì)量綜合優(yōu)化控制系統(tǒng)。并從工程應(yīng)用角度，對控制系統(tǒng)各個組成部分進(jìn)行了設(shè)計。所提出的控制系統(tǒng)充分發(fā)揮了無源和有源濾波器各自的優(yōu)點，在滿足一定技術(shù)指標(biāo)的前提下，最大限度地減少了有源部分的容量，同時，實現(xiàn)了對牽引供電系統(tǒng)側(cè)功率因數(shù)的動態(tài)調(diào)整，綜合解決了當(dāng)前純有源濾波容量有限的現(xiàn)狀下的電氣化鐵道諧波、負(fù)序和無功等電能質(zhì)量問題。最后，通過詳細(xì)的仿真研究驗證了所提出的電能質(zhì)量綜合優(yōu)化控制系統(tǒng)的有效性及其所具有的良好的電能質(zhì)量控制效果。

［1］盧志海，厲吉文，周劍(Lu Zhihai，Li Jiwen，Zhou Jian).電氣化鐵路對電力系統(tǒng)的影響(The impact of electrified railway on electric power system)［J］.繼電器(Relay)，2004，32(11):33 －36.

［2］Pinato P，Zaninelli D.Harmonic disturbances in electric traction system overhead lines［C］∥IEEE 10th International Conference on Harmonics and Quality of Power，Milan，Italy:2002.

［3］李群湛.電氣化鐵道并聯(lián)綜合補(bǔ)償及其應(yīng)用［M］.北京:中國鐵道出版社，1993.

［4］張力強(qiáng)，羅文杰，呂利軍(Zhang Liqiang，Luo Wenjie，Lü Lijun).電氣化鐵路牽引負(fù)荷的不利影響及治理方案(Disadvantage and manage project on electrization railway draught load)［J］.電網(wǎng)技術(shù)(Power System Technology)，2006，30(s):196 －198.

［5］趙俊莉，楊君，裴云慶，等(Zhao Junli，Yang Jun，Pei Yunqing，et al).電氣化鐵道用有源電力濾波器方案研究(Scheme reseach on active power filter in electrified railway)［J］.機(jī)車電傳動(Electric Drive for Locomotive)，2000，10(5):10 －14.

［6］Rivas Darwin ，Moran Luis，Dixon Juan W，et al.Improving passive filter compensation performance with active techniques［J］.IEEE Trans on Industrial Electronics，2003，50(1):161－170.

［7］劉進(jìn)軍，劉波，王兆安(Liu Jinjun，Liu Bo，Wang Zhao＇an).基于瞬時無功功率理論的串聯(lián)混合型單相電力有源濾波器(Hybrid type series active power filter used in single-phase circuit based on instantaneous reactive power theory)［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(Proceedings of the CSEE)，1997，17(1):37 －41.

［8］Rastogi Mukul，Mohan Ned，Edris Abdel-Aty.Hybridactive filtering of harmonic currents in power systems［J］.IEEE Trans on Power Delivery，1995，10(4):1994－2000.

［9］唐杰，羅安，范瑞祥，等(Tang Jie，Luo An，F(xiàn)an Ruixiang，et al).無功補(bǔ)償和混合濾波綜合補(bǔ)償系統(tǒng)及其應(yīng)用(Combined compensation system with reactive power compensation and hybrid active power filter and its engineering application)［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(Proceedings of the CSEE)，2007，27(1):88 －92.

［10］李暉，吳隆輝，卓放，等(Li Hui，Wu Longhui，Zhuo Fang，et al).一種并聯(lián)混合型電力濾波器控制策略(Novel control strategy for parallel hybrid power filter)［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(Proceedings of the CSU-EPSA)，2009，21(1):83 －88.

［11］Tan Pee-Chin，Loh Poh Chiang，Holmes Donald Grahame.A robust multilevel hybrid compensation system for 25-kV electrified railway Applications［J］.IEEE Trans on Power Electronics，2004，19(4):1043 －1052.

［12］王兆安，楊君，劉進(jìn)軍.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［13］羅安，帥智康，王少杰，等(Luo An，Shuai Zhikang，Wang Shaojie，et al).大功率混合型有源電力濾波器(一)——理論(High capacity hybrid active power filter(1)——theory)［J］.電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報(Proceedings of the CSU-EPSA)，2008，20(3):1－7.