補償裝置在高速磁浮系統中的應用研究

唐連福

(上海磁浮交通發展有限公司,201204,上海∥工程師)

補償裝置在高速磁浮系統中的應用研究

唐連福

(上海磁浮交通發展有限公司,201204,上海∥工程師)

由于高速磁浮牽引采用大功率變流裝置,供電系統必須對系統運行時的諧波進行濾波,對無功分量進行調節。系統運行時對電網的無功和諧波進行補償與濾波是電網安全和系統正常運行的重要部分。分析了補償系統的構建和控制原理。使用IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)無功調節裝置將有利于補償系統滿足牽引系統補償的快速性要求。該補償系統運行后能夠滿足電網質量要求,但系統損耗和動態響應尚需進一步優化。

磁浮;濾波;動態補償;控制

Author's addressShanghai Maglev Transportation Development Co.,Ltd.,201204,Shanghai,China

目前世界上高速磁浮有常導磁浮交通和超導磁浮交通兩種技術。常導高速磁浮系統以常導電磁浮、長定子直線同步電機驅動,列車最高運行速度不低于200 km/h,主要包括磁浮線路、磁浮列車、牽引供電、運行控制以及車站和維護設施等子系統。

高速磁浮交通的牽引驅動采用的大功率高電壓變流裝置受控于輸出電源,系統運行時對電網的無功和諧波進行補償與濾波是電網安全運行和系統正常運行的重要部分。本文對此系統中的無功補償系統進行研究。

1 牽引系統特點及對供電系統的要求

磁浮列車的驅動由布置在分區端部的多套控制器和高中功率變流裝置組成。變流裝置根據指定的速度曲線和列車的實際位置輸出幅值、頻率,以及相位受控的電壓、電流,并通過變壓器、饋電電纜、線路旁的開關分段,為磁浮列車所在的長定子段(軌道梁上安裝的長定子線圈和車廂底部排列的直流勵磁繞組構成直線同步電機)供電,實現列車的起動、加減速、定速和停車驅動,保證列車按照指定的速度曲線進行運行。

為磁浮列車提供驅動電源的變流裝置一般為交-直-交形式,整流部分為雙三相12脈波半控橋。因此在磁浮列車項目中,其運行系統必將需要大量的無功并產生大量諧波。供電系統如果不加處理,一方面需要在設計時加大對電網的容量需求,另一方面會由于磁浮運行時產生的諧波和大量的無功功率而導致電網品質系數降低,以及電網電壓的波動嚴重超標。因此系統中必須考慮配置大容量濾波和動態無功補償系統,而且牽引系統的快速調節特性決定了動態補償系統必須具有快速的響應。

2 補償與濾波系統的設計

2.1 母線單線圖

為安全可靠的運行,高速磁浮系統可采用雙回路供電系統。其母線帶載單線圖如圖1。

圖1 20kV單線圖

圖1中牽引變流裝置為主要負載,所占負載比重很大。諧波和動態補償系統就是為滿足牽引變流裝置的工作特性而設置的。諧波和動態補償系統必須能滿足牽引列車時牽引變流裝置所產生的諧波和無功壓降。

2.2 設計思想

根據變頻器帶車運行時的負載特性和上述電網數據計算,考慮當前補償裝置的技術水平和今后運行的經濟要求,采用濾波系統和動態補償系統相結合并采用變頻設計的LC電路進行諧波濾波;動態補償容量連續調節、動態補償裝置可采用基于IGBT器件的變頻器來快速實現調節的方案。

1)濾波裝置首先根據磁浮牽引變流裝置的運行狀態決定其工作狀態,并與動態補償相結合。

2)諧波濾波波次和分量分別為:5次濾波補償量+1 Mvar;7次濾波補償量+1 Mvar;11次濾波及高通補償量+4 Mvar。

3)系統動態根據母線電網的負載進行母線側無功功率因素的控制。

4)動態補償由600 V等級(20 kV/600 V的變壓器)的10套容量為-600 kvar～+600 kvar的IGBT變頻器實現0～12 Mvar可調節容量。

3 濾波與動態補償系統

3.1 系統構成

由以上分析可知,諧波和補償系統設計成如圖2所示形式。

圖2 濾波和動態補償系統配置圖

其中諧波濾波次數為:5次、7次、11次和高通。每組濾波裝置配置靜態補償容量分別為1 Mvar、1 Mvar、4 Mvar。系統投運工作后,MF開關自動合閘,跟隨20 kV母線上的牽引變流裝置工作狀態:牽引變流裝置啟動時,MF同步合閘;牽引變流裝置停止工作一定時間后,MF分閘。

動態補償系統由MK開關、變壓器2臺、600 V變頻器(600 kvar/臺)10套組成動態補償裝置。

3.2 控制原理

磁浮列車起動時,母線側隨著變流裝置的輸出電壓、電流和頻率等變化,產生諧波和電壓電流的相位偏差,系統的諧波量和功率因數發生了變化;動態補償系統的控制器根據檢測到的電壓、電流進行轉換計算得到系統的無功功率;把該數據與控制的設定值進行比較,送到控制系統的給定發生器進行PI(比例積分)調節,構成調節系統的主環。由于調節裝置采用IGBT變頻器,低壓側的動態響應時間提高,母線側的功率因數會在一個較小的允許的波動范圍內進行調節。

3.3 動態補償系統的調節控制框圖

根據上述原理設計動態補償系統總調節框圖如圖3。其中輸入為母線側的電流電壓檢測量。令∑Q與0相比,通過運算輸出調節指令直流側電壓給定Udset和母線側電流給定Ilset以總線方式發送給圖2中的IGBT變頻器組;各變頻器控制器根據收到的調節指令控制IGBT的PWM(脈寬調制)信號實現系統無功功率的動態調節。

圖3 控制系統調節框圖

3.4 系統測試

系統測試獲得相關參量的運行曲線如圖4所示。

圖中各曲線依次(從上到下)為:

曲線①——系統對各補償變頻器的DC_LINK電壓給定值;

曲線②——各補償變頻器的DC_LINK電壓實際值;

曲線③——供電系統20 kV母線的電壓;

曲線④——供電系統20 kV母線的功率因數。

圖4 磁浮車一次循環運行時的補償系統曲線

由此可見:

1)在磁浮列車一列車運行的情況下,調節系統能夠滿足工況的要求,實現磁浮列車運行時的諧波濾波和功率補償的作用;功率因數基本上維持在0.90～0.99間,20 kV母線側的電壓波動很小;系統的母線側響應滯后接近50 ms左右,低壓側的控制響應滯后約為10～15 ms左右。

2)由于磁浮列車運行存在間隔,動補裝置須補償諧波裝置的靜態無功量,補償系統在列車不運行時損耗過高。為減小系統損耗,在列車停運后,切斷諧波濾波裝置的母線側開關。

4 結語

綜上所述,濾波系統的靜態補償容量在磁浮列車運行間隔時需要動態補償系統進行負補償,導致動態補償系統的損耗過大,增加了運行成本。系統投資時的費用節省遠小于實際運行中長期產生的運行費用,降低了系統的經濟性能。設計的動態補償器在AC 600 V低壓側的響應較快,但母線側的響應時間則相對滯后,影響了IGBT開關器件的快速性能在整個補償系統中應有的優勢。因此,從經濟性和技術性上考慮,此補償系統存在進一步優化的必要。

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Application of Compensation System in High-speed Maglev Trans Rapid

Tang Lianfu

The harmonic of the power supply system must be filtered and the reactive power must be regulated,which are caused by the high-power propulsion converters applied in high-speed Maglev Trans Rapid.The structure and control fundamentals of the compensation system are analysed and described,which should match the requirements rapidly by using IGBT inverter.This filter and dynamic compensation system will have a better effect in Maglev Trans Rapid,at the same time,the system waste and dynamic response shall be improved.

maglev;filter;dynamic compensation;control

U 237+.8

2009-03-26)