電鐵綜合補償電流實時檢測方法研究

陸子清

0 引言

電氣化鐵道的電力機車負荷一般均是通過降壓變壓器接入電力系統(tǒng)線-線間的單相負荷，當(dāng)單相功率較大時，可使三相電力系統(tǒng)的電流和電壓產(chǎn)生不平衡；另外，機車為整流型，則牽引電流波形還可因整流產(chǎn)生畸變。對于上、下半周對稱的非正弦波形，其諧波僅含奇次高次諧波，尤以3次諧波含量最大。整流式電力機車的功率因數(shù)約為 0.8～0.84，加上牽引網(wǎng)和主變壓器的無功消耗，歸算至牽引變電所一次側(cè)的平均功率因數(shù)約為0.75[1]。有源電力濾波器是一種用于動態(tài)抑制諧波和補償無功的電力電子設(shè)備，它能對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償，其應(yīng)用可以克服LC濾波器等傳統(tǒng)的濾波和無功補償方法的缺陷。有源濾波器工作的起始端是指令電流檢測電路，即檢測出電流中的諧波和無功等電流分量，然后把需要補償?shù)碾娏餍盘杺鹘o下一級電路，因此有源濾波器進行補償?shù)年P(guān)鍵是電流檢測電路[2]。目前較成熟的瞬時無功功率理論，旨在補償三相系統(tǒng)諧波和無功電流。如果能將成熟的諧波和無功電流檢測技術(shù)加以改造，使之應(yīng)用于牽引供電系統(tǒng)中含量較大的負序、諧波和無功電流檢測中，則具有很大意義。本文基于瞬時無功功率理論，針對牽引供電系統(tǒng)中含量較高的負序電流和含量較高的諧波和無功電流，提出了2種檢測方法，即基于瞬時無功功率理論的單相檢測法和有功電流分離法。理論分析和仿真表明：2種方法都能夠利用傳統(tǒng)的諧波和無功電流檢測理論來實現(xiàn)對牽引供電系統(tǒng)中負序、諧波和無功電流的檢測，且具有實時性好，檢測精度高的特點。

1 基于有源濾波器補償?shù)臓恳╇娤到y(tǒng)

牽引變壓器向上下行線路的2條供電臂供電，如使兩輸出側(cè)相電壓相位角為90°，雖不是各相之間相位角為2π/m（m表示相數(shù)）的各相對稱系統(tǒng)，卻是一個平衡系統(tǒng)。當(dāng)兩相負荷相等、功率因數(shù)相等時，原邊三相電流將組成三相對稱系，通常將三相變換為相位相差90°的兩相系統(tǒng)，并能保持原邊三相電流平衡的變壓器稱為平衡變壓器。故平衡變壓器具有變壓和換相功能，適用于鐵道牽引供電系統(tǒng)[3]。

圖1表示裝有有源濾波器的牽引變電所，其中牽引變壓器采用Scott接線平衡變壓器，左邊為M座變壓器，右邊為T座變壓器，T座變壓器的一邊由M座變壓器繞組的中點引出，T座變壓器的繞組匝數(shù)是M座變壓器的倍[6]。APF為有源濾波器，其工作電路包括指令電流運算電路（檢測電路）、補償電流發(fā)生電路。檢測補償對象的電流，經(jīng)指令電流運算電路計算出補償電流的指令信號，該信號經(jīng)過補償電流發(fā)生電路放大得出補償電流，補償電流與負載電流中要補償?shù)闹C波和無功等電流相抵消，最終得到所需要的電流。在圖1中，2個有源濾波器共用一個直流電源，起到傳遞有功分量的作用。因此，電容 C是變壓器兩副邊繞組的能量傳輸通道，2個端口均需要電容C進行能量的緩沖與交換[5]。

圖1 牽引供電系統(tǒng)綜合補償裝置框圖

2 負序諧波與無功補償電流檢測

2.1 基于瞬時無功功率理論的單相檢測法

目前比較成熟的基于瞬時無功功率檢測方法是基于三相電路的，而對于電氣化鐵道單相電路的檢測可以考慮通過單相構(gòu)造三相的思路，更簡單的是可以直接從單相電流構(gòu)造α，β兩相電流即令iα=is，延時90°為iβ，其檢測結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 基于瞬時無功理論的單相檢測圖

根據(jù)瞬時無功功率理論：三相電路瞬時有功電流ip和瞬時無功電流iq分別為矢量i在矢量e及法線上的投影。即

2.2 有功電流分離法

電壓沒有畸變時，電壓為

電流為

式中，

式中，ip為基波有功電流，ip=i1cosφ1sin(ωt)，iq為基波無功電流，iq=i1sinφ1cos(ωt)，ih為諧波電流，

將式（8）兩邊同乘以2sinωt得：

同理將式（8）兩邊同乘以2cosωt得：

由式（9）、式（10）可知，采用低通濾波器（LPF）可得到Ip，Iq，采用鎖相環(huán)（PLL）產(chǎn)生與電源電壓同步的標準 sinωt，cosωt函數(shù)，可得到ip，iq。電源濾波器可以根據(jù)用戶的選擇，對諧波和無功電流同時進行補償或只對諧波進行補償。如果對諧波和無功電流同時進行補償，則只需分離出基波有功電流作為補償電流，算法更簡單。框圖如圖3所示。此時的鎖相環(huán)可以去掉，而通過控制電路產(chǎn)生與電網(wǎng)電壓頻率相等，相位相同的正余弦信號，在實現(xiàn)時，讓控制系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生的與電網(wǎng)電壓同頻的正余弦信號參與計算，這樣實現(xiàn)起來更加簡單。

圖3 諧波和無功電流同時進行檢測的框圖

如果只對諧波進行補償，那么就要將有功電流和無功電流全部計算出來?？驁D如圖4所示。

圖4 諧波電流補償諧波檢測框架圖

可見，有功電流分離法比基于瞬時無功功率理論的單相檢測法更簡單，需要的元件更少。牽引網(wǎng)供電系統(tǒng)是采用單相供電，因此運用上面的檢測方法可以檢測出負荷電流中的諧波和無功[4]。

3 仿真

（1）方法 1：采用基于瞬時無功功率理論的單相檢測法，設(shè)計其檢測框圖見圖5。

圖5 檢測框圖

在仿真時設(shè)置仿真參數(shù)為

仿真模型圖略。

通過仿真得到兩相補償前的電流波形見圖6。

圖6 兩相補償前的電流波行圖

分析得到下面關(guān)于基波的有功和無功電流：

經(jīng)過補償后可得到圖7中的波形，從圖中可以看出，ip的理論值和檢測得到的基本一致，從而驗證了檢測方法的正確性，且A，B相滿足對稱條件。

A，B相需要補償?shù)碾娏骺梢宰鳛橹噶钸\算的對象，經(jīng)過運算后得到指令信號，輸入到 APF的補償電流發(fā)生電路中，經(jīng)過放大得到補償電流，補償電流與負載電流中需要補償?shù)闹C波、無功電流相抵消，理論上此時的負載電流功率因數(shù)為1，又因A，B相的電流相位相差90°，所以在補償?shù)耐瑫r，負序也得到補償。

圖7 補償后得到A，B相的電流波行圖

（2）方法2：基于有功電流分離法的綜合檢測。

為使2條供電臂的電流大小相等，可以把兩相電流相加以后乘以1/2，再補償?shù)絻上嘭摵?。在兩相的電流相加乘?/2后，通過兩“背靠背”補償裝置使2條供電臂的電流大小相等[6]，但總的負荷基波有功電流不變，圖8為綜合補償框圖。

圖8 諧波、無功、負序綜合補償框圖

圖9表示A，B相補償前的電流波形。為了說明檢測方法的一般應(yīng)用性，假定仿真負荷電流中包含基波有功、基波有無功與諧波電流，并且2個供電臂的電流大小不相等，相位相差不為90°。

設(shè)置仿真參數(shù)具體為

仿真模型框圖略。

分析得到下面關(guān)于基波的有功和無功電流：

圖9 A，B相補償前的電流波形圖

被檢測出的諧波和無功的波形如圖10所示。

圖10 A，B相的諧波、無功電流之和波形圖

補償后可得到圖11中的波形，從圖11中可以看出，ip的理論值和檢測得到的基本一致，從而驗證了檢測方法的正確性，且A，B相滿足對稱條件。

圖11 補償后A，B相基波有功電流波形圖

A，B相需要補償?shù)碾娏鳎梢宰鳛橹噶钸\算的對象，經(jīng)過運算后得到指令信號，輸入到 APF的補償電流發(fā)生電路中，經(jīng)過放大得到補償電流，補償電流與負載電流中需要補償?shù)闹C波、無功電流相抵消，理論上此時的負載電流功率因數(shù)為1，又因A，B相的電流相位相差90°，所以在補償無功的同時，負序也得到補償。

4 結(jié)論

本文提出了基于瞬時無功功率理論的單相檢測法和有功電流分離法2種實時檢測方法，根據(jù)平衡變壓器在兩相負荷相等及功率因數(shù)相等時，原邊三相電流將組成三相對稱系的特性，本文在此基礎(chǔ)上構(gòu)造了基于Scott平衡變壓器的2種綜合檢測法，經(jīng)過仿真驗證后，達到了綜合補償?shù)哪康摹?/p>

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[6]張秀峰，連級三.基于斯科特變壓器的新型同相 AT牽引供電系統(tǒng)[J].機車電傳動，2006，（4）.