適用于電氣化鐵道的靜止無功發生器SVG的研究

張永剛，肖彥君，吳茂杉

（中國鐵道科學研究院 城市軌道交通中心，北京100081）

電氣化鐵道使用交流工頻單相供電方式，其牽引負荷是電力系統的主要不平衡負荷，且具有非線性、大功率、分布廣、大波動性等特征。隨著電氣化鐵道運營里程的不斷增加以及鐵路運輸列車的提速，電氣化鐵道的電能質量問題［1］，如無功、諧波等亟待解決。目前我國電氣化鐵道牽引變電所的無功補償絕大部分采用并聯電容器固定補償，但是這種補償方式效果不理想，而且響應速度慢，已經不能滿足電氣化鐵道無功補償的要求。與傳統的無功補償裝置相比，SVG具有調節連續、諧波小、損耗低、運行范圍寬、可靠性高等優點，現在已經廣泛用于配電網、輸電網等電路系統中。從SVG的原理出發，結合電氣化鐵道供電的實際情況，對SVG的各項關鍵技術進行研究，主要解決補償無功功率的問題，并對電氣化鐵道中含量較高的低次諧波進行抑制。

1 SVG的工作原理

從圖1中可以看出SVG的工作原理：首先，檢測電路從接觸網上檢測到系統電壓、系統電流及負載電流，然后轉化為控制信號，輸送到主電路逆變器上，再把反饋的補償電流輸送回輸電線，從而達到直接電流控制實現無功補償的目的。

2 SVG主電路結構選擇

目前己經投入運用的SVG主要以多重化結構為主。多重化即為對幾個輸出電壓為方波的相同變換器，將它們依次錯開相同的相位角，然后把它們疊加起來，形成一個接近于正弦波的階梯波，以達到消除某些含量高低次諧波的目的。但是在應用到電氣化鐵路上時，多重化結構的問題是承受系統不平衡能力有限，在系統故障時往往退出運行，且還存在多重化變壓器價格昂貴、占地面積大、損耗大以及直流磁偏、飽和導致的控制困難等問題。而多電平結構中的鏈式結構在系統不平衡的狀態下具有更好的諧波特性，而且所有鏈節的結構完全相同，可以實現模塊化設計，便于擴展裝置容量及維護，適用于高壓、大容量場合［2］。所以鏈式結構更能夠符合電氣化鐵道無功補償的要求。以H橋為基本單元的單相鏈式主電路結構如圖2所示。

圖1 SVG接入電氣化鐵道系統結構圖

3 電流檢測方法研究

傳統的基于瞬時無功功率的ipiq法檢測框圖如圖3所示。

圖2 單相鏈式H橋結構圖

圖3 ipiq檢測法原理圖

首先U d經鎖相環PLL和正余弦發生器獲得與相電壓基波分量同相位的正余弦信號。負載電流I p、I q、I c經Cαβ變換及C變換得I p、I q，到低通濾波器LPF檢出其中的直流分量ˉI p、ˉI q，經反變換得負載基波電流I af、I bf、I cf，再與負載電流相減得到補償電流指令值I ah、I bh、I ch。

但是現有的ipiq檢測法應用在電氣化鐵道上，存在以下幾個問題：

（1）現有的ipiq法只適用于三相系統，而電氣化鐵道為單相供電；

（2）現有的ipiq法中的鎖相環裝置無法適用于電氣化鐵道。

必須根據上面的幾個問題，對現有的電流檢測法進行改進。

①單相供電問題

現有的基于瞬時無功功率理論的電流檢測法都是基于三相電路。對于單相電路，可以構造出一個對稱的三相系統，從而應用三相電路的瞬時無功功率理論。

設單相電路的系統電壓、電流分別為：

令U a＝U s，i a＝i s，把單相電路電壓和電流都分別滯后π，構造出如下的三相電路：

②鎖相環問題

現有的鎖相環裝置一般采用的相位同步方法是過零比較法。這種方法原理簡單易于實現，但在同一個周期內只有2個過零檢測點，限制了同步速度。而且電氣化鐵道電壓畸變比較大，因此過零比較法不能準確地檢測到正序基波的過零點，甚至在基波過零點附近出現多個信號過零點，因此這種相位同步方法不能適用于電氣化鐵道，設法消除鎖相環裝置或改進其相位跟蹤方式十分必要。

文獻［3］提出了一種基于瞬時無功功率理論的SPLL鎖相方式，這種方式的原理如圖4所示。

這種鎖相方式的基本原理是將三相電源電壓U a、U b、U c經αβ變換和pq變換后得到U q（pq變換中用到的相位為鎖相的輸出*θ），0與U q相減后經PI調節，再與基波頻率相減并積分，最終得到輸出的相位*θ。整個過程構成負反饋，通過調節PI調節器的參數就可以實現鎖相。這種鎖相方法結構簡單，動態響應速度快，可以應用于本文中SVG的電流檢測以取代鎖相環。

解決了上面的問題，可以得到適用于電氣化鐵道SVG的電流檢測法原理圖如圖5。

圖4 SPLL鎖相方式結構圖

圖5 改進型的電流檢測法原理圖

對改進型的電流檢測法在matlab中進行仿真，可以得到波形圖如圖6～圖8。

圖6 負載電流I a波形圖

圖7 基波電流I af波形圖

圖8 諧波、無功電流總和I ah波形圖

通過上面的仿真可以看出，改進型的電流檢測方法能夠很好地實現對單相電路中諧波、無功電流的檢測，而且這種檢測方法不依賴于系統電壓，在系統電壓突變時也可以保證檢測的實時性、準確性，可以用于電氣化鐵道中SVG的電流檢測。

4 控制電路研究

（1）電流跟蹤方式

為了改善控制精度，采用雙滯環同時控制。為了解決滯環寬度與控制精度的矛盾問題，考慮將滯環寬度設為零，這樣只在每個采樣時刻才對指令電流與實際補償電流進行比較，如果二者相等，則保持原狀態，不相等則發出控制信號。這樣就用系統的采樣頻率取代了滯環寬度，同時也決定了開關器件的最高工作頻率，緩解了開關損耗過大的問題。這時候滯環比較器相當于過零比較器。

（2）SVG主電路直流側電壓控制

要控制直流側電壓，除了選擇合適的直流側電容外，還必須利用額外的控制電路［4］來調控直流側電壓。

直流側電壓控制電路如圖9所示，直流側電壓指令值Udc·ref與實際值Udc之差經過PI調節得到了直流分量Δi p，將其乘以與基波電壓同頻率的余弦量，然后疊加到檢測的無功電流i h上，這樣i h中就包含了一定的基波有功電流，則跟蹤的補償電流中也包含一定的基波電流分量，使SVG直流側與交流側交換能量，由PWM控制得到直流側電壓實際值Udc，通過閉環控制調節直流側電壓到一個穩定的值。

圖9 直流側電容電壓控制圖

5 系統仿真分析

針對電氣化鐵道的補償要求，本文設計的SVG同時具有補償無功功率和抑制諧波的功能。下面分別對SVG系統的無功補償和抑制諧波的效果進行仿真。

（1）無功補償效果仿真

分別在系統中接入感性負載和容性負載，SVG在0.2 s時接入系統，可以得到系統電壓（粗）與負載電流（細）的波形圖如圖10、圖11所示。

從圖10、圖11波形圖可以看出，系統接入感性（容性）負載時，補償前負載電流明顯滯后（超前）系統電壓，而補償后系統電壓和負載電流相位基本相同，且濾去了無功電流，使負載電流明顯減小，此時系統功率因數接近1，而且過渡過程在一個周期內即可完成。從而表明本文設計的SVG具有很好的無功補償效果。

（2）抑制諧波效果仿真

保持系統電壓不變，根據電氣化鐵道中諧波主要以3次、5次為主的實際情況，將帶有諧波源（11次以內）的負載接入系統，未投入SVG時的負載電流波形和頻譜圖分別如圖12和圖13所示。

圖10 SVG接入感性負載時仿真波形圖

圖11 SVG接入容性負載時仿真波形圖

圖12 未投入SVG時負載電流情況

圖13 未投入SVG時電流頻譜圖

可以看出，未投入SVG時，負載電流中含有大量的奇次諧波，T HD（諧波含量）為49.94%，嚴重超標。下面來看SVG投入使用后系統的諧波情況（圖14、圖15）。

圖14 投入SVG后負載電流情況

圖15 投入SVG后負載電流頻譜圖

通過比較可以看出，經過SVG補償后，負載電流不但與電壓同相，而且基本變為正弦波，諧波含量也降為3.27%，完全可以滿足T HD≤5%的標準要求。從而證明本文設計的SVG也具有良好的抑制諧波功能。

6 結束語

仿真驗證表明，本文設計的SVG裝置可以快速、準確地對電氣化鐵路進行無功補償，文中SVG采用的各項關鍵技術，如多電平鏈式結構、改進的電流檢測法、改進的滯環控制法以及直流側電容控制策略等，為以后SVG裝置在電氣化鐵路上的應用提供了一定的理論和技術依據。

［1］周春曉，沈 斐，卜慶華，等.電氣化鐵路牽引供電系統的分析［J］.機車電傳動，2007，（2）：29－30.

［2］何湘寧，陳阿蓮.多電平變換器的理論和應用技術［M］.北京：機械工業出版社，2006.

［3］李彥棟，等.新型軟件鎖相環在動態電壓恢復器中的應用［J］.電網技術，2004，（8）：42－45.

［4］李欣媛.并聯有源電力濾波器的仿真及軟件設計［D］北京：北京交通大學，2006.