一種新型電氣化鐵道電能質量綜合補償

許志偉 羅隆福 張志文 李 勇 李永堅 黃 肇

一種新型電氣化鐵道電能質量綜合補償

許志偉1羅隆福2張志文2李 勇2李永堅1黃 肇2

（1. 湖南工程學院電氣信息學院 湘潭 411104 2. 湖南大學電氣與信息工程學院 長沙 410082）

針對電氣化鐵路單相整流方式帶來大量負序、諧波和無功的特點，結合多功能平衡變壓器具有低壓兩相端口和低壓三相端口的特點，提出一種采用三相電壓源變流器（VSC）結合晶閘管投切電容器（TSC）構成的電能質量補償系統。兩套多組TSC補償絕大部分無功能量，VSC通過電感直接與多功能平衡變壓器低壓三相端口相連，補償諧波、負序和剩余的無功分量，降低了 VSC容量，有利于工程應用。詳細討論了方案及其特點，設計了無功分配策略，根據理想補償效果，通過構造虛擬電流，推導了基于磁動勢平衡原理的補償算法，建立了補償等效電路模型并得到了補償電流關系式，得出了參考電流實時檢測和無功電流分配方法。仿真和實驗證明所提方案的正確性。

多功能平衡變壓器 三相電壓源變流器 電氣化鐵道 綜合補償 晶閘管投切電容器

1 引言

我國電氣化鐵路近年來快速發展，牽引電力機車作為單相整流性質負荷，產生負序、諧波和無功等電能質量問題，通過牽引變電站注入公網，對電力系統帶來危害，嚴重威脅電力系統的安全和經濟運行[1]。采用平衡變壓器[2-3]是減輕或消除負序和零序電流的重要方法。在兩相負載完全相等時，能完全消除負序和零序電流。但由于牽引負荷的動態隨機性，完全達到平衡條件的概率很小。因此，國內外學者對進一步改善牽引變電所電能質量展開了研究。文獻[4-5]提出了鐵路電能質量調節器（Railway Static Power Conditioner，RPC），利用兩個“背靠背”單相全橋變流器，中間共用直流電容，將重載相的有功轉移到輕載相，實現兩供電臂的有功平衡來抑制負序，同時可實現諧波和無功電流的綜合補償。RPC需要8個功率開關管，還需2臺降壓變壓器分別與平衡變壓器的兩牽引供電臂電壓匹配，系統結構較復雜，同時有源部分的容量較大，工程實現較為困難。文獻[6-7]討論在RPC結構的基礎上增加TCR和TSC等SVC裝置，減少RPC容量以實現工程化應用，系統拓撲更復雜。文獻[8]提出對每個供電臂使用單相混合有源濾波器補償諧波和無功電流，兩相則需要兩套裝置且不能治理負序電流。文獻[9]提出將全橋結構改為半橋結構的RPC，可節省1/2的開關管數，但直流側需增加一個電容且存在均壓問題，增加了控制復雜性且不適合大功率應用場合。文獻[10-11]將模糊控制等智能控制算法應用于RPC的控制中，提高“背靠背”變流器的動態性能，算法復雜。文獻[12]采用同相供電方式，只在一相供電臂帶負載，另一相通過 RPC完全用來消除負序、諧波和無功補償，其特點與RPC類似。文獻[13]提出利用Scott變壓器結合三相電壓源型變流器（VSC）組成有源電能質量調節（APQC），只需 6個開關管，但需要增加 1臺結構較復雜的 Scott變壓器進行降壓和變換，且補償算法中需要進行兩相電流變換為三相及其逆變換。

多功能平衡變壓器[14-15]同時具有三相變兩相和三相變三相端口，本文提出一種新穎的綜合補償方案，將多功能平衡變壓器的低壓三相端口作為動態補償端口，通過濾波電感與 VSC直接連接，省去降壓變壓器。VSC僅需6個功率開關管。通過與TSC的協同運行，降低VSC有源部分容量。本文詳細討論了所提補償系統的結構特點，提出了無功協同分配方案，闡明了負序、諧波和無功補償的原理及特點，推導了參考電流及其檢測算法。最后，仿真和實驗證明了所提方案的正確性和可行性。

2 系統方案

本文所提方案如圖1所示。由圖1可知，系統由多功能平衡變壓器和 VSC以及兩組 TSC組成，每組TSC分別由若干套晶閘管投切電容器組成。多功能平衡變壓器具有相互獨立的低壓兩相和低壓三相端口，低壓兩相系統接電力機車類負載，在設計時保證低壓三相抽頭引出電壓直接匹配為 VSC電壓等級，將 VSC通過濾波電感直接接入低壓三相端口。兩相供電臂并聯TSC，補償絕大部分無功能量，通過無功調配，有效減少 VSC容量。通過對 VSC輸出電流有效控制，達到對負序、諧波和無功電流的綜合治理。

圖1 基于多功能平衡變壓器的綜合補償拓撲Fig.1 Comprehensive compensation topology based on the multi-purposed balance transformer

本文所提拓撲有以下特點：①采用TSC補償絕大部分無功，VSC補償諧波和抑制負序，極其少量剩余無功的混合結構，降低了成本，有利于實現大功率工程化應用，也不存在固定電容器補償時的無功過補問題；②將多功能平衡變壓器的低壓三相接口作為動態補償端口，比RPC結構節省了2臺單相降壓變壓器和2個功率開關管，也不需要結構復雜的 Scott變壓器，簡化了系統結構，降低了成本和難度。

3 原理分析

3.1 無功調配方案

假定α、β相供電臂負載基波功率分別為

式中，SLα、SLβ分別為α、β相供電臂負載基波視在功率；Pα、Pβ和Qα、Qβ分別為α、β相供電臂基波有功和感性無功功率，Qα和Qβ均大于0。無功功率絕大部分由多組TSC補償，剩余部分由 VSC補償。設TSC和VSC分別補償無功功率為（x=α， β）、，其中負號表示容性無功功率。無功功率完全補償時，有

若每組TSC所補償的無功功率容量為QTSC，兩供電臂側的TSC組數均為m，則α、β相供電臂TSC應投切的組數分別為

其中，[]表示取整，且 mα和 mβ均小于 m。易知，VSC需要提供的無功補償量最大不超過單組 TSC無功補償容量的2倍，VSC容量得到有效降低。經TSC補償后兩供電臂的功率因數能得到較大提高。

3.2 VSC補償原理

多功能平衡變壓器的電流關系為

式中，K 為變壓器電流比，x為抽頭處的阻抗比，其值與抽頭電壓有關。為與VSC電壓等級相匹配，電壓取1kV，x=0.737 8。要補償諧波和無功電流，需同時檢測補償對象中的諧波和無功電流。兩相負載電流 iα(iβ)由兩部分組成：一部分為基波有功電流 iαpf(iβpf)；另一部分為諧波和基波無功電流之和 iαd(iβd)，即

在此基礎上進一步考慮負序抑制以到達理想補償效果。對于平衡變壓器，當兩相負載電流平衡（大小相等，相位差 90°）時，一次電流對稱。分別記為和，則和的電流幅值為α相基波有功電流幅值 Iαpf與β相基波有功電流幅值 Iβpf之和的1/2，且與對應輸出電壓同相位。式（4）進一步寫為

式中，icα、icβ是待補償的電流之和。

將式（5）代入式（3）中，整理后得

分析可知，只要使得式（6）第二部分為零，則能夠實現一次電流為對稱標準正弦波且功率因數為1的理想補償效果。令上式第二部分等于零，可得如下方程組

上述方程組中只有兩個獨立方程，考慮到VSC無中性電流，有

與式（7）聯立可求解得

根據式（8）適當控制 VSC，即可達到對牽引變電所電能質量綜合治理的目的。

補償等效電路模型及其推導見附錄 A。本文所提方案在補償方式上具有以下特點：①與在兩供電臂并聯補償支路，注入反向補償電流的方式不同，本文所提方案本質上是根據變壓器繞組磁動勢平衡原理進行補償。是根據理想效果而構造的虛擬電流，兩相供電臂電流 iα、iβ并沒有發生改變，但網側電流得到的補償效果與RPC完全相同；②相對RPC等方式，不存在有功能量從重載臂向輕載臂轉移的過程，減少了損耗。

4 檢測算法

式中，ILα、ILβ分別為α、β相負載基波電流的有效值；φα、φβ分別為α、β相基波電流的滯后相角；ILαh、ILβh分別為α、β相負載 h次諧波電流的有效值；φαh、φβh分別為α、β相h次諧波電流的滯后相角。α相負載電流與α相電壓的單位同步信號相乘，化簡可以得到

圖2 電流檢測算法及其無功分配Fig.2 Schematic of total nonactive currents detection and reactive current distribution

式中，mα為 TSC需要投切的組數，mαITSCsin(ωtπ/2)即為α相 TSC所補償的無功電流。β相補償的無功電流可用同樣方法求得。

5 仿真與實驗

采用 Matlab/Simulink對本文所提方案和算法進行仿真驗證。仿真參數見表 1。兩相供電臂同時帶機車類負載，用可控整流橋模擬。兩臂負載不相等，β相整流橋負載為100Ω電阻和120mH電感串聯，75°觸發角。α相整流橋負載為200Ω電阻和240mH電感串聯，75°觸發角。負載電流畸變，波形見圖3c。無任何補償時的網側電流波形也發生畸變，三相電流畸變率分別為 32.92%、29.86%和 33.21%，三相功率因數為0.71，基波電流幅值分別為39.69A、57.85A和69.64A，電流不平衡度為31.5%，如圖3a所示。采用VSC和TSC綜合補償，每組TSC容量為300kvar，根據無功分配原則，α相投入5組，提供 1.5Mvar的無功補償量，β相投入 10組，提供3Mvar的無功補償量，由圖3b可知，網側電流接近正弦波，電流畸變率分別為1.73%、1.72%和1.61%，三相電流幾乎對稱，三相功率因數為0.99，諧波、負序和無功的補償效果非常理想。圖3d、圖3e是VSC輸出補償電流對比，若由 VSC單獨補償，則 VSC輸出電流幅值為 590A、300A和 610A，接入 TSC以后，輸出電流明顯降低，幅值分別降低到320A、200A和 340A，平均下降 41.12%，表明 TSC能較大幅度地降低VSC的容量。

表1 仿真參數Tab.1 Simulation parameters

圖3 不同補償方式的仿真波形Fig.3 Simulation waveforms under different compensation modes

如圖4所示，搭建實驗平臺進行驗證。多功能平衡變壓器模型[17]為SGPH II-26/2（見附錄 B）, 運行容量設計為 4 500V·A，每相容量為 1 500V·A，直流電容為兩串聯兩并聯。利用β相接可控整流橋負載、α相不接任何負載來模擬不對稱非線性負載情況。TSC每套提供無功容量為 3kvar，電容值為197μF，實驗時只在β相接3組 TSC并全部投入，共提供無功補償量 9kvar。

圖4 實驗平臺結構圖Fig.4 Diagram of the experimental platform

采用TMS320LF2812 DSP處理器，檢測算法及其控制均在處理器中實現，主要的實驗參數如下所示：直流側電容：940μF；三相濾波電感：1mH；負載整流器：6R1100G-160；負載電感/電阻：10mH/ 3Ω；功率開關管：1MBH60-100。

采用日置 HIOKI9624-50電能質量分析儀整理記錄波形如圖 5所示。

圖5 實驗波形對比Fig.5 Experimental waveforms

由于僅接一相負載運行，電流的不對稱度較大。對比補償前后網側電流的波形（見圖5a、圖5b），補償前三相基波電流幅值分別為 2.54A、1.63A 和1.0A，電流不平衡度為79.42%。補償后基波電流幅值分別為 1.70A、1.81A和 1.76A，電流不平衡度降為1.49%。圖5c、圖5d為補償前后電壓電流矢量圖，補償前系統每相功率因數分別為 0.612 6、0.422 4和 0.517 6，平均功率因數為 0.517 5。補償后每相功率因數分別為 0.936 9、0.955 7和 0.968 4，平均功率因數為0.953 7。表2列出了A相補償前后5、7和11次諧波含量，補償后主要諧波含量大大降低。表3為補償前后的各相電流畸變率，三相平均下降11.83%。取得了較好的補償效果。

表2 A相電流補償前后諧波成分對比Tab.2 The comparison of phase A harmonic current components before and after compensation

表3 補償前后諧波電流畸變率Tab.3 The comparison of total harmonic current distortion before and after compensation

6 結論

本文提出了基于多功能平衡變壓器的諧波、負序和無功綜合補償方法，采用 TSC和 VSC的混合結構，降低VSC有源部分的補償容量。利用多功能平衡變壓器具有低壓三相端口的特點，通過濾波電感直接連接 VSC產生補償電流，根據變壓器繞組磁動勢平衡原理，抵消兩相負載所產生的諧波、負序和無功電流，使網側電流接近功率因數為1的標準正弦波。建立了補償等效電路模型，通過構造虛擬電流，根據理想補償效果得到了參考電流檢測算法。本文所提方法可推廣到其他具有多端口的平衡變壓器。通過仿真和實驗，證明了所提方案和檢測算法的正確性。

附錄A

在圖A1中，Icα和Icβ為包含諧波、無功和負序分量的待補償電流，性質為電流源。IVSCA、IVSCB和 IVSCC為VSC輸出電流，為電流源。受二次側就近補償Icα和Icβ的影響，則有一次電流為零，故一次繞組未畫出。對二次繞組根據磁動勢平衡原理列方程，可得如下表達式

圖A1 補償等效電路模型Fig.A1 Compensation equivalent circuit model

式中，W2為繞組 gf、fc和 cg的匝數，W3為繞組 eg、fd的匝數。設抽頭處的匝數比為y，等值阻抗比為x，即

將此次研究結果均錄入SPSS20.0統計學軟件中,并對研究結果整理分析。計量資料采用分數±標準差(±s)表示,組間差異用t檢驗;計數資料采用(n,%)表示,并采用x2表示。當P

并令阻抗滿足

根據圖A1，可列方程如下

將式（A4）中Ifa、Iac、Icb、Ibg和 Igf整理后代入式（A1），可得

由于平衡變壓器無中性電流，所以方程中兩個矩陣每列元素之和為零。可得

代入式（A5）可得

與正文式（6）第二部分等價。

附錄B

變壓器模型為SGPH II-26/2型，其主要技術參數如下：容量：SN=26kV·A，其中α、β兩相系統 20kV·A，abc三相低壓系統6kV·A。

電壓

電流

抽頭匝數比

繞組ac等值阻抗

[1] 李群湛. 牽引變電所供電分析及綜合補償技術[M].北京: 中國鐵道出版社, 2006.

[2] 張志文, 王耀南. 星形-三角形聯結三相變兩相和三相變三相平衡變壓器[J]. 電工技術學報, 2006, 21(11): 82-86.

Zhang Zhiwen, Wang Yaonan. A novel phase-phase to two-phase and three-phase balance transformer inand △ connection[J]. Transactions of China Electrotechnical Sociey, 2006, 21(11); 82-86.

[3] 馬水生, 張亮, 李延軍, 等. 阻抗匹配平衡變壓器差動保護技術及其應用[J]. 電力系統保護與控制, 2011, 39(6): 140-143.

Ma Shuisheng, Zhang Liang, Li Yanjun, et al. Technology and application of impedance matching balance transformer differential protection[J]. Power System Protection and Control, 2011, 39(6): 140-143. [4] Mochinaga Y, Hisamizu Y, Takeda M, et al. Static power conditioner using GTO converters for AC electric railway[C]. Power Conversion Conference, Yokohama, Japan, 1993: 641-646.

[5] Uzuka T, Ikedo S, Ueda K. A static voltage fluctuation compensator for AC electric railway[C]. IEEE Power Electronics Society 35th Annual Power Electronics Specialists Conference, Aachen, German, 2004: 1869-1873.

[6] 陳民武, 宮衍圣, 李群湛, 等. 電氣化鐵路電能質量評估及新型控制方案研究[J]. 電力系統保護與控制, 2012, 40(16): 141-147.

Chen Minwu, Gong Yansheng, Li Quanzhan, et al.Assessment of power quality of electrified railway and the research on the new control scheme[J]. Power System Protection and Control, 2012, 40(16): 141-147.

[7] 馬伏軍, 羅安, 徐先勇, 等. 大功率混合型電氣化鐵道功率補償裝置[J]. 電工技術學報, 2011, 26(10): 93-102.

Ma Fujun, Luo An. Xu Xianyong, et al. High-power hybrid power quality compensation system in electrified railway[J]. Transactions of China Electrotechnical Sociey, 2011, 26(10): 93-102.

[8] 趙偉, 羅安, 曹一家, 等. 三相-兩相牽引變電所用無功動態補償與諧波治理混合系統的研究[J]. 中國電機工程學報, 2009, 29(28): 107-114.

Zhao Wei, Luo An. Cao Yijia, et al. Hybrid var and harmonic dynamic compensation and application to three-two phase traction substation[J]. Proceedings of the CSEE, 2009, 29(28): 107-114.

[9] 施大發, 吳傳平. 基于兩相三線制變流器的高速鐵路負序和諧波綜合補償新方法[J]. 電工技術學報, 2012, 27(7): 257-266.

Shi Dafa, Wu Chuanping. A noel integrated compensation method of negative sequence and harmonic for high-speed railway based on two-phase three-wire converter[J]. Transactions of China Electrotechnical Sociey, 2012, 27(7): 257-266.

[10] Luo An, Ma Fujun. A dual-loop control strategy of railway static power regulator under V/V electric traction system[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2011, 26(7): 2079-2091.

[11] Luo An, Wu Chuanping. Railway static power conditioners for high-speed train traction power supply systems using three-phase V/V transformers[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2011, 26(10): 2844-2856.

[12] Shu Zeliang, Xie Shaofeng, Li Qunzhan. Single-phase back to back converter for active power balancing, reactive power compensation, and harmonic filtering in traction power system[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2011, 26(2): 334-343.

[13] Sun Zhuo, Jiang Xinjian. A novel active power quality compensator topology for electrified railway[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2004, 19(4): 1036-1042.

[14] Zhiwen Zhang, Bin Wu, Jinsong Kang, et al. A multipurpose balanced transformer for railway traction applications[J]. IEEE Transactions on Power Delivery, 2009, 24(2): 711-718.

[15] 張志文, 王耀南, 唐求, 等. 多功能平衡牽引變壓器及其配套濾波器諧波治理研究[J]. 電工技術學報, 2004, 19(3): 25-30.

Zhang Zhiwen, Wang Yaonan, Tang Qiu, et al. Study of eliminating harmonic currents for multi-function balance transformer and its filter[J]. Transactions of China Electrotechnical Sociey, 2004, 19(3): 25-30.

[16] 董祥, 李群湛, 黃軍, 等. 適用于電氣化鐵路的無功諧波電流檢測方法研究[J]. 電力系統保護與控制, 2009, 37(6): 32-35.

Dong Xiang, Li Qunzhan, Huang Jun. et al. Detecting methods of reactive power and harmonic current in electrified railway systems[J]. Power System Protection and Control, 2012, 37(6): 32-35.

[17] 張志文, 熊芝耀, 劉福生, 等. 多功能平衡牽引變壓器諧波抑制效果研究[J]. 湖南大學學報, 2000, 27(2): 47-52.

Zhang Zhiwen, Xiong Zhiyao, Liu Fusheng. The research on the effect to leach the harmonics of the multi-function balance traction transformer[J]. Journal of Hunan University, 2000, 27(2): 47-52.

A Novel Power Quality Integrated Compensator for Electrified Railway

Xu Zhiwei1 Luo Longfu2 Zhang Zhiwen2 Li Yong2 Li Yongjian1 Huang Zhao2

（1. Hunan Institute of Engineering Xiangtan 411104 China 2. Hunan University Changsha 410082 China）

To compensate amount of harmonics, negative sequence current and reactive power generated by single-phase traction load which is varied in random and fluctuant, a novel integrated compensator based on multi-purpose balance transformer, which contains a two-phase port and a three-phase port in the secondary, is proposed in this paper. The compensator consists of a three-phase voltage source converter(VSC) and two multi-groups thyristor switched capacitor(TSC). TSC is used to compensate the most reactive power. VSC is connected to the three-phase port through the filter inductor to compensate the harmonics, negative and the remaining reactive currents. So the capacity of VSC is reduced and good for engineering realization. Firstly, the operation principle of the system is clarified. Then the reactive current distribution method is designed and the compensation algorithm based on balanced mmf using virtual current is deduced. Furthermore, the compensation equivalent circuit mode is established, the reference current detecting and the collaborative control strategy for TSC and VSC based on reactive power current abruption VSC are presented. Simulation and experimental results show the validity of the proposed system.

Multi-purpose balance transformer，three-phase voltage converter，electrified railway，integrated compensation，thyristor switched capacitor

TM85

許志偉 男，1978年生，博士研究生，講師，研究方向為新型變壓器和新型輸電方式，電能質量分析與控制技術。

國家自然科學基金（51077044,51077045）和湖南工程學院博士基金資助項目。

2013-04-25 改稿日期 2013-05-15

羅隆福 男，1962年生，教授，博士生導師，研究方向為現代電器設備的設計和優化，特高壓直流輸電技術，電能質量分析與控制技術。