鐵路電力網(wǎng)絡10 kV串聯(lián)交流電壓質(zhì)量治理方案研究

崔小岳

0 引言

從普遍意義上講，電能質(zhì)量[1]是指向用戶提供供電電能的質(zhì)量。目前，高壓電網(wǎng)中存在的如電壓暫降和諧波等電能質(zhì)量問題得到了廣泛關注，這些問題導致負載設備的供電電壓不穩(wěn)定，影響設備的準確性和可靠性。在電氣化鐵路電力供電領域內(nèi)，從牽引變壓器輸出側(cè)獲得貫通電源是一種常用方法，但其電壓質(zhì)量問題尤為突出，并且尚無成熟的解決方案。

目前，已經(jīng)有單相無耦合變壓器電壓補償設備在低壓電網(wǎng)中應用和MMC型電壓統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器應用于中壓電網(wǎng)的實驗室樣機案例[2，3]。然而，這兩種設備仍然存在很多未解決的問題，如單相無耦合變壓器電壓補償設備并聯(lián)控制與串聯(lián)控制兩種模式之間存在耦合現(xiàn)象和MMC型電壓統(tǒng)一電能質(zhì)量控制方法過于復雜，導致工作可靠性較低，在電氣化鐵路中應用較為困難。

針對無耦合變壓器拓撲結(jié)構(gòu)存在的問題，本文采用耦合變壓器的拓撲結(jié)構(gòu)，通過隔離變壓器將10 kV電壓等級降低，經(jīng)過并聯(lián)部分穩(wěn)定母線電壓，再經(jīng)過串聯(lián)部分逆變輸出補償電壓，通過變壓器耦合到高壓側(cè)補償高壓電網(wǎng)，完成電網(wǎng)電壓質(zhì)量問題的治理。該拓撲結(jié)構(gòu)串聯(lián)部分和并聯(lián)部分不存在耦合現(xiàn)象，控制簡單成熟、性能優(yōu)越、實用性強。

1 普速鐵路貫通電源存在的問題

某貨運鐵路為雙線電氣化重載鐵路，部分合建站內(nèi)通過動力變壓器從牽引變壓器副邊獲得一路10 kV貫通電源。受鐵路行車影響，該10 kV電源存在三相不平衡、電壓諧波大、電壓波動范圍大的缺陷，其電能質(zhì)量指標不符合GB/T 12325《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》及TB 10008《鐵路電力設計規(guī)范》的相關規(guī)定，為沿線用電設備的正常運行帶來潛在風險。研究一種10 kV電源凈化裝置用于解決10 kV電源電能質(zhì)量問題十分必要。

2 10 kV凈化電源方案的拓撲結(jié)構(gòu)

采用如圖1所示兩級三相PWM拓撲結(jié)構(gòu)，包括并聯(lián)側(cè)拓撲和串聯(lián)側(cè)拓撲，輸入電源經(jīng)過隔離變壓器降壓和LCL濾波器與變流器相連，逆變器輸出的交流電壓通過隔離變壓器升壓后串聯(lián)至電網(wǎng)。

圖1 10 kV系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)運行過程中，并聯(lián)側(cè)穩(wěn)定逆變器直流母線電壓，串聯(lián)側(cè)通過逆變電路輸出目標電壓，通過耦合變壓器升壓后串入10 kV電網(wǎng)，以補償電網(wǎng)的過壓、欠壓、電壓跌落、突升、不平衡、諧波等。串聯(lián)部分逆變器根據(jù)電網(wǎng)中存在的補償差額逆變輸 出補償電壓如圖2所示。

圖2 基波電壓補償向量圖

3 10 kV凈化電源方案的控制方式

能：根據(jù)電網(wǎng)狀態(tài)及控制目標生成PWM信號，控制主電路輸出；對系統(tǒng)進行監(jiān)測和保護。

3.1 并聯(lián)部分的控制方式

裝置并聯(lián)側(cè)引入重復控制算法作為常見的延時控制器，重復控制能夠以較簡單的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對多次諧波的抑制，易于數(shù)字控制實現(xiàn)，如圖3所示。

圖3 并聯(lián)重復控制器結(jié)構(gòu)

10 kV電源凈化裝置調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)的主要功

重復控制是日本學者于1981年首先提出，用于伺服系統(tǒng)重復軌跡的高精度控制。重復控制能夠提高系統(tǒng)跟蹤精度，其原理來自內(nèi)模原理。

所謂內(nèi)模原理是指：在一個穩(wěn)定的閉環(huán)控制系統(tǒng)中設置一個內(nèi)部數(shù)學模型，并使該內(nèi)部數(shù)學模型能夠很好地描述系統(tǒng)輸入信號特性，以構(gòu)成高精度的反饋控制系統(tǒng)。在該內(nèi)部數(shù)學模型的作用下，閉環(huán)控制系統(tǒng)可獲得理想的指令跟蹤特性，并且具有較強的擾動抑制能力。該內(nèi)部數(shù)學模型即所謂的內(nèi)模。內(nèi)模原理的本質(zhì)是將系統(tǒng)輸入信號模型植入控制系統(tǒng)內(nèi)，由此構(gòu)成高精度的閉環(huán)控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無靜差地跟蹤輸入信號。

內(nèi)模原理的典型應用：對于直流信號，其控制閉環(huán)環(huán)路中包含積分環(huán)節(jié)，因而其能夠?qū)崿F(xiàn)對階躍指令的無靜差跟蹤，而正是描述階躍信號特性的數(shù)學模型；對于正弦信號需在控制環(huán)路中植入正弦信號模型；對于周期性信號，則需在控制環(huán)路中植入一個周期性信號模型即為內(nèi)模。其中，ω為正弦信號角頻率，Tr為輸入指令信號的周期。

包含周期信號內(nèi)模的重復控制器，實際上是每N個采樣周期對誤差進行一次累積，其作用與PI調(diào)節(jié)器類似。當重復控制器的輸入衰減至零時，輸出仍不斷重復與上周期相同的信號。若將重復控制器置于控制系統(tǒng)前向通道內(nèi)，當輸入誤差不為零時，重復控制器的輸出會逐漸周期性增長，直至誤差完全消除，即實現(xiàn)零誤差跟蹤。同時，由于重復控制中存在延時環(huán)節(jié)，其輸出相對于輸入延遲了N個采樣周期，因此在暫態(tài)過程中，重復控制器需要延遲N個采樣周期后才能逐周期響應。

10 kV電源凈化裝置并聯(lián)部分主要由Kv調(diào)節(jié)器的輸出提供直流母線電壓的控制信號，并實現(xiàn)電網(wǎng)能量的雙向流動，如圖4所示。對于直流母線，可采用一階控制器達到無差控制[6]，因此，并聯(lián)部分電壓控制器Kv采用PI控制器。將iLx三相交流電感電流信號轉(zhuǎn)換到旋轉(zhuǎn)坐標系下形成直流信號，經(jīng)過電流環(huán)控制Kc輸出，其中Kc采用傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)。電流控制環(huán)有功d軸的給定idref為直流母線的控制輸出，電流控制環(huán)無功q軸的給定idref為0，有功和無功軸之間存在耦合現(xiàn)象，采用電感電流前饋的方式進行解耦處理。

圖4 并聯(lián)部分控制結(jié)構(gòu)

3.2 串聯(lián)部分的控制方式

串聯(lián)側(cè)逆變器的主要作用是對電網(wǎng)電壓暫降、驟升、波動、不平衡及諧波的補償。當存在上述電能質(zhì)量問題時，控制器根據(jù)檢測算法快速檢測，并根據(jù)負載額定電壓得到串聯(lián)部分的補償輸出電壓給定參考值。

本裝置采用電壓電流雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，電流反饋量為逆變器輸出的電感電流。由于電感電流包含電容電流和負載電流信息，在控制器作用下，系統(tǒng)能快速響應負載變化，輸出的動態(tài)性能得到改善。裝置電壓外環(huán)反饋量為輸出濾波電容兩端的電壓。

對于圖5所示的控制環(huán)進行等效變換，電感電流反饋向后移，與控制對象結(jié)合成為被控對象。等效控制環(huán)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖5 串聯(lián)部分控制結(jié)構(gòu)

圖6 串聯(lián)部分等效控制結(jié)構(gòu)

被控對象等效為

在此基礎上得到閉環(huán)系統(tǒng)s域穩(wěn)態(tài)誤差為

式中，Kc為電流環(huán)控制器參數(shù)；Kv為電壓環(huán)控制器參數(shù)。為簡化控制系統(tǒng)，電壓外環(huán)控制器Kv使用PR諧振控制器[8，9]，在靜止坐標系下對交流信號進行無靜差控制。電流內(nèi)環(huán)控制器Kc選用P控制器。

3.3 控制器的離散化

下文對PR諧振器進行離散化分析，編寫數(shù)字控制程序。

PR諧振器對于頻率誤差的影響敏感度較高。在實際的應用場合存在頻率誤差，諸如電網(wǎng)頻率的變化、采樣誤差、PLL的誤差和離散過程帶來的誤差，導致其應用領域受到一定限制。因此，在實際應用中采用具有一定帶寬的準諧振控制器。

在旋轉(zhuǎn)坐標系上的低通濾波器[4]傳遞函數(shù)為

式中：k為調(diào)節(jié)器比例系數(shù)；ωC為低通濾波器的截止頻率；ωZ為低通濾波器的積分系數(shù)。

分別將式（3）正序分量和分序變量的旋轉(zhuǎn)坐標系上低通濾波器變換到靜止坐標系下。然后進行疊加，即生成在靜止坐標上的帶通濾波器，也稱其為準諧振調(diào)節(jié)器。傳遞函數(shù)為

式中：hωe為坐標系的旋轉(zhuǎn)角速度。

利用雙線性變換對式（4）進行離散化，變化公式為[5]

式中，Ts為采樣周期。

經(jīng)過雙線性變換后，模擬頻率ω與離散頻率ω1之間存在以下非線性關系：

實際應用中，先將式（4）進行預畸變，式（7）進行頻率的補償，再代入式（2）進行離散，最后進行等效差分，利用DSP控制器實現(xiàn)。

4 濾波器設計

4.1 控制器參數(shù)設計

在電網(wǎng)電壓質(zhì)量治理裝置中，串聯(lián)部分和并聯(lián)部分均采用LCL型濾波器，對于LCL濾波器參數(shù)的設計存在以下4個方面的限制。

（1）總電感參數(shù)計算。總電感分為橋側(cè)電感L和網(wǎng)側(cè)電感Lg。分析電壓整流器運行規(guī)律，使用SPWM的調(diào)制方式，電感的設計上限值滿足

式中，Vdc為直流母線電壓；Ep為峰值電壓；Ip為峰值電流。

（2）濾波電容參數(shù)計算。濾波電容的選擇應考慮設計的濾波電容值越大，將產(chǎn)生較大的無功功率，增加系統(tǒng)損耗，降低系統(tǒng)效率。在工程應用中，LCL濾波器參數(shù)設計準則為使其產(chǎn)生的無功功率小于5%系統(tǒng)額定功率，即

式中，Pn為系統(tǒng)額定功率；f為基波頻率；Vc為母線電容電壓波動值。

（3）諧振頻率fres計算。為達到較好的濾波效果，并避免產(chǎn)生附加振蕩，濾波器的諧振頻率一般確定在10倍基頻fn到0.5倍開關頻率fSW之間，即

（4）阻尼電阻Rd計算。LCL濾波器中的電容串聯(lián)電阻Rd用于增加系統(tǒng)阻尼，有利于提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，但也導致?lián)p耗增加。在工程上，阻尼電阻Rd一般取濾波電容Cf處于諧振角頻率2πfres時容抗的1/3，即

4.2 網(wǎng)測頻率畸變補償電壓檢測

在檢測過程中，當電網(wǎng)電壓頻率由fs跳變到fs±Δfs時，檢測到的諧波電壓幅值上疊加出現(xiàn)了2(fs±Δfs)頻率的波動，導致補償輸出誤差。該裝置采用基于直接數(shù)字頻率合成技術（DDS）模式采樣計算補償電壓，應對電網(wǎng)中由于頻率偏移導致的檢測諧波電壓問題。根據(jù)DDS的原理，頻率控制字M與輸出信號fout和參考時鐘fc之間的關系為[5]

頻率控制字M與輸出信號頻率fout成正比，當參考時鐘不發(fā)生變化時，M與fout成線性正比關系。將式（8）應用于裝置的并網(wǎng)部分采樣檢測電網(wǎng)諧波，控制器控制M的大小，應對由于電網(wǎng)的頻率偏移而引起的檢測誤差。

5 實驗結(jié)果

根據(jù)上述方法，模擬了在機車運行工況下的電源諧波情況，該自閉電源電壓諧波含量高，電壓波動范圍較大。通過在既有27.5/10 kV動力變壓器與隔離開關之間接入本文所述電源凈化裝置，現(xiàn)場接線如圖7所示，實驗波形如圖8—圖10所示。

圖7 現(xiàn)場接線示意圖

對照裝置運行前后電壓諧波含量數(shù)據(jù)（圖8和圖9）可以看出：補償前5、7次諧波的含有率分別為5.2%、5.0%，UTHD為7.2%；補償后5、7次諧波的含有率分別為0.4%、0.6%，UTHD為0.9%。

圖8 示波器在PT和CT側(cè)檢測到的負載諧波線電壓波形

圖9 示波器在PT和CT側(cè)檢測到補償基波和諧波以后負載線電壓波形

圖10 所示的波形表明，在牽引電壓突變時，逆變輸出補償電壓補償電網(wǎng)電壓的暫降/暫升，可以快速切換補償輸出電壓的相位，系統(tǒng)的動態(tài)性能良好。

圖10 逆變輸出電壓電流波形

圖11 —圖13所示為持續(xù)24 h內(nèi)采集的治理前后數(shù)據(jù)曲線對比。可以看出，電壓波動從10%降低至3%，低壓不平衡度從10%降低至2%以下，電壓諧波含量從12%降低至4%，治理效果明顯。

圖11 治理前后24 h UAB電壓趨勢

圖13 治理前后24 h電壓諧波趨勢

圖12 治理前后24 h電壓不平衡趨勢

6 結(jié)語

本文針對鐵路貫通電源存在的電壓質(zhì)量問題，通過理論分析和仿真計算，采用串聯(lián)電壓補償拓撲結(jié)構(gòu)研制一臺2 MW的凈化裝置。通過仿真實驗，應用該裝置對于電網(wǎng)電壓中存在的電壓暫降、電壓不平衡、高次電壓諧波等問題都有很好的補償效果，證明了該拓撲結(jié)構(gòu)和控制方法的有效性。通過本研究，為電氣化鐵路貫通電源的接引提供了一個良好的解決方案參考。另外，該拓撲結(jié)構(gòu)也可用于其他電壓質(zhì)量有待改善的場合。