牵引变电站三相SVC系统设计与控制方法

      分析了常规牵引变电站用无功补偿设备的特点，针对现有方法实现三相分相补偿的缺陷，采用牵引变压器副边三相分相补偿方法，设计牵引变电站用静止无功补偿系统。提出了在牵引变电站TCR+FC 型SVC 三相补偿方式下的系统设计方法，阐述了SVC 三相分相补偿方法的原理和控制实现方法，搭建了牵引变电站用SVC 控制仿真系统。仿真分析结果表明该方法可以在牵引变压器原边采用分相补偿控制方法实现牵引变压器原边的负序电流消除和单位功率因数，具有一定的有效性和可行性。

      1. 引言

      铁路是国民经济的大动脉，铁路运输是我国重要的运输方式之一。牵引供电网的电能质量问题日益受到广泛的关注，因此研究并解决这些问题，发展适合高速铁路的新型电能质量治理装置十分必要而且很有意义。目前关于电气化铁路谐波治理的技术已经趋于成熟，但对于负序的治理仍存在很多问题。国内外学者致力于研究、寻求针对电气化铁路牵引电网出现的谐波、无功、负序等问题的解决方法，辅以一定的控制设备、装置，以解决谐波、无功、负序等电能质量问题。

      文献[6]采用基于H桥串联的链式STATCOM补偿方案，基于H 桥加变压器级联的方法，实现无功负序综合补偿，但系统结构复杂，控制困囊，造价昂贵文献[7]采用基于APF 的牵引变电站副边两相低压侧补偿方案，实现谐波消除和无功补偿，但适用的电压等级有限，装置体积大，补偿容量有限。文献[8]采用基于TCR+FC 的SVC 牵引变电站副边两相补偿方案，实现谐波消除和无功补偿，但不能消除负序电流。文献[9]采用基于TCR+FC 型SVC 的牵引变压器原边三相补偿方案，实现无功，谐波和负序的综合治理，由于装置谐波通过变压器，严重影响变压器的性能。

      2. 牵引变压器副边SVC 三相补偿原理

      牵引变电站所接负荷为牵引机车，为单相负荷。采用常规补偿手段，如固定电容器，TSC 分级投机等，可使每个单相桥臂具有较高的功率因数。陕西省重点学科建设专项资金资助项目(105-00901) 采用副边SVC单相补偿的方法，理论上可实现单相单位功率因数运行。但是，从牵引变压器原边三相功率综合分析，系统中存在大量负序电流，采用V-V牵引变压器时，在一个桥臂机车最大功率运行，另一个桥臂空载运行这一极限情况时，负序电流近似等于正序电流。

      牵引变压器采用三相Y/Δ 型，Scott 型，阻抗匹配平衡型等其他方式可以减少负序电流，但不能完全除负序电流。因此，负序电流的消除必须从三相功率的角度整体分析解决。另外，由于电力机车运行状态的随机性，必须采用动态补偿的方法才能取得理想的无功功率综合补偿效果。

      与传统单相补偿系统不同的是，三相补偿系统在两个牵引边桥臂之间新加入一单相补偿系统，与原有两桥臂两相补偿系统一并构成三相补偿系统。

      每一相SVC 补偿系统均有TCR 和FC 两部分构成，其中FC 设计为兼具滤波功能的LC 型滤波器，在输出容性无功功率，提高功率因数的基础上可消除机车运行所产生的谐波电流，提高牵引变电站供电质量，提高牵引系统稳定性和安全性。TCR 为连续可调节的电抗器，用于快速输出感性电流，抵消机车运行中快速变化的无功功率。

      牵引变压器副边三相补偿用SVC 控制器采集牵引变压器原边三相电压和电流，采用合适的负序电流抑制算法，直接对原边的正序无功电流和负序电流进行消除。

      3. 系统设计

      SVC 控制器采用外开环，内部闭环的分相控制方式，系统最小响应时间5ms，最大响应时间10ms，典型调节时间40ms。详细的实现原理见第四部分。

      4. SVC 分相补偿控制器

       4.1 分相补偿原理

      牵引变电站的接线方式，机车负载可以等效为三相阻抗不等的电网络，分相补偿原理是寻找一个无源阻抗网络，通过该无源阻抗网络可使三相阻抗不等的电网络变成为三相阻抗平衡网络，并且整个电网络呈现纯阻性。以α 桥臂上有机车，β 桥臂上无机车运行状态为例，此时机车负载的等效电网络，式1为机车三相负载的阻抗，采用分相补偿方法后的等效电网络，式2 为分相补偿后的三相电网的阻抗

      控制器采用电压和三相电流综合控制的方法，通过引入电压前馈控制，一方面提高系统电压稳定度，另一方面可加快控制器响应速度。电流环采用基于对称分量法的三相有功平衡和无功补偿的电流平衡综合补偿算法。

      式4 为负载导纳的有效值，不能直接测量，因此SVC 控制器采集系统电压和系统电流的瞬时值，对负载导纳进行间接测量。由于系统电压和电流通常包含一定的谐波分量，因此首先采用ip-iq 基波提取算法提取系统基波电压和基波电流的瞬时值。接着通过对称分量法分别计算系统总导纳和TCR 导纳，间接得到负载导纳。最后，通过调整TCR 导纳，使系统三相电导相等，三相电纳为零，实现分相补偿。在系统电压和系统导纳之间引入前馈控制，可同时调节系统电压期望值。由于TCR触发角度和输出之间呈非线性关系，通过输出线性化的方法将SVC 系统转化为线性系统，提高SVC 控制器的响应速度和控制精度。SVC 控制器系统主要实现部分如下：1)ip-iq 基波提取算法。

      4.2 系统仿真

      搭建matlab/simulink 平台下的牵引变电站三相不平衡SVC 补偿控制仿真系统。模拟的机车负载运行状况如下：

      1)在0.2s 之前，两段母线上均无机车负载;

      2)在0.2s，一段母线上运行最大机车负载，另一段无负载;

      3)在0.3s，两段母线上均运行最大机车负载。

      这里分别采用两相单相补偿方法和三相分相补偿方法，进行比较分析。为便于分析比较，仿真波形中系统电压和电流采用标幺量，选取系统相电压峰值和系统电流峰值为标幺基准值图5 为牵引变电站采用两套单相SVC 进行两相单相补偿后的两相电压电流波形。

      5. 结论

      本文介绍了一种用于牵引变电站的TCR+FC 型三相SVC 系统。该系统从牵引变压器副边进行三相分相无功功率补偿，消除了机车单相负荷所产生负序电流分量对牵引供电网的影响。仿真结果表明了所提出的牵引变电站用SVC 系统设计方法和牵引变电站三相分相补偿SVC 控制器控制方法的有效性和可行性。