专利名称：电气化铁路电能质量综合补偿系统及其控制方法
技术领域：
本发明涉及一种电气化铁路电能质量综合补偿系统及其控制方法。
背景技术：
电气化铁路中的电力机车负荷由于具有非线性、功率因数低和引起三相不平衡的特点，不仅严重影响电气化铁路牵引供电系统本身的电能质量，还影响到铁路沿线周边的电力用户的供电质量。因此必须对电气化铁路的负序、谐波和无功等电能质量问题采取有效的治理措施。
对电气化铁路的无功和谐波问题普遍采用无源滤波器进行特定次数谐波的滤除，并提供固定容量的无功补偿。但无源滤波器只能对特定次数的谐波进行治理，并存在易与电网阻抗发生谐振造成谐波放大的缺点。有源滤波器能对电气化铁路谐波进行动态抑制，但无法消除电气化铁路中的负序电流。电气化铁路系统广泛采用换相接入的方式来消除负序电流，该方法依赖于机车运营情况，负序消除能力有限。铁路静止功率调节器(Railway Static PowerConditioner，RPC)包括共用一直流电容的两变流器，形成背靠背结构，两变流器通过输出电感经单相降压变压器接入牵引网两供电臂。RPC可对电气化铁路的负序、谐波和无功等电能质量问题进行综合治理，但对RPC容量的需求过大，给工程设计带来较大的难度，且成本较高。现有技术中有晶闸管控制投切电容器TSC可大容量无功有级调节，成本较低。
发明内容
针对上述现有技术存在的缺陷，本发明目的是提出一种电气化铁路电能质量综合补偿系统及其控制方法，实现电气化铁路负序、无功和谐波的综合治理，降低铁路静止功率调节器RPC容量，降低工程设计难度，进而降低补偿装置成本。
本发明解决上述技术问题的技术方案是一种电气化铁路电能质量综合补偿系统，包括由两个共用一直流侧电容的背靠背结构形式的变流器组成的铁路静止功率调节器，所述铁路静止功率调节器的输出电抗经单相三绕组降压变压器安装于斯科特牵引变压器二次侧的a、b相两供电臂之间，本发明特征在于，还包括两组晶闸管控制电容器，所述单相三绕组降压变压器原边为一个绕组，副边有两个绕组；铁路静止功率调节器和一组晶闸管控制电容器分别接在单相三绕组降压变压器副边的两绕组上。
其中两组晶闸管控制电容器分别由电容器组Ca1，...Can和另一电容器组Cb1，...Cbn构成，电容器组Ca1，...Can安装在与电压相位超前的a相供电臂连接的单相三绕组降压变压器下，电容器组Cb1，...Cbn安装在与电压相位滞后的b相供电臂连接的单相三绕组降压变压器下。
相应地，本发明还提出了一种与上述补偿系统相应的控制方法，包括如下步骤对安装于斯科特牵引变压器二次侧的a、b相供电臂负载电流进行实时计算，将有功和无功分离，得到铁路静止功率调节器的负序和谐波补偿量，以及负载需要的总无功补偿量；再将总无功补偿量进行分配，得到铁路静止功率调节器和晶闸管控制电容器分别需要的无功补偿量；铁路静止功率调节器的总补偿量为负序、谐波和无功补偿量的叠加量；铁路静止功率调节器的补偿电流量确定后，兼顾其直流侧电压稳定控制，选择直接电流跟踪控制；晶闸管控制电容器根据无功分配确定其补偿电流后可以直接得到其投切组数，发出驱动信号进行投切。
其中RPC的具体控制过程为 直流侧电压的跟踪误差经PI调节后，分别与a、b相供电臂电压的同步信号sinωt和
相乘，得到RPC中a、b相变流器的有功指令，并与负序、谐波和无功补偿电流参考指令叠加，得到RPC两变流器的电流参考指令ica*和icb*； 2)以电流参考指令ica*和icb*作为跟踪目标，选取滞环比较控制方法实现RPC两变流器电流跟踪。
本发明的工作原理详细描述如下 电气化铁路电能质量综合补偿系统中包括有源装置铁路静止功率调节器RPC，所述铁路静止功率调节器包括共用一直流侧电容的背靠背结构形式的两变流器，其输出电抗通过单相三绕组降压变压器安装在斯科特牵引变压器二次侧的两供电臂之间。所述补偿系统还包括两组晶闸管控制电容器，两组晶闸管控制电容器TSC与铁路静止功率调节器RPC并联，分别接在两单相三绕组降压变压器二次侧下。单相三绕组降压变压器原边为一个绕组，副边有两个绕组；铁路静止功率调节器、晶闸管控制电容器分别接在单相三绕组降压变压器副边的两绕组上。其中，两组TSC分别进行其所在供电臂的无功功率的大部分补偿，RPC容量主要用来平衡两供电臂有功功率和抑制谐波，这样就有效降低了有源装置RPC的容量，由于晶闸管控制电容器TSC的成本相对降低，在降低RPC容量的同时使得系统的成本得到降低。
相应地，提出了针对所述综合补偿系统的控制方法，包括以下方面 1)RPC与TSC协调控制对a、b相供电臂负载电流进行实时计算，将有功和无功分离，得到RPC的负序和谐波补偿量，以及负载需要补偿的总无功量。再将需补偿的无功量进行分配，得到RPC和TSC分别需要补偿的无功量。RPC的补偿量为负序、谐波和无功补偿量的叠加量。RPC的补偿电流量确定后，兼顾其直流侧电压稳定控制，选择直接电流跟踪控制。TSC根据无功分配确定其补偿电流后可以直接得到其投切组数，发出驱动信号进行投切。
2)负序、谐波和无功检测及无功分配。包括以下步骤 (1)对a、b相供电臂电压的锁相环检测，分别得到与a、b相电压的同步交流信号sinωt和sin(ωt-π/2)，及其滞后π/2的交流信号sin(ωt-π/2)和sin(ωt-π)。
(2)将两臂电流平均峰值乘以a、b相供电臂电压同步单位信号，分别得到两相的有功电流瞬时值。
(3)将两相的有功电流瞬时值相加，通过低通滤波器后其输出大小等于两供电臂有功电流峰值的平均值。
(4)将此平均值乘以a、b相电压同步信号，即得到理想补偿时两供电臂的实时电流。
(5)a、b相供电臂理想补偿时的实时电流减去检测到的两相供电臂负载实时电流，即得到总的负序、谐波和无功补偿量。
(6)将两相供电臂负载实时电流分别乘以滞后于电压π/2相位的单位信号，分别得到两相的无功电流瞬时值。
(7)两相的无功电流瞬时值经低通滤波器后，其输出分别等于两供电臂无功电流峰值的一半。乘以2后，即可得到a、b相供电臂负载无功电流的峰值ILaq和ILbq。
(8)由a、b相供电臂负载无功电流的峰值ILaq和ILbq，根据RPC与TSC无功分配规则进行RPC与TSC无功补偿量分配。RPC与TSC无功分配规则如下 对于a相 当ILaq＜0时，则 ma＝0，Iaq＝ILaq； 当ILaq＞0时，则 Iaq＝ILaq-maITSC； 对于b相 当ILbq＜0，则 mb＝0，Ibq＝ILbq； 当ILbq＞0时，则 Ibq＝ILbq-mbITSC。
上述规则中，[]表示取整，Iaq、Ibq为a相分配给RPC补偿无功电流的峰值，ILaq、ILbq为a相供电臂无功电流的峰值，ma、mb分别为a、b相供电臂侧TSC组分别投切的组数，ITSC为每组TSC所补偿的无功电流峰值； (9)RPC要补偿极性相反的无功，RPC为a相和b相供电臂补偿的实时无功电流量为 iaq＝-Iaq sin(ωt-π/2) ibq＝-Ibq sin(ωt-π) (10)通过无功分配后，可以得出a、b相多组TSC的投切组数和RPC无功补偿量。RPC无功补偿量和负序与谐波补偿量叠加，即可得到RPC的总补偿量。
3)RPC的控制，包含以下步骤 (1)直流侧电压的跟踪误差经PI调节后，分别与a、b相供电臂电压的同步信号sinωt和
相乘，得到RPC中a、b相变流器的有功指令，并与RPC的总补偿量叠加，得到RPC两变流器的实际电流参考指令ica*和icb*。
(2)以参考指令电流ica*和icb*作为跟踪目标，RPC两变流器电流跟踪选取滞环比较控制的直接电流跟踪控制方法，保证两变流器具有较快的响应速度。
本发明的技术效果在于利用TSC进行绝大部分的无功有级调节，RPC只需进行极少量的无功连续调节，其容量主要用来进行有功调节以补偿负序电流，并抑制谐波。因此新型补偿系统中RPC的容量大大降低，充分利用了TSC的低成本特点，装置成本大大降低，能满足重载电气化铁路的综合补偿。控制方法有效协调了RPC与TSC的工作，使系统稳定可靠运行。
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为现有技术中RPC结构图； 图2为电气化铁路电能质量综合补偿系统的结构图； 图3为RPC与TSC协调控制原理图； 图4为负序、谐波和无功检测及无功分配原理图； 图5为本发明所述控制方法中RPC控制原理图。
具体实施例方式 参见图1，为铁路静止功率调节器RPC的结构图，包括共用一直流侧电容C的背靠背结构形式的两变流器，其输出电抗通过降压变压器接入牵引网两供电臂，通过控制两变流器可实现功率的双向流动，可实现负序、谐波和无功综合补偿，但容量需求较大。
参见图2，为电气化铁路电能质量综合补偿系统的结构图，包括一个有源装置铁路静止功率调节器RPC、两组晶闸管控制电容器TSC。两组晶闸管控制电容器TSC分别由电容器组Ca1，...Can和另一电容器组Cb1，...Cbn构成，电容器组Ca1，...Can安装在与电压相位超前的供电臂连接的单相三绕组降压变压器下，电容器组Cb1，...Cbn安装在与电压相位滞后的另一供电臂连接的单相三绕组降压变压器下。单相三绕组降压变压器原边为一个绕组，副边有两个绕组；铁路静止功率调节器、晶闸管控制电容器分别接在单相三绕组降压变压器副边的两绕组上。所述补偿系统的补偿原理如下所述。
定义图2中右侧和左侧两个供电臂分别为a相和b相。设a、b相供电臂负载基波功率分别为 其中，SLa和SLb分别为a、b相供电臂负载基波功率，Pa和Qa分别为a相供电臂的负载有功和无功功率，Pb和Qb分别为b相供电臂的负载有功和无功功率，其中Qa和Qb均大于0。
要补偿负序和无功，则补偿系统在a、b相供电臂要吸收的功率分别为 其中补偿功率中的有功部分由铁路静止功率调节器RPC进行调节，RPC从a、b相供电臂转移
大小的有功功率由轻载侧向重载侧供电臂转移；无功功率则由多组TSC和RPC共同补偿。设每组TSC所补偿的无功功率容量为-jQTSC(负号表示容性无功)，两供电臂侧的TSC组数均为M。则a、b相供电臂侧TSC组分别投切的组数分别为 其中，[]表示取整，且ma和mb均小于M。则RPC分别向a、b相补偿的无功功率为 容易发现，RPC分别向两供电臂补偿的无功量要小于单组TSC的无功容量，因此RPC容量得到有效降低。当a、b相供电臂的有功相等、功率因数为1时，即实现了负序和无功补偿。
对于机车负载的谐波，由RPC进行动态抑制，分别根据a、b两供电臂负载的谐波，发别在a、b相供电臂产生大小相等、相位相差180度的谐波电流进行抵消。
因此，利用多组TSC降低了RPC的无功部分的容量，该系统可以应用于重载电气化铁路进行负序、无功和谐波抑制。
参见图3，图3为RPC与TSC协调控制原理图。原理如下通过对a、b相供电臂负载电流进行实时计算，将有功和无功分离，得到RPC的负序和谐波补偿量，以及负载需要补偿的总无功量。再将需补偿的无功量进行分配，得到RPC和TSC分别需要补偿的无功量。RPC的补偿量为负序、谐波和无功补偿量的叠加量。RPC的补偿电流量确定后，兼顾其直流侧电压稳定控制，选择直接电流控制。TSC根据无功分配确定其需要补偿的无功量后可以直接得到其投切组数，发出驱动信号进行投切。因此就完成了RPC与TSC的协调控制。参见图4，为负序、谐波和无功检测及无功分配原理图。原理如下以a相供电臂电压为基准，设a、b相供电臂电流为
上式中，ILa和ILb分别为a相和b相负载基波电流的有效值，
和
分别为a、b相基波电流的滞后相角；ILah和ILbh分别为a相和b相负载第h次谐波电流的有效值，
和
分别为a、b相第h次谐波电流的滞后相角。
由斯科特变压器的特性可知，b相供电臂电压滞后a相π/2。通过对a、b相供电臂电压的锁相环检测，分别可以得到与a、b相电压的同步交流信号sinωt和sin(ωt-π/2)，及其滞后π/2的交流信号sin(ωt-π/2)和sin(ωt-π)。
a相负载电流与a相电压同相位的电压相乘，化简可以得到iLa·sinωt
从式(6)中看到，乘积的直流部分只有
这是a相负载有功电流峰值的一半。同样，b相负载电流与b相电压同相位的电压相乘后其直流部分为b相负载有功电流峰值的一半。因此，两相电压信号和实时电流相乘后再相加，经低通滤波器后，其值为两相有功电流峰值和的一半，这应该是补偿后a、b相供电臂电流峰值的理想值。也就是说，补偿后a、b相供电臂电流均为有功，且大小为两供电臂电流值的一半。将两臂电流平均峰值乘以a、b相供电臂电压同步信号，即得到两相的有功电流瞬时值。由于RPC并不承担所有的无功补偿，因此将无功电流分离检测出来，与有功电流叠加，再与a、b相供电臂负载电流相减，得到RPC补偿电流的负序和谐波参考量。因为已将无功电流减去，负序与谐波参考量中并不包含无功补偿参考量。RPC无功补偿量根据无功分配得到。
从图4可以看到，无功电流的检测方法如下 a相供电臂负载电流与滞后a相供电臂电压π/2的单位交流信号相乘，化简可以得到
从式(7)可以看到，乘积结果的直流部分为
即为a相负载无功电流峰值的一半，经低通滤波器把直流分量滤除出来，乘以2后即为a相负载无功电流峰值。同理，b相供电臂也是如此，乘积后经低通滤波可以得到b相无功电流峰值的一半。乘以2后，即可得到a、b相供电臂负载无功电流的峰值。则
上式中，ILaq和ILbq分别为a、b相供电臂负载无功电流的峰值。
检测出a、b相无功电流后，一方面给负序和谐波检测提供无功信息，使负序与谐波补偿量中不含无功补偿量；另一方面给RPC与TSC无功补偿量进行分配提供决策信息。
从图4可以看到，a相负序与谐波参考量为
上式中，iaPNS_h表示a相负序与谐波补偿电流量。可以看到，得到的负序与谐波补偿量实际上只包含两供电臂的有功信息，不含无功信息。其含义是，RPC的负序补偿量为两供电臂有功电流差值的一半，谐波补偿量为负载谐波电流的负值。配合无功补偿即可将有功和无功引起的负序完全消除。
同理可得b相负序与谐波补偿量为
得到RPC负序与谐波参考量后，还需得到其无功参考量。从式(8)可见，检测出的感性无功电流值为正，容性无功电流为负。设每组TSC能提供的无功电流为-ITSC(ITSC＞0)。RPC与TSC无功分配规则如下 对于a相 当ILaq＜0时，则 ma＝0，Iaq＝ILaq； 当ILaq＞0时，则 Iaq＝ILaq-maITSC； 对于b相 当ILbq＜0，则 mb＝0，Ibq＝ILbq； 当ILbq＞0时，则 Ibq＝ILbq-mbITSC。
上述规则中，[]表示取整，Iaq、Ibq为a相分配给RPC补偿无功电流的峰值，ILaq、ILbq为a相供电臂无功电流的峰值，ma、mb分别为a、b相供电臂侧TSC组分别投切的组数，ITSC为每组TSC所补偿的无功电流峰值。
RPC要补偿极性相反的无功，故RPC为a相供电臂补偿的实时无功量为 iaq＝-Iaq sin(ωt-π/2)(11) 通过无功分配后，可以得出a、b相多组TSC的投切组数和RPC无功补偿量。RPC无功补偿量和负序与谐波补偿量叠加，即可得到RPC的总补偿量。
考虑到与RPC连接的降压变压器，RPC变流器的补偿量修正为 其中Ki为降压变压器变比。
至此，RPC的负序、谐波与无功实时补偿参考量就得到了，且得到TSC的投切组数。TSC通过控制器直接发出投切指令，经驱动电路至晶闸管，即可实现TSC的动态无功有级调节，配合RPC连续调节少量无功，即实现无功的大容量连续调节。
参见图5，为RPC控制原理图。直流侧电压的跟踪误差e经PI调节后得到ud，ud分别与a、b相供电臂电压的同步信号sinωt和
相乘，得到RPC中a、b相变流器的有功指令ida和idb，并将ida和idb与上述得到的RPC负序、谐波和无功补偿电流参考指令叠加，得到RPC两变流器的实际电流参考指令ica*和icb*。
通过直流侧电压由两变流器共同控制维持的方法，保证了两变流器两侧功率平衡，功率模块损耗由两供电臂分担。
RPC两变流器电流跟踪选取滞环比较控制方法，保证两变流器具有较快的响应速度。设开关器件V1开通时，变流器输出电流增大，V1关闭时，变流器输出电流减小。开关器件V1的控制电平为S1。则滞环比较控制方法为
上式中，Δi、H分别为电流误差和滞环环宽。
权利要求
1.一种电气化铁路电能质量综合补偿系统，包括由两个共用一直流侧电容的背靠背结构形式的变流器组成的铁路静止功率调节器，所述铁路静止功率调节器的输出电抗经单相三绕组降压变压器安装于斯科特牵引变压器二次侧的两供电臂之间，其特征在于，还包括两组晶闸管控制电容器，所述单相三绕组降压变压器原边为一个绕组，副边有两个绕组；铁路静止功率调节器和一组晶闸管控制电容器分别接在单相三绕组降压变压器副边的两绕组上。
2.根据权利要求1所述电气化铁路电能质量综合补偿系统，其特征是，所述两组晶闸管控制电容器分别由电容器组Ca1，...Can和另一电容器组Cb1，...Cbn构成，电容器组Ca1，...Can安装在与电压相位超前的a相供电臂连接的单相三绕组降压变压器下，电容器组Cb1，...Cbn安装在与电压相位滞后的b相供电臂连接的单相三绕组降压变压器下。
3.一种权利要求1或2所述电气化铁路电能质量综合补偿系统的控制方法，其特征是，包括如下步骤
1)对安装于斯科特牵引变压器二次侧的两供电臂a、b相供电臂负载电流进行实时计算，将有功和无功分离，得到铁路静止功率调节器的负序和谐波补偿量，以及需要的总无功补偿量；
2)再将总无功补偿量进行无功分配，得到铁路静止功率调节器和晶闸管控制电容器分别需要的无功补偿量；
3)所述负序、谐波补偿量和铁路静止功率调节器所分配的无功补偿量的叠加量为铁路静止功率调节器的总补偿量；
4)铁路静止功率调节器的总补偿量确定后，直流侧电压由两变流器进行电流跟踪共同控制，晶闸管控制电容器根据步骤2所述无功分配确定其补偿电流后可以直接得到其投切组数，发出驱动信号进行投切。
4.根据权利要求3所述电气化铁路电能质量综合补偿系统的控制方法，其特征是，所述铁路静止功率调节器负序、谐波和总无功补偿量的获得包括以下步骤
(1)对a、b相供电臂电压的锁相环检测，分别得到与a、b相电压的同步交流信号sinωt和sin(ωt-π/2)，及其滞后π/2的交流信号sin(ωt-π/2)和sin(ωt-π)；
(2)将两臂电流平均峰值乘以a、b相供电臂电压同步单位信号，分别得到两相的有功电流瞬时值；
(3)将两相的有功电流瞬时值相加，通过低通滤波器后输出大小等于两供电臂有功电流峰值的平均值；
(4)将两供电臂有功电流峰值的平均值乘以a、b相供电臂电压同步信号，即得到理想补偿时两相供电臂的实时电流；
(5)理想补偿时两相供电臂的实时电流减去检测到的两相供电臂负载实时电流，即得到铁路静止功率调节器的负序、谐波补偿量和总无功补偿量。
5.根据权利要求4所述电气化铁路电能质量综合补偿系统的控制方法，其特征是，所述无功分配包括如下步骤
(1)将两相供电臂负载实时电流分别乘以滞后于电压π/2相位的单位信号，分别得到两相的无功电流瞬时值；
(2)两相的无功电流瞬时值经低通滤波器后，其输出分别等于两供电臂无功电流峰值的一半，将其乘以2后，得到a、b相供电臂负载无功电流峰值ILaq和ILbq；
(3)得出a相供电臂负载无功电流的峰值ILaq和b相供电臂负载无功电流的峰值ILbq后，根据铁路静止功率调节器与晶闸管控制电容器无功补偿量的分配规则进行静止功率调节器与晶闸管控制电容器的无功补偿量分配。
6.根据权利要求5所述电气化铁路电能质量综合补偿系统的控制方法，其特征是，所述铁路静止功率调节器与晶闸管控制电容器的无功补偿量的分配规则为
对于a相
当ILaq＜0时，则
ma＝0，Iaq＝ILaq；
当ILaq＞0时，则
Iaq＝ILaq-maITSC；
对于b相
当ILbq＜0，则
mb＝0，Ibq＝ILbq；
当ILbq＞0时，则
Ibq＝ILbq-mbITSC
上述规则中，[]表示取整，Iaq、Ibq分别为a、b相分配给铁路静止功率调节器补偿无功电流的峰值，ILaq、ILbq分别为a、b相供电臂负载无功电流的峰值，ma、mb分别为a、b相供电臂侧晶闸管控制电容器组分别投切的组数，ITSC为每组TSC所补偿的无功电流峰值；
铁路静止功率调节器为a相和b相供电臂补偿的实时无功电流量分别为
iaq＝-Iaqsin(ωt-π/2)
ibq＝-Ibqsin(ωt-π)。
7.根据权利要求3所述电气化铁路电能质量综合补偿系统的控制方法，其特征是，步骤4中所述铁路静止功率调节器中两变流器进行电流跟踪选取滞环比较控制方法。
全文摘要
本发明公开了一种电气化铁路电能质量综合补偿系统及其控制方法。该系统包括铁路静止功率调节器RPC和两套晶闸管控制投切电容器TSC。晶闸管控制投切电容器承担大部分无功的补偿，RPC进行两供电臂有功调节、抑制谐波和补偿剩余小部分无功，因此RPC容量得到有效降低，并实现了负序、谐波和无功的综合补偿。所述控制方法包括RPC与TSC协调控制策略、基于无功分离的参考电流检测、无功分配方法和RPC控制方法。本发明公开的电气化铁路电能质量综合补偿系统以较低成本实现大幅提高电气化铁路电能质量，相应控制方法有效协调了RPC与TSC的工作并使系统具有较好的补偿性能，具有较好的应用前景。
文档编号H02J3/01GK101710707SQ20091022711
公开日2010年5月19日 申请日期2009年12月7日 优先权日2009年12月7日
发明者罗安, 吴传平, 王刚, 徐先勇, 马伏军, 孙娟, 张寅 申请人:湖南大学