电气化铁路电能质量综合治理装置的信号检测算法的制作方法

本发明涉及一种电力电子的技术，特别涉及一种电气化铁路电能质量综合治理装置的信号检测算法。

背景技术：

电气化铁路牵引供电网的供电可靠和安全性是电力机车安全、可靠、经济运行的重要保障。而电力机车作为一种特殊的电力负荷，其采用单相供方式，在未采取补偿措施时不可避免地向上级电力系统注入负序电流；由于电力机车负荷为整流驱动和具有随机性，同时带来了无功、谐波、电压波动等电能质量问题严重恶化了牵引供电网及其上级电力系统的电能质量。其中，负序电流增大同步电机的附加损耗、降低变压器出力、引起继电保护装置误动等；谐波电流引起发电机、变压器、输电线路附加损耗，并可能产生谐波放大烧毁电力设备；无功功率不足增加输电线路损耗，降低电压水平。给电力系统和牵引网的安全可靠供电带来了挑战。因此，必须采取有效的治理措施，对牵引供电网的电能质量进行控制，使其处于允许范围内，以保证电力系统和牵引网安全可靠供电。

目前国内外提出的电气化铁路负序、谐波和无功综合补偿方法可以分为主动治理和被动治理两类。主动治理方法主要有：(1)规划时增大牵引网容量，提高牵引网电能质量问题容忍能力；(2)牵引变电所进线换相接入，可明显降低因牵引网单相供电产生的负序；(3)采用平衡牵引变压器降低负序；(4)采用交直交型电力机车，可有效降低机车谐波含量，且功率因数接近1，但不能解决负序问题。被动治理方法主要有：(1)无源补偿器。主要是静止无功补偿器(staticvarcompensator，svc)；(2)有源补偿器。主要有单相接入的有源电力滤波器(activepowerfilter，apf)、三相接入的静止同步补偿器(staticcompensator，statcom)、两相接入的铁路功率调节器(railwaypowerconditioner，rpc)及各种变型结构。但是这些方式或技术只能部分改善电能质量，无法有效解决电气化铁路中严重存在的负序问题。

2002年，日本在新延伸的东北新干线每个牵引变电所安装了20mva/60kv的商用铁路功率调节器(railwaystaticpowerconditioner，rpcs)。rpcs采用两个电压源型变流器(vsc)组成背靠背结构，直流侧共用电容，交流侧分接于牵引变电所两供电臂。具有有功电流转移、无功补偿、稳定牵引网电压和滤波谐波等功能。运行结果表明，rpc在稳定牵引系统供电电压和谐波治理方面，效果很好，如图1所示电气化铁路电能质量综合治理装置简化原理图。

基于上述原因和现有市场产品的缺陷和不足，提出一种电气化铁路电能质量综合治理装置(rpc)，它具有有功电流转移、无功补偿、稳定牵引网电压和滤波谐波等功能。运行结果表明，rpc在稳定牵引系统供电电压和谐波治理方面，效果很好，可以替代目前采用的tcr+fc，svc等方案，其市场前景巨大。传统的检测方法分别检测有功、无功、谐波电流并分别补偿，检测繁杂且算法复杂，对于rpc需要有适合有效的信号检测算法来适应其运用。

技术实现要素：

本发明是针对rpc运用需要精确的信号检测的问题，提出了一种电气化铁路电能质量综合治理装置的信号检测算法，可以达到补偿电流的精确获取，从而达到负序和谐波补偿的目的。

本发明的技术方案为：一种电气化铁路电能质量综合治理装置的信号检测算法，采用三项供电线原边a相电压方向为基准向量，使用软件锁相环得到供电次边臂a、b两端的相位数据，并将所得相位数据乘以供电次边臂a、b两端的瞬时电流，将他们做功率之和，功率之和的直流部分在数值上等于两供电次边臂负载基波电流峰值的平均值，将其乘以再分别与三项供电线原边的a、b相电压ua和ub经锁相环产生的同步信号相乘，就是补偿后供电次边臂a、b相电流值，再将其与a、b两相电流的瞬时值做差，得到补偿电流参考电流量。

所述求功率之和的直流部分具体步骤如下：

以母线a相电压为基准，经过供电变压器变压会有30°的相位偏移，

设a、b两供电臂负载瞬时电流ial和ibl分别为：

其中：ω为母线电流角速度，ialf和iblf为a、b基波电流有效值；ialh和iblh为a、b相第h次谐波电流有效值；φah和φbh为a、b相第h次谐波电流的相位，两供电臂的瞬时有功功率pa和pb为单臂负载瞬时电流与对应的电压经锁相环产生的电压同步信号相乘，有：

化简为：

pa和pb中的直流分量之和：

本发明的有益效果在于：本发明电气化铁路电能质量综合治理装置的信号检测算法，采用软件锁相环的设定可以便于更改补偿算法，也能节省材料费用。其次，采用巴特沃斯结合切比雪夫滤波器模型设计的低通滤波器实现直流分量的提取。能够准确的得到补偿电流参考电流量。

附图说明

图1为电气化铁路电能质量综合治理装置简化原理图；

图2为本发明负序和谐波电流检测图；

图3为未加任何补偿前，牵引变三相电流波形图；

图4为实行有功补偿时，牵引变三相电流波形图；

图5为本发明实行有功、无功补偿时，牵引变三相电流波形图。

具体实施方式

本发明电气化铁路电能质量综合治理装置的信号检测算法，采用三项供电线原边a相电压方向为基准向量，使用软件锁相环得到供电次边臂a、b两端的相位数据，并将它乘以供电次边臂a、b两端的瞬时电流，将他们做功率之和，功率之和的直流部分在数值上等于两供电次边臂负载基波电流峰值的平均值。将其乘以再分别与三项供电线原边的a、b相电压ua和ub经锁相环产生的同步信号相乘，就是补偿后供电次边臂a、b相电流值，再将其与a、b两相电流的瞬时值做差，就得到补偿电流参考电流量。通过实施本发明，可以达到补偿电流的精确获取，从而达到负序和谐波补偿的目的。

因为rpc的参考电流需要有功部分和无功部分，故设计以下电流检测电路，如图2所示，以母线a相电压为基准，经过v/v会有30°的相位偏移。

设a、b两供电臂负载瞬时电流ial和ibl分别为

其中：ω为母线电流角速度，国内50hz一般对应ω＝2π/50，ialf和iblf为a、b基波电流有效值；ialh和iblh为a、b相第h次谐波电流有效值；φah和φbh为a、b相第h次谐波电流的相位。两供电臂的瞬时有功功率pa和pb为单臂负载瞬时电流与对应的电压经锁相环(phaselockedloop，pll)产生的电压同步信号相乘，有：

进一步化简为：

pa和pb中的直流分量之和：

经低通滤波后(巴特沃斯和切比雪夫基础上的改良型，改善了巴特沃斯阻带下降慢和切比雪夫有纹波的问题，实现直流分量的提取)，功率之和的直流部分在数值上等于两供电臂负载基波电流峰值的平均值。将其乘以再分别与ua和ub经锁相环产生的同步信号cos(ωt)和cos(ωt-2π/3)相乘，就是补偿时a、b相电流值，(下面公式中)

式中ia和ib分别为经补偿负序和谐波后a相和b相供电臂的电流值。从上式可看出，a、b相供电臂电流包括了需将三相电流补偿为对称电流的有功和无功电流。再将三相侧a、b相电流的理论值减去a、b相供电臂电流，即得rpc中a、b相供电臂侧两变流器的补偿电流参考电流量：

将a、b两供电臂负载瞬时电流ial和ibl代入化简得

将kt×ica和kt×icb就是补偿电流ica′和icb′，rpc补偿要在降压变压器次级测补偿，所以×kt，kt为降压变压器变比。

如图3为未加任何补偿前，牵引变三相电流波形图；图4为实行有功补偿时，牵引变三相电流波形图；图5为本发明牵引变三相电流波形图。本发明达到补偿电流的精确获取，达到有效的负序和谐波补偿。