電鐵綜合補償電流實時檢測方法研究

2010-09-21 11:25:46陸子清

電氣化鐵道 2010年6期

陸子清

0 引言

電氣化鐵道的電力機車負荷一般均是通過降壓變壓器接入電力系統線-線間的單相負荷，當單相功率較大時，可使三相電力系統的電流和電壓產生不平衡；另外，機車為整流型，則牽引電流波形還可因整流產生畸變。對于上、下半周對稱的非正弦波形，其諧波僅含奇次高次諧波，尤以3次諧波含量最大。整流式電力機車的功率因數約為 0.8～0.84，加上牽引網和主變壓器的無功消耗，歸算至牽引變電所一次側的平均功率因數約為0.75[1]。有源電力濾波器是一種用于動態抑制諧波和補償無功的電力電子設備，它能對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進行補償，其應用可以克服LC濾波器等傳統的濾波和無功補償方法的缺陷。有源濾波器工作的起始端是指令電流檢測電路，即檢測出電流中的諧波和無功等電流分量，然后把需要補償的電流信號傳給下一級電路，因此有源濾波器進行補償的關鍵是電流檢測電路[2]。目前較成熟的瞬時無功功率理論，旨在補償三相系統諧波和無功電流。如果能將成熟的諧波和無功電流檢測技術加以改造，使之應用于牽引供電系統中含量較大的負序、諧波和無功電流檢測中，則具有很大意義。本文基于瞬時無功功率理論，針對牽引供電系統中含量較高的負序電流和含量較高的諧波和無功電流，提出了2種檢測方法，即基于瞬時無功功率理論的單相檢測法和有功電流分離法。理論分析和仿真表明：2種方法都能夠利用傳統的諧波和無功電流檢測理論來實現對牽引供電系統中負序、諧波和無功電流的檢測，且具有實時性好，檢測精度高的特點。

1 基于有源濾波器補償的牽引供電系統

牽引變壓器向上下行線路的2條供電臂供電，如使兩輸出側相電壓相位角為90°，雖不是各相之間相位角為2π/m（m表示相數）的各相對稱系統，卻是一個平衡系統。當兩相負荷相等、功率因數相等時，原邊三相電流將組成三相對稱系，通常將三相變換為相位相差90°的兩相系統，并能保持原邊三相電流平衡的變壓器稱為平衡變壓器。故平衡變壓器具有變壓和換相功能，適用于鐵道牽引供電系統[3]。

圖1表示裝有有源濾波器的牽引變電所，其中牽引變壓器采用Scott接線平衡變壓器，左邊為M座變壓器，右邊為T座變壓器，T座變壓器的一邊由M座變壓器繞組的中點引出，T座變壓器的繞組匝數是M座變壓器的倍[6]。APF為有源濾波器，其工作電路包括指令電流運算電路（檢測電路）、補償電流發生電路。檢測補償對象的電流，經指令電流運算電路計算出補償電流的指令信號，該信號經過補償電流發生電路放大得出補償電流，補償電流與負載電流中要補償的諧波和無功等電流相抵消，最終得到所需要的電流。在圖1中，2個有源濾波器共用一個直流電源，起到傳遞有功分量的作用。因此，電容 C是變壓器兩副邊繞組的能量傳輸通道，2個端口均需要電容C進行能量的緩沖與交換[5]。

圖1 牽引供電系統綜合補償裝置框圖

2 負序諧波與無功補償電流檢測

2.1 基于瞬時無功功率理論的單相檢測法

目前比較成熟的基于瞬時無功功率檢測方法是基于三相電路的，而對于電氣化鐵道單相電路的檢測可以考慮通過單相構造三相的思路，更簡單的是可以直接從單相電流構造α，β兩相電流即令iα=is，延時90°為iβ，其檢測結構框圖如圖2所示。

圖2 基于瞬時無功理論的單相檢測圖

根據瞬時無功功率理論：三相電路瞬時有功電流ip和瞬時無功電流iq分別為矢量i在矢量e及法線上的投影。即

2.2 有功電流分離法

電壓沒有畸變時，電壓為

電流為

式中，

式中，ip為基波有功電流，ip=i1cosφ1sin(ωt)，iq為基波無功電流，iq=i1sinφ1cos(ωt)，ih為諧波電流，

將式（8）兩邊同乘以2sinωt得：

同理將式（8）兩邊同乘以2cosωt得：

由式（9）、式（10）可知，采用低通濾波器（LPF）可得到Ip，Iq，采用鎖相環（PLL）產生與電源電壓同步的標準 sinωt，cosωt函數，可得到ip，iq。電源濾波器可以根據用戶的選擇，對諧波和無功電流同時進行補償或只對諧波進行補償。如果對諧波和無功電流同時進行補償，則只需分離出基波有功電流作為補償電流，算法更簡單。框圖如圖3所示。此時的鎖相環可以去掉，而通過控制電路產生與電網電壓頻率相等，相位相同的正余弦信號，在實現時，讓控制系統內部產生的與電網電壓同頻的正余弦信號參與計算，這樣實現起來更加簡單。