基于YNvd平衡變壓器的電鐵背靠背SVG 補償系統研究

羅 毅，李 鶯，常 非

(1.四川理工學院自動化與電子信息學院，四川自貢643000;2.西南交通大學電氣工程學院，四川成都610031)

0 引言

電氣化鐵道的牽引供電系統一直存在著無功、負序、諧波等方面的技術問題。為解決此類問題，通常采用靜止無功補償器(static var compensator，SVC)裝置來進行治理，SVC雖然能夠動態補償諧波和無功，但幾乎無法解決負序問題。本文給出了一種基于新型YNvd(星形–開閉三角形)平衡變壓器的背靠背靜止無功發生器(static var generator，SVG)補償方案，兩個SVG通過直流耦合電容C背靠背連接在一起。如果兩臂的負荷相差較大，中間的電容便可以根據負荷的差值進行功率傳遞，使2個供電臂的負荷基本相同［1-2］。這樣，通過平衡變壓器將負荷等效到系統一次側就成為對稱負荷，從而可以解決負序問題。還能兼補牽引負荷引起的諧波和無功問題，達到電能質量的綜合治理。

1 系統方案

背靠背SVG補償系統原理框圖如圖1所示。平衡變壓器采用YNvd接線方式，變壓器二次側的兩牽引母線上連接2臺單相換流器，并與直流環節相連，即為潮流控制器。SVG1，SVG2通過直流耦合電容C背靠背連接在一起。

圖1 背靠背SVG補償系統原理框圖Fig.1 Principle diagram of back-to-back SVG compensation system

YNvd變壓器接線原理圖如圖2所示。因這種變壓器二次側的2個輸出回路在電氣上沒有聯系，而且沒有互感耦合關系，所以一相負荷的增減不會造成另一相的輸出電壓變化。在不設置阻抗匹配的情況下就能得到較好的輸入、輸出特性。變壓器二次側的三角形繞組能讓三次諧波勵磁電流流通，從而極大地改善電壓波形。在保證平衡的條件下，理論上完全能夠使兩電壓輸出端口的輸入阻抗平衡。當一相負載變化時，另一相的電壓輸出不會受到影響［3-4］。

圖2 YNvd接線原理圖Fig.2 YNvd wiring schematic diagram

YNvd變壓器電流變換關系式為

根據對稱分量法可得:

從(2)式可以看出，YNvd平衡變壓器可使電力系統側的零序分量為0，兩臂負荷電流在對稱條件下，平衡變壓器能夠將負序對電力系統側的影響完全消除，這樣使得變壓器原邊的三相電流對稱。

2 潮流控制器主電路結構

電氣化鐵路的牽引負荷和一般電力負荷相比，最主要的不同就是牽引負荷不對稱。兩電平潮流控制器能夠讓牽引負荷功率交換到牽引變壓器的不同負荷端口，并對牽引負荷產生的無功功率與諧波均予以補償，實現電能質量的綜合治理。

針對YNvd接線的平衡變壓器，由于其兩端口接線角相差±90°，潮流控制器采用2個單相四象限電壓源換流器通過直流耦合電容C背靠背連接在一起，結構如圖3所示。

圖3 兩電平潮流控制器結構Fig.3 Structure of two-level power flow controller

3 兩電平潮流控制器控制原理

3.1 單相電路諧波電流與無功檢測

該方法首先利用單相鎖相環得到與牽引網電壓信號同相位的正、余弦信號。然后分別與牽引網的負載電流相乘，經過低通濾波器得到牽引網電流中的瞬時有功電流和瞬時無功電流，再進一步得到瞬時諧波電流［5-6］。

(3)式中:I1為負載電流有效值;φ為功率因數角;為負載電流瞬時有功分量;為負載電流瞬時無功分量;φ2n－1］為負載電流瞬時諧波分量。

(3)式兩邊同乘以2sinωt得

同理，(3)式兩邊同乘以2cosωt得

由上述分析可知，電流擴大2倍，乘以sinωt，通過低通濾波器后可得到，再乘以 sinωt就得到ip;同理可以得到iq。為實現兩牽引供電臂負載之間的有功平衡，可采取將兩牽引臂有功電流相加之后再“平攤”的辦法，之后對兩相負載分別進行補償。圖4為綜合補償框圖。

圖4 負序、無功、諧波綜合補償框圖Fig.4 Comprehensive compensation diagram of negative sequence，reactive power and harmonics

只有在直流側的電容電壓Ud保持不變的前提條件下，脈寬調制(pulse width modulation，PWM)變流器才能正常工作，而在工作過程中，變流器存在能量損耗，會造成電壓Ud降低。為維持Ud恒定，設置了一個比例—積分(proportional integral，PI)控制器，用以檢測直流側電壓。

圖4中直流側電壓的給定值Uref與實際值Udc經過比較，將電壓偏差送入PI調節器，輸出電流調節信號Δip，將Δip與檢測出來的有功電流的直流分量進行疊加，這樣兩變流器的指令電流信號中就都含有有功電流分量，進而補償系統的補償電流中也含有一定的有功電流分量，從而使補償系統的直流側與交流側交換能量，將Udc維持在給定值。

3.2 三角載波電流控制

常用的電流直接控制，即跟蹤型PWM控制技術主要有滯環控制和三角載波控制［7］2種。滯環控制方式中，滯環寬度通常是固定的，則電流跟隨誤差范圍也就固定，但是器件的開關頻率是變化的。三角載波控制的優點在于開關頻率固定，且等于三角載波的頻率。

圖5是三角載波電流控制原理框圖。先將實際輸入電流iαcf，iβcf與兩電平潮流控制器的指令電流iαc，iβc分別進行比較，得到的差值送入 PI調節器處理。PI調節器的輸出電壓uα，uβ作為變流器輸出電壓的給定值，再和多電平三角載波進行邏輯判斷，最后得到功率器件的開關信號，從而驅動變流器工作［8］。

圖5 三角載波電流控制原理框圖Fig.5 Principle diagram of triangular carrier current control

4 系統仿真

根據背靠背SVG補償系統方案，平衡變壓器采用YNvd方式接線，建立了系統的Matlab/simulink仿真模型。系統仿真參數設置為:直流側電壓Udc=3 000 V，隔離變壓器變比KT=27 500/1 770 V，三角載波頻率fc=2 KHz，直流側支撐電容C1=C2=0.1 F，兩電平VSC交流側電感參數L1=L2=2 mH。牽引負荷電流波形、直流側電壓波形、補償后平衡變壓器二次側電流波形、補償前后系統側電流波形的仿真結果如圖6—10所示。

1)負序、無功補償的分析

從圖8可以看出，補償后牽引變壓器副邊兩端口各承擔1/2的有功功率，平衡變壓器二次側兩相電流的大小相等，相位相差90°。再從圖9、圖10比較可以看出，補償前系統側電流不對稱，補償后系統側三相電流大小相等、相位互差120°，負序電流的影響完全消除。經測量模塊測算，補償之后系統側功率因數為0.998 9(趨近于1)，無功補償效果非常良好。

2)抑制諧波的分析

表1給出了依據國家標準相關規定，電氣化鐵道的牽引變電所允許注入電力系統的3－11次諧波電流值，以及基于YNvd平衡變壓器的背靠背SVG補償系統各次諧波電流的仿真值。兩者比較可以看出，仿真值遠遠小于允許值，表明補償系統抑制諧波的能力較強。

圖10 補償后電流波形Fig.10 Three-phase current waveform after compensation

表1 諧波電流允許值及仿真值Tab.1 Allowable value and simulation value of harmonic current

5 結論

仿真驗證了基于新型YNvd平衡變壓器的背靠背SVG補償系統不僅能夠實現兩牽引供電臂間的有功平衡，而且能夠補償無功和諧波，是一種較為理想的補償裝置。

［1］吳連.PWM技術在潮流控制器中的研究［D］.成都:西南交通大學，2010.WU Lian.Research on PWM Technology Used in Power Flow Controller［D］.Chengdu:Master degree thesis of Southwest Jiaotong University，2010.

［2］常非，李群湛，趙麗平，等.電氣化鐵路背靠背SVG補償系統方案研究［J］.鄭州大學學報(工學版)，2011，32(5):117-120.CHANG Fei，LI Qun-zhan，ZHAO Li-ping，et al.Research on Back-to-Back SVG Compensation Scheme Used in Electrified Railway［J］.Journal of Zhengzhou University(Engineering Science)，2011，32(5):117-120.

［3］付振宇，劉覺民，張彥林.瞬時檢測諧波及無功電流的單相有源濾波器研究［J］.電氣傳動，2006，36(3):29-31.FU Zhen-yu，LIU Jue-min，ZHANG Yan-lin.Research of a Single-phase Active Power Filter with Measure Harmonic and Reactive Current Instantaneously［J］.Electric drive，2006，36(3):29-31.

［4］楊博.同相供電裝置主電路研制［D］.成都:西南交通大學，2010.YANG Bo.Research on Main Circuit of Cophase Traction Power Supply System Device［D］.Chengdu:Master degree thesis of Southwest Jiaotong University，2010.

［5］歐陽帆，周有慶，郭自勇.基于平衡變壓器的電流平衡補償方法［J］.電工技術學報，2007，22(5):53-57.OU Yang-fan，ZHOU You-qing，GUO Zi-yong.A Compensation Method for Current Balance Based on Balance Transformer［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2007，22(5):53-57.

［6］王兆安，楊君，劉進軍.諧波抑制和無功功率補償［M］.北京:機械工業出版社，2004.WANG Zhao-an，YANG Jun，LIU Jin-jun.Harmonic Suppression and Reactive Power Compensation［M］.Beijing:Machine Press，2004.

［7］陳銘.基于DSP控制的單相并聯型混合有源電力濾波器的研究［D］.南昌:南昌大學，2008.CHEN Ming.Research on a Monaphase Paeallel Hybrid Active Power Filter Based on DSP Control［D］.Nan chang:Master degree thesis of Nanchang University，2008.

［8］沈翠鳳.單相有源電力濾波器及其MATLAB軟件仿真研究［J］.電工電氣，2009，(5):17-19.SHEN Cui-feng.Study on Single-Phase Active Power Filter and Its Simulation in Matlab［J］.Electrotechnics Electric，2009，(5):17-19.