基于空間矢量控制的綜合電能質量治理裝置在軌道交通行業的應用探究

楊 華，王恩波，焦云飛，王貴有，趙海春

（1.大連地鐵運營有限公司，遼寧 大連 116000；2.銳芯電氣技術（大連）有限公司，遼寧 大連 116000）

1 對城市軌道交通的影響

在城市軌道交通運輸過程中，需要直流電和交流電互相轉換帶動列車運行。而直流電和交流電在相互轉換的過程中就會產生諧波。近年來，地鐵因其運行速度快、運載量大等優勢，逐漸成為城市軌道交通運輸中的主角[1]。而地鐵運行過程中，運行的安全與舒適程度又需要配置數量眾多的調頻設備和各種監控系統、排風系統等。而這眾多配套設備的運行也會產生大量的諧波，影響到城市軌道交通運輸的安全性和穩定性。

1.1 影響電網安全性

諧波對城市交通運輸安全的影響非常嚴重。首先，為了能夠使地鐵正常運行，需要安裝各種配套設備系統，如配電系統、照明系統、應急系統和接地安全系統等。而這些設備的運行會產生大量的諧波，會導致接地安全設備失靈，影響整個電網的安全。其次，要抵消大量的諧波就要進行無功補償，使得電力系統增加電力供給，而電力供給量的增大，又會造成電力絕緣體破損，增速電力設備的老化。

1.2 增加損耗

諧波使變壓器的銅耗增大，其中包括電阻損耗、導體中的渦流損耗與導體外部因漏磁通引起的雜散損耗都要增加。諧波還使變壓器的鐵耗增大，這主要表現在鐵心中的磁滯損耗增加，諧波使電壓的波形變得越差，則磁滯損耗越大。

2 綜合電能質量治理裝置介紹

綜合電能質量治理裝置是利用現代電力電子技術與高速DSP器件的數字信號處理技術研制出來的專門用于治理電力諧波、補償無功的新型設備裝置。綜合電能質量治理裝置通常由兩個電路系統組成，即指令電流電路與補償電流發生電路。綜合電能質量治理裝置的工作原理是：首先指令電流電路在對電網電流實時監控過程中，把電流信號轉化成數字電流信號，并將數字信號傳輸到處理器，數字信號處理器把數字電流信號分解成諧波與基波；然后補償電流發生電路中接收到驅動脈沖，并使通過驅動脈沖產生的電流幅值與電網中的諧波電流幅值相同；最后把不是同一極的補充電流輸入電網，進而抑制和抵消原來電路中的諧波，使諧波得到有效治理。軌道交通電網中安裝了有源濾波裝置后，無論哪種諧波都會得到抑制。此外，綜合電能質量治理裝置在治理諧波的同時還能對電網電流實現動態跟蹤和補充。因此，該裝置可以同時實現消除諧波和無功補償的目標。

3 空間矢量控制策略介紹

用于綜合電能質量治理裝置控制方法很多，如空間矢量控制、預估電流控制、無差拍控制、自適應控制、磁通軌道控制等[2]。通過空間矢量控制電壓是其中方法之一。本文應用該方法是因為其具有清晰物理概念，能夠在開關控制頻率相對較低情況下仍然具有等同于滯環比較控制的較好控制效果。如今空間矢量控制已被許多領域廣泛使用，實踐應用效果良好。

基于最優矢量的空間矢量控制策略，能夠在系統當前狀態下對下一控制周期相關的全部開關狀態（矢量）三相電流之綜合誤差加以預測計算出來，從而找出三相開關狀態的誤差最低值，作為其后面的控制周期指令加以應用。也即選擇最優矢量，從而達到有效控制目的。

圖1是電壓矢量控制策略扇區判斷圖。

圖1 空間矢量控制策略扇區判斷

由圖1可知，其中矢量S000～S111代表與變流器相對應的開關狀態（8種），其中a，b，c各相對應的開關狀態用S之后的三位數字分別代表，當該相的上橋臂關斷而下橋臂導通時則用“0”代表，而當上橋臂導通而下橋臂關斷時則用“1”代表。如圖1所示，Ⅰ～Ⅵ代表電壓矢量對應六個扇區，其通過六邊形三條對角線加以分隔開來，該三條對角線與直線uab=0、ubc=0、uca=0相對應，如與矢量001相對應的邊即ubc＞0、ubc＜0分界線。這種情況下計算電壓矢量u時，都可以通過uab、ubc、uca分量符號加以判斷其所在區域范圍，即只要對a、b、c各相指令電壓矢量ua*、ub*、uc*加以計算，進而運用uab*、ubc*、uca*符號就可以對指令電壓矢量ua*、ub*、uc*所在的扇區加以判斷出來。

4 基于空間矢量控制策略綜合電能質量治理裝置在城市軌道交通中的應用效果分析

為了有效改善城市地鐵軌道交通電網正常運轉過程中產生的數量巨大的無功及諧波，提高配電系統的供電效果，地鐵全線一般安裝電能質量治理裝置。在眾多的治理裝置中，基于空間矢量控制策略綜合電能質量治理裝置補償無功與抑制諧波的效果最佳，具有如下突出的優點。第一，該裝置具備響應時間最短的電流拓撲，因此其空間矢量控制策略準確度極高，運行也更平穩，不僅能夠穩態補償無功及諧波，而且還能夠在動態情況下有優異的無功、諧波補償性能。第二，該裝置具備模塊化的設計原理，因此在使用過程中方便調式，使擴容更加便捷。第三，該裝置具備能夠實現對橋臂的過流和保護。第四，該裝置整體設計使具體的操作和后期的維護更加方便[3]。大量實踐證明，在城市地鐵軌道工程中安裝了基于空間矢量控制策略綜合電能質量治理裝置后，明顯減少了城市軌道交通配電系統的無功耗損，有效抑制了配電系統中的諧波，提升了城市軌道交通配電系統整體的供電質量，提高了配電系統中電力設施和設備的使用時間，保障了城市軌道交通配電系統運行的整體質量和安全系數。圖2為綜合電能質量裝置補償前電網電流，圖3為基于空間矢量控制策略的綜合電能質量裝置補償后電網電流。

5 結 論

在城市軌道交通配電系統中安裝基于空間矢量控制策略綜合電能質量治理裝置，能夠有效補償電網中的無功與抑制諧波，增強配電系統整體的運行功率，減少電網運行中的耗損，提高了軌道交通配電系統的整體運行能力，確保了城市軌道交通系統的安全運行。

圖2 綜合電能質量治理裝置補償前電網電流

圖3 基于空間矢量控制策略的綜合電能質量治理裝置補償后電網電流