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电气化铁路牵引供电系统综合有源补偿研究Research on Comprehensive Active Compensation of Electrified Railway Traction Power Supply System摘 要电气化铁道的快速发展也带来一些不容忽视的技术问题。由于大量采用交直整流型电力机车，电气化铁路牵引供电系统的接入，会严重影响电力系统的电能质量，我国不少牵引变电所的电能质量都达不到国标要求。目前，我国大部分牵引变电所采用的固定无功补偿方式，主要目的是补偿无功功率，但其效果受负荷波动和电力部门无功计量方式的影响。因此，应用静止无功补偿器(SVC)补偿牵引负荷产生的无功功率便成为一种趋势。分析了SVG装置对牵引负荷的综合补偿原理，并提出了单相系统补偿电流的检测方法和综合补偿的控制算法，再结合某一铁路牵引变电所的运行数据进行仿真分析，结果表明：SVG具有控制灵活、调节速度快、调节范围广、连接电抗小、谐波量小等优点，能够有效治理电铁中存在的电能质量问题。最后，结合两者的优势，可以达到更加完美的补偿效果。关键词: 电气化铁道 静止无功补偿器 牵引供电 静止无功发生器AbstractFast development of electric railway brings in some inevitable technical problems. As a result of adopting AC-DC locomotive, the access of traction power supply system influences the power quality of grid. The national standard of power quality cannot be achieved in some substations in China. At present, fixed compensator is widely used to compensate reactive power primarily, but the performance is worked on the load fluctuation and power reactive metering means by the power department. So, applying SVC becomes a kind of trend to dynamically compensate the reactive power induced by traction load. Analyzing the principle of comprehensive compensation on the traction load ,the control algorithms and detecting methods of compsations for SVG are presented in three phase power system .Simulations with operation data from an electrified railway are carried out results show that SVC has some advantages,such as flexible control fast and large adjustment ,small reactance and low hamonics,it can improve the power quality in traction power supply system effectively.Finally, combining the advantages of both, a more perfect compensation effect can be achieved.1. 名词 1. go2. debouchment3. debouchement2. 动词 1. conduct2. carry out3. carry on4. do5. execute6. advance3. 副词 1. underway2. in progressKey words: electric railway static var compensator traction power supply static var generator目 录第1章 设计背景11.1 电气化铁路牵引供电系统对电力系统的影响11.2 电气化铁路牵引供电系统对电力系统影响的抑制方法21.2.1 谐波抑制方法21.2.2 无功功率补偿方法21.3 目前国内外统综合补偿技术水平31.4 本设计的主要工作及创新点51.4.1 主要工作51.4.2 论文的创新点5第2章 牵引供电系统综合补偿方案62.1 引言62.2 静止无功补偿器工作原理及应用62.2.1 晶闸管控制电抗器(TCR)62.2.2 牵引供电系统中TCR应用72.2.3 牵引供电系统中TCR工作特性82.2.4 TCR型SVC最大补偿容量82.2.5 FC滤波支路的设计82.2.6 晶闸管投切电容器(TSC)92.2.7 牵引供电系统中TSC应用102.3 静止无功发生器工作原理及应用102.3.1 牵引供电系统中SVG应用102.3.2 SVG技术原理112.3.3 牵引供电系统中SVG电压-电流特性132.3.4 牵引供电系统中SVG和SVC工作特性对比14第3章 牵引供电系统综合补偿控制策略研究153.1 引言153.2 SVC控制器设计153.2.1 信号检测153.2.2 触发脉冲的产生163.2.3 SVC控制策略173.3 无功电流检测方法与SVG控制策略研究183.3.1 无功电流检测方法183.3.2 SVG控制策略19第4章 牵引供电系统综合补偿装置硬件平台244.1 引言244.2 静止无功补偿装置的设计244.2.1 晶闸管的保护与触发电路254.2.2 TCR与TSC254.2.3 TCR脉冲触发和TSC过零触发264.2.4 DSP控制板264.2.5 电压、电流检测环节274.2.6 监测系统274.2.7 水冷系统284.2.8 保护系统284.3 静止无功发生装置的设计284.3.1 电力电子主回路294.3.2 SPWM输出驱动电路304.3.3 工作电源314.3.4 TMS320LF2407 DSP的结构和特点324.3.5 采样信号预处理装置324.3.6 人机交互单元33第五章 牵引供电系统综合补偿仿真与分析345.1 SVC 部分仿真345.1.1 仿真结果345.2 SVG部分仿真36第6章 结论38附录 外文资料翻译41 A.1 英文41 A.2 译文416第1章 设计背景随着我国电气化铁路建设步伐的加快，对电力行业产生的影响越来越大。电力机车中电力电子装置等非线性装置也要消耗无功功率，特别是各种相控装置。如相控整流器、相控交流功率调整电路和周波变换器，在工作时基波电流滞后于电网电压，需要消耗大量的无功功率。另外，这些装置也会产生大量的谐波电流，而谐波源都是要消耗无功功率的。二极管整流电路的基波电流相位和电网电压相位大致相同，所以基本不消耗基波无功功率。但是它也产生大量的谐波电流，因此也消耗一定的无功功率。1.1 电气化铁路牵引供电系统对电力系统的影响高次谐波对电力系统的影响具体表现在:(1)使电网中的元件产生附加谐波损耗，影响电网及电气设备的经济运行；(2)影响各种电气设备的正常工作；(3)使电力系统的继电保护和自动装置产生误动或拒动，危及电网安全运行；谐波引起继电保护和自动装置误动作，电气测量仪表不准确；(4)对邻近通信系统产生干扰，甚至会损坏通信设备；(5)使电网中的各种仪表产生误差；(6)增加电网发生谐振的可能。基波无功功率对电力系统的影响具体表现在:(1)增加设备容量；(2)设备及线路损耗增加；(3)使线路及变压器的电压降落增大；引起电网电压的波动。负序对电力系统的影响具体表现在:引发电力系统大面积停电事故；引发系统谐振；中小型电机转子损坏，寿命缩短，并网困难；引发继电保护误动，影响计量装置；使变压器、输电线产生额外能量损失；影响电网运行方式；影响电力用户。1.2 电气化铁路牵引供电系统对电力系统影响的抑制方法1.2.1 谐波抑制方法谐波抑制方法主要有三种:(1)受端治理，提高受到影响的设备或系统的谐波抗干扰能力；(2)主动治理，对谐波源装置本身进行改造；(3)被动治理，增加谐波滤波装置。1.2.2 无功功率补偿方法我国对电气化铁路进行无功功率补偿从广义上分为旋转式补偿和静止式补偿。早期大量使用同步调相机作为无功补偿装置，但是调相机作为旋转机械存在很大问题，如响应速度慢、维护工作量大等。而并联电容、电感则是第一代的静止无功补偿装置，一般使用机械开关投切，但是机械开关投切的响应速度以秒计，因此无法跟踪负荷无功电流的变化；随着电力电子技术的发展，晶闸管取代了机械开关，诞生了第二代无功补偿装置。主要以晶闸管投切电容器(TSC)和晶闸管控制电抗器(TCR)为代表。这类装置大大提高了无功调解的响应速度，但仍属于阻抗型装置，其补偿功能受系统参数影响，且TCR本身就是谐波源，容易产生谐波振荡放大等严重问题。静止式补偿SVC ( static var compensator)近年来获得了很大发展。1.2.2.1 并联电容器FC (fixed capacitor)并联电容器具有结构简单、经济、安装维护方便、损耗小等优点。但是，它只能补偿固定的无功功率，不能跟踪负荷无功需求的变化，实现对无功功率的动态补偿。在系统中含有谐波时，还有可能发生并联谐振，使谐波放大，电容器因此而烧毁的事故也时有发生。1.2.2.2 可控电抗器CR (controllable reactor)可控电抗器与同步调相机相比，具有静止型的优点，响应速度快；但是由于其铁心需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声都很大，而且存在非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节以补偿负荷的不平衡，所以未能占据静止无功补偿装置的主流。1.2.2.3 晶闸管投切电容器TSC(thyristor-switched capacitor) +晶闸管控制电抗器TCR (thyristor controlled reactor) 静止无功补偿器近年来获得了很大发展，已被广泛应用于输电系统波阻抗补偿及长距离输电的分段补偿，也大量用于负载无功补偿。其典型代表是晶闸管控制电抗器固定电容器(Thyristor Controlled Reactor + Fixed Capacitor，简称TCR+FC)。晶闸管投切电容器(Thyristor Switching Capacitor，简称TSC)也获得了广泛的应用。静止无功补偿器的重要特性是它能连续调节补偿装置的无功功率。这种连续调节是依靠调节TCR中晶闸管的触发角得以实现的。由于具有连续调节的性能且响应迅速，因此SVC可以对无功功率进行补偿，使补偿点的电压接近维持不变。1.2.2.4 静止无功发生器静止无功发生器(Static Var Generator，简称SVG)也是一种电力电子装置。其最基本的电路是三相桥式电压型或电流型变流电路，目前使用的主要是电压型。SVG和SVC不同，SVC需要大容量的电抗器、电容器等储能元件，而SVG在其直流侧只需要较小容量的电容器维持其电压即可。SVG属于第三代静止无功补偿技术。基于电压源型逆变器的补偿装置实现了无功补偿功能质的飞跃。它不再采用大容量的电容、电感器件，而是通过大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换。目前新型的无功补偿装置是静止无功发生器SVG(static var generator)，可以实现单相负荷的对称补偿，所需的最小容量与牵引变电所容量相当。1.3 目前国内外统综合补偿技术水平目前，日本在电铁综合补偿技术应用方面走在世界前列，日本新干线等牵引网成功投运了多台有源补偿装置对负序、无功和谐波进行综合补偿，并获得了较好的补偿效果。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:主要是静止无功补偿器(Static Var Compensator, SVC)；(2)有源补偿器。 还有单相接入的有源电力滤波器(Active Power Filter APF)、三相接入的静止同步补偿器(Static Compensator, STATCOM)。两相接入的铁路功率调节器(Railway Power Conditioner, RPC)及各种变型结构。下面就几种电气化铁路被动治理技术的发展现状作简要综述：(1)静止无功补偿器(SVC)SVC由晶闸管控制电抗器(Thyristor Controlled Reactor, TCR)和固定电容器(Fixed Capacitor, FC)或无源滤波器(Passive Filter, PF)组成。SVC由于接线简单、造价低、可靠性较好的特点，在电气化铁路电能质量治理中得到较多应用。SVC用于电气化铁路电能质量治理如图1-1所示。变压器电力机车电力机车图1-1 SVC补偿方案安装于单相供电臂侧的SVC的主要功能是补偿机车负载无功功率，稳定牵引网电压，抑制机车产生的谐波电流，并能补偿部分负序电流。相对三相侧接线方式的SVC单相接线形式的SVC承受电压低，工程易实现，但不平衡补偿效果受本身接线方式限制而不理想。(2)有源电力滤波器(APF)有源电力滤波器相比无源滤波器具有能治理各次谐波、动态响应快等优点，在近期得到国内外学者的广泛研究。电气化铁路供电系统产生的谐波和无功问题，也属于有源电力滤波器的应用范畴。电气化铁路牵引网电压等级较高，有源电力滤波器接接入困难，因此一般采用降压变压器接入，主电路拓扑一般采用单相接入，混合型结构，用以降低有源逆变器的容量；也有学者提出多电平结构的有源电力滤波器用于电气化铁路补偿治理。部分人提出用混合有源电力滤波器，该结构采用一个降压变压器降低滤波装置的承受电压，无源滤波器组与有源滤波器串联接于降压变压器二次侧，实现电气化铁路的谐波治理和无功补偿。(3)静止无功同步补偿器(STATCOM)基于电压源变流器的STATCOM装置，由于具有功率密度高、效率高、响应速度快等特点，可以用于电气化铁路供电系统电能质量问题的治理。应用于电气化铁路的STATCOM装置接入牵引变压器的原边，即三相系统，STATCOM相当于对不平衡的三相系统进行补偿。1.4 本设计的主要工作及创新点1.4.1 主要工作本文提出以牵引变电所的两臂牵引负荷为补偿对象，采用SVC+SVG相结合实现谐波、无功综合补偿方法。针对以上问题，本文对电气化铁路有源综合有源补偿做了以下工作：(1)第1章详细分析了谐波、无功和负序问题，探讨了牵引供电系统对电力系统的影响，及相应的抑制措施。介绍目前国内外电气化铁路负序、谐波和无功综合补偿技术水平，及发展历程。(2)第2章提出采用SVC+SVG相结合方案来解决补偿和谐波抑制问题,综合考虑二者之长短，给出主电路并阐述其工作原理。(3)第3章给出控制策略。分析SVC控制策略时，以闭环控制为主，以改善电压调整的功能为例，介绍具体的控制方法并进行动态过程分析；在分析SVG控制策略时，先简要介绍无功电流检测方法，着重分析间接方式下的闭环控制，本设计采用这种控制方式，并对直接控制简要说明。(4)第4章设计出SVC和SVG的硬件平台及对外围电路的详细工作情况作出说明。(5)第5章在MATLAB/SIMULINK环境下对综合有源补偿进行了仿真分析，仿真表明该拓扑结构对谐波、无功具有较好的补偿性能，采用SVC+SVG型有源补偿器方案对谐波及无功均同时具有更好的补偿效果。1.4.2 论文的创新点本文研究有源补偿器在电气化铁路综合补偿中的应用，创新点概括起来主要有：提出采用SVC+SVG型有源补偿器方案来解决补偿和谐波抑制问题,综合考虑二者之长短。给出主电路并阐述其工作原理，提出SVC主要用于补偿大部分无功论点，由于SVC的成本较低，所以补偿系统的整体成本得到降低；而SVG用来补偿快速变化无功部分，由于承担补偿无功量小，所以采用的电力电子器件容量就小，关键是不需要大容量储能元件，从而节约成本。最后搭建了SIMULINK仿真平台，验证了补偿方法的可行性。第2章 牵引供电系统综合补偿方案2.1 引言近几年，结合国外的先进技术，我国电气化铁道变电所无功补偿与谐波综合治理提出了多种方案，无论哪种方案，都是力求在基波下补偿牵引负荷的感性无功功率，提高功率因数，并滤除(或抵消)指定谐波。SVC需要大容量储能元件，体积庞大且损耗可观，但控制要相对简单，控制效果快速性方面稍差；而SVG不需要大容量的储能元件，使用的电抗器和电容等元件与SVC等装置相比很小，装置的体积大大缩小，但控制技术要复杂得多。本设计结合两者之长短，考虑采用二者相结合的思路来解决牵引供电系统的综合补偿问题。SVC主要用来补偿静止无功，SVG用来补偿快速变化无功部分，这样一来，二者的容量都可以进一步缩小，而换来更为令人满意的补偿效果。2.2 静止无功补偿器工作原理及应用随着电力机车技术的发展,大功率变流装置在铁路供电系统中的应用日益广泛，这些装置给电力变换带来方便,但同时造成系统功率因数降低,电压波形畸变严重,成为电网“公害”。为此,各国专家在无功功率补偿、功率因数改善、滤除谐波、提高供电质量等方面作了许多研究。近年来发展并成功应用TCR(Thyristor Controlled Reactors, 晶闸管控制电抗器)。2.2.1 晶闸管控制电抗器（TCR）TCR的基本原理如图2-1a所示。其单相基本结构就是两个反并联的晶闸管与一个电抗器串联。这样的电路并联到电网，就相当于电感负载的交流调压电路的结构。由分析可知，触发延迟角的有效移相范围为90°180°，其基波电流全是无功电流。=90°时，晶闸管完全导通，导通角=180°，与晶闸管串联的电抗器相当于直接接到电网上，这时其吸收的无功电流和无功功率最大。当触发角在90°180°之间时，晶闸管为部分区间导通，导通角<180°。增大触发延迟角的效果就是减少电流中的基波分量，相当于增大补偿器的等效电感，或者说减小其等效电纳，因而减少了其吸收的无功功率。补偿特性负荷特性图2-1 TCR的基本原理在控制系统的控制下，就得到了如图2-1b所示的TCR电压-电流曲线。可以看出，TCR电压-电流特性实际上是一种稳态特性，特性上的每一点都是TCR在导通角为某一角度时的等效感抗的伏安特性上的一点。TCR之所以能从其电压-电流特性上的某一稳态工作点转移到另一稳态工作点，都是控制系统不断调节触发延迟角，从而不断调节导通角的结果。显然，其特性的斜率和在电压轴上的截距（无补偿时的正常工作电压），都是由控制系统的参数来决定的。110kV2.2.2 牵引供电系统中TCR应用FC7FC5FC3电力机车27.5kV图2-2 TCR型SVC补偿装置原理接线图此种单相TCR型SVC补偿装置安装于牵引变27.5kV侧(如图2-2所示)。基于电铁系统产生的谐波全为奇次谐波(2k+1)，尤其以3, 5, 7次谐波电流最为显著，故谐波治理重点放在对3,5,7次谐波的抑制上。滤波器为单调谐滤波器(FC-Filter Capacitor)，除在其谐振频率下有效滤除对应谐波，同时在基频下提供固定的容性无功。晶闸管控制电抗器(TCR-Thyristor Controlled Reactor)通过改变控制角(90°180°)而改变导通时间，相当于调节电抗器电抗达到改变其感性无功输出的目的，与FC一起补偿机车负载需要的无功。2.2.3 牵引供电系统中TCR工作特性当TCR与固定电容器配合使用时，被称为TCR+FC型SVC,其电压-电流曲线如图2-3所示。作为其特性左边界的斜线，就是其晶闸管导通角为零，而仅有固定电容器并联在母线上时电容器的伏安特性；而作为其特性右边界的斜线，就是晶闸管完全导通，其串联电抗器直接接在母线上，与并联电容器并联产生的总等效阻抗的伏安特性，而它所对应的无功功率是电容器与电抗器无功功率对消后的净无功功率。图2-3 TCR+FC型SVC的电压-电流特性2.2.4 TCR型SVC最大补偿容量按电铁负荷的最大有功需求以及补偿后对装设地点功率因数或在最大无功冲击时最大电压损耗的要求，具体可按式(2-1)或式(2-2)计算。 (2-1)式(2-1)中，和 分别为补偿前后110kV电源侧功率因数角；为电铁负荷的最大有功需求。(2-2)式(2-2)中，为装设地点的最大无功冲击；为装设地点的最大电压损耗要求；为系统阻抗。2.2.5 FC滤波支路的设计必须综合考虑FC滤波支路的设计，既要保证装置的安全运行，又要达到预期的技术效果。在设计中，首先根据供电臂中所含谐波分量来确定FC滤波支路的组成。由于在电力牵引的负荷谐波中，3、5、7次谐波占了很大比重，所以FC滤波支路一般由3、5、7次单调谐滤波器构成。2.2.6 晶闸管投切电容器（TSC）TSC的基本原理如图2-4所示。图(a)是其单相电路图，其中的两个反并联晶闸管只是将电容器并入电网或从电网断开的作用，而串联的小电感只是用来抑制电容器投入电网时可能造成的冲击电流。因此，当电容器投入时，TSC的电压-电流特性就是该电容器的伏安特性，即如图(c)中OA所示。实际上TSC就是断续可调的吸收容性无功功率的无功补偿器，其电压-电流特性按照投入电容器组数的不同可以是图(c)中的OA、OB或OC。当TSC用于三相电路时，可以是连接，也可以是Y连接，每一相都设计成如图(b)所示的那样分组投切。ILIccb a图2-4 TSC的基本原理图a 单相结构简图 b 分组投切的TSC单相简图 c 电压-电流特性晶闸管投切电容器(TSC)按照一定的寻优模式，设计多组某次或某几次滤波器，基波下各支路呈容性，分级改变补偿装置的无功出力。滤波器某次谐波下偏调谐，兼滤该次谐波。优点是损耗小，结构简单，速度响应快，不产生谐波，可以实现过零投切，不会产生像晶闸管开关那样严重的过电压，缺点是每级都配相应的晶闸管，滤波效果受系统特性和投入组数的影响。TSC方案的基本思路是将电容器分为几组，每组由晶闸管阀组控制以实现快速无触点的投切。再根据负荷的实际运行无功量，按照一定的投切策略跟踪负荷变化进行投切动作。但是，必须注意的是，这种方案只能实现容性无功功率的阶跃调节，其调节的精度取决于电容器的分组数。2.2.7 牵引供电系统中TSC应用在牵引母线上通过变压器将电压降到合适的幅度，按补偿需要在母线上设置电容器支路(也可设置成滤波器)。控制器根据牵引网电压u、电流i来计算需投入的电容器支路，通过晶闸管电子开关控制电容器支路的投入与切除(TSC)，实现有级调节无功功率的目的最终使得电网的功率因数保持在较高的水平。补偿主电路如图2-5所示。TSC1 TSC2 TSC3 TSC1 TSC2 TSC3TSC1图2-5 降压TSC主电路图采用降压TSC方式，能够以足够的速度补偿牵引负荷产生的无功电流，还能降低流入系统的谐波电流；晶闸管电子开关投切时无电流冲击与过电压，本身不产生谐波，克服了真空开关投切补偿电容的所有弊端它最大的不足就是不能够连续调节，只能分级调节。但是应当注意到，一个铁路供电系统正常情况下比一个公共电力供应系统能够承受更高的电压波动值，因此，只要分级控制电压变化在这些限定值以内就是可接受的。因此这种方法特别适用于行车密度低，且列车为重载的区间。2.3 静止无功发生器工作原理及应用基于电压源型逆变器的补偿装置实现了无功补偿功能质的飞跃。它不再采用大容量的电容、电感器件，而是通过大功率电力电子器件的高频开关实现无功能量的变换。工作特性是SVG装置参数和制定相应控制策略进行补偿的基础和重要依据。2.3.1 牵引供电系统中SVG应用当牵引变电所采用YNd11接线变压器时如图2-6所示，图2-6 牵引变电所三相原理接线图SVG装置的核心部分是逆变电路，它将整流后的直流电压进行逆变以产生一个频率与系统相同的交流电压，并且这个电压的幅值和相位都可调，然后通过电抗器把这个电压并到电网上去，从而产生所需的交流无功功率。利用IGBT智能模块后，逆变器电路无论是在体积、性能、稳定性上还是控制方式上都得到了极大的简化。2.3.2 SVG技术原理简单的说，SVG的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。SVG 正常工作时就是通过电力半导体开关的通断将直流侧电压转换成交流侧与电网同频率的输出电压，就像一个电压型逆变器，只不过其交流侧输出接的不是无源负载，而是电网。因此，当仅考虑基波频率时，SVG 可以等效地视为幅值和相位均可以控制的一个与电网同频率的交流电压源。它通过交流电抗器连接到电网上。所以，SVG 的工作原理就可以用图2-7所示的单相等效电路图来说明。UIUS图 2-7 SVG等效电路设电网电压和SVG 输出的交流电压分别用相量US和UI表示，则连接电抗X上的电压UL即为US和UI的相量差，而连接电抗的电流是可以由其电压来控制的。这个电流就是SVG从电网吸收的电流I。因此，改变SVG 交流侧输出电压UI的幅值及其相对于US的相位，就可以改变连接电抗上的电压，从而控制SVG从电网吸收电流的相位和幅值，也就控制了SVG 吸收无功功率的性质和大小。(1)理想情况在图2-7的等效电路中，将连接电抗器视为纯电感，没有考虑其损耗以及变流器的损耗，因此不必从电网吸收有功能量。设电网电压和SVG 输出的交流电压分别用相量US和UI表示，则连接电抗X上的电压UL即为US和UI的相量差，而连接电抗的电流是可以由其电压来控制的。这个电流就是SVG从电网吸收的电流I。因此，改变SVG 交流侧输出电压UI的幅值及其相对于US的相位，就可以改变连接电抗上的电压，从而控制 SVG 从电网吸收电流的相位和幅值，也就控制了SVG 吸收无功功率的性质和大小。在这种情况下，只需使UI与US同相，仅改变UI的幅值大小即可以控制SVG从电网吸收的电流I是超前还是滞后，并且能控制该电流的大小。这么看来逆变器就变成为一个无功功率发生器了。如图2-8、2-9所示，当UI大于US时，电流超前电压，SVG吸收容性的无功功率，当UI小于US时，电流滞后电压，SVG吸收感性的无功功率，从而达到动态控制无功功率并进行补偿的目的。图2-8 电流超前图 图2-9 电流滞后(2)非理想情况计及电抗器和变流器损耗时的工作原理。由于SVG正常工作是就是通过电力电子元件开关的导通和阻断将直流侧电压转换成交流侧与电网同频率的输出电压，如同一个电压型变流器，只不过其交流侧输出接的不是无源负载，而是电网。因此，当只考虑基波频率时，SVG可以等效的被视为幅值和相位均可以控制的一个与电网同频率的交流电压源，它通过交流电抗器连接到电网上。考虑到连接电抗器的损耗和变流器本身的损耗(如管压降、线路电阻等)，并将总的损耗集中作为连接电抗器的电阻考虑，则SVG的实际单相等效电路如图2-10所示。其电流超前和滞后工作的向量图如图2-11、2-12所示。图中US为电网电压，UI为SVG输出交流的电压，连接用的电抗器上的电压UL即为US和UI的相量差。在这种情况下，变流器电压UI与电流I仍相差，因为变流器无需有功能量，而电网电压US与电流I的相位差则不再是，而是比小了角，因此电网就需要提供有功功率来补充电路的损耗，也就是说相对于电网电压来说，电流I中有一定量的有功分量。图 2-10 考虑损耗的SVG等效电路图 2-11 考虑损耗的SVG电流超前向量图图2-12 考虑损耗时SVG电流滞后向量图由向量图可知，这个角也就是变流器电压UI与电网电压US的相位差。改变这个相位差，并且同时改变UI的幅值，才能改变电流I的相位和大小，从而SVG从电网吸收的无功功率的大小和性质也就因此得到调节。因此，三相电压型SVG装置采用直流电容器作为电压源。若控制方法得当，SVG在补偿无功功率的同时还可以对谐波电流进行补偿。在稳态情况下，SVG的直流侧和交流侧之间没有有功功率交换，无功功率在三相之间流动，因此直流侧只需要较小容量的电容即可。2.3.3 牵引供电系统中SVG电压-电流特性根据工作原理的分析，SVG 的电压-电流特性如图2-13所示，但是可以看出，与SVC 的电压-电流特性不同的是，当电网电压下降，补偿器的电压-电流特性向下调整时，SVG 可以调整其变流器交流侧电压的幅值和相位，以使其所能提供的最大无功电流ILmax和ICmax维持不变，仅受其电力半导体器件的电流量限制。而对SVC系统，由于其所能提供的最大电流分别受其并联电抗器和并联电容器的阻抗特性限制，因而随着电压的降低而减小。因此，SVG的运行范围比SVC 大，SVC 的运行范围是向下收缩的三角形区域，而SVG 的运行范围是上下等宽的近似矩形的区域，这是SVG 优越于 SVC的一大特点。ILmaxICmaxIUrefU图 2-13 SVG的电压-电流特性2.3.4 牵引供电系统中SVG和SVC工作特性对比2.3.4.1 谐波特性在SVG 中完全可以采用桥式交流电路的多重化技术、多电平技术或 PWM 技术来进行处理，以消除次数较低的谐波，并使较高次数如 7、11等次谐波减小到可以接受的程度。相比而言，在多种型式的 SVC 装置中，SVC 本身产生一定量的谐波，如 TCR 型的 5、7 次特征次谐波量比较大，占基波值的 5%8%；其它型式如SR，TCT 等也产生 3、5、7、11 等次的高次谐波，这给 SVC系统的滤波器设计带来许多困难。2.3.4.2 有功补偿特性对于那些以输电补偿为目的的SVG来讲，如果直流侧采用较大的储能电容，或者其他直流电源(如蓄电池组，采用电流型变流器时直流侧采用超导储能装置等)，则SVG还可以在必要时短时间内向电网提供一定数量的有功功率，这对于电力网来说是非常有益的，相比而言，SVC装置则没有这个特性。2.3.4.3 控制快速性若对SVG补偿的无功电流或无功功率进行反馈控制，则响应速度快。特别是若将电流型PWM技术应用于SVG中，则可以实现SVG电流的瞬时控制，其动态性能将更加优越，这对SVG的工作原理用受控的无功电流源来描述可能比用交流电压源来描述更为确切；吸收无功功率连续，产生的高次谐波量小、分布少；而且可以分项调节，损耗与噪声小。但是，SVG的控制方法和控制系统显然要比SVC复杂。第3章 牵引供电系统综合补偿控制策略研究3.1 引言当谈到控制系统时，最关心的是控制策略，及控制策略的实施。一个控制系统，采用不同的控制策略则会有相应的控制效果。控制策略精良与否和系统的控制目的及技术指标息息相关。同时呢，谈到控制系统设计时，不外乎控制器的设计，其核心思想也就落实在控制策略的设计上。在下文中分析SVC控制策略时，以闭环控制为主，以改善电压调整的功能为例，介绍具体的控制方法；在分析SVG控制策略时，先简要介绍无功电流检测方法，着重分析间接方式下的闭环控制，本设计采用这种控制方式，并对直接控制简要说明。3.2 SVC控制器设计TCR的控制系统应能检测系统的有关变量，并根据检测量的大小以及给定输入量的大小，产生相应的晶闸管触发脉冲，以调节补偿其吸收的无功功率。因此，其控制系统一般应包括以下三部分电路：(1)检测电路：检测控制所需的系统变量和补偿器变量。(2)触发电路：根据控制电路输出的控制信号产生相应触发延迟角的触发脉冲。(3)控制电路：为获得所需的稳态和动态特性对检测信号和给定输入量进行处理。3.2.1 信号检测根据对补偿器所期望的功能，被检测的信号应包含下列物理量：(1)系统电压；(2)流过传输线或补偿器本身的无功功率。应当注意的是，控制当中需要的信号是反映以上这些量有效值或幅度大小的直流信号，因此需要对传感器所得的信号作进一步处理。对系统电压，实际需要的是能反映系统电压有效值大小的直流信号。所以，对从电压互感器检测出来的三相电压信号常采用进一步处理的方法有：整流，取平均值，取方均根值，取正序分量，滤波等。图3-1示出了用于50HZ系统电压检测的典型电路原理框图。其中的90HZ带阻滤波器是为了滤去可能产生系统谐振的谐波，而60、120、360HZ带阻滤波器是为了用来滤去整流的特征谐波以及由于可能的三相不平衡引起的谐波。图3-1 系统电压检测的原理框图最近，根据瞬时无功功率理论进行信号检测的方法也以应用于SVC的控制系统中，这部分是前沿热点理论。3.2.2 触发脉冲的产生如果采用锯齿波作为触发电路的同步信号，或者采用数字控制电路，则触发电路的控制信号与触发延迟角以及晶闸管导通角都是线性的，但是，触发延迟角(或晶闸管导通角)与补偿器实际的等效电纳之间却并不是线性关系。有电力电子知识可知，TCR电流的基波分量与晶闸管导通角之间的关系为：(3-1)式中 U-系统电压； XL-与晶闸管串联电抗的感抗值。因此TCR的等效电纳即为：(3-2)其中，等效电纳最大值为BLmax=1/XL。可见，导通角与TCR等效电纳之间是非线性的关系。将其绘成曲线，如图3-2所示。图3-2 导通角与TC