本發(fā)明屬于電氣工程技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種用于電氣化鐵路V/V變壓器的無功補償方法。

背景技術(shù)：
電氣化鐵路運輸是各國的重要交通方式，電力機車牽引具有運輸能力強、污染小和行車安全等諸多優(yōu)勢，提高了鐵路運輸能力，同時也有利于實現(xiàn)資源的合理分配、降低運營成本、保護生態(tài)環(huán)境等，成為未來鐵路的發(fā)展方向，但是由于電力機車負荷的自身特性將引起電氣化鐵路用電網(wǎng)的功率因數(shù)低、三相不平衡、諧波含量高等電能質(zhì)量問題，而且這種情況不僅影響電氣化鐵路自身牽引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，也會使鐵路沿線周邊的民用用電戶的供電質(zhì)量受到嚴(yán)重的污染，因此，需要對電氣化鐵路中存在的負序、無功和諧波等電能質(zhì)量問題采取有效的治理措施。目前針對電氣化鐵路牽引電網(wǎng)出現(xiàn)的諧波、無功、負序三大問題，國內(nèi)外采取的主要措施有STATCOM牽引變電站二次側(cè)三相補償、APF(ActivePowerFilter)牽引變電站二次側(cè)兩相補償、SVC(StaticVarCompensator)牽引變電站二次側(cè)兩相補償和SVC牽引變電站一次側(cè)三相補償。STATCOM牽引變電站二次側(cè)三相補償中每個H橋需要一個用于級聯(lián)的變壓器和電壓支撐電容，導(dǎo)致系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，控制困難，造價昂貴；APF牽引變電站二次側(cè)兩相補償?shù)姆椒ㄊ褂肁PF消除系統(tǒng)的諧波和無功電流，但由于全控型器件電壓適用等級的限制，這種方法需要兩個補償變壓器進行電壓變換將補償電流送入牽引變壓器二次側(cè)，導(dǎo)致系統(tǒng)的體積非常大，補償容量受到很大限制，另外變壓器需要有高次諧波的傳輸能力，因此，該方法的應(yīng)用受到限制；SVC牽引變電站二次側(cè)兩相補償方法可以完全消除系統(tǒng)的無功和諧波電流，但不能消除負序電流，當(dāng)供電系統(tǒng)容量不夠充裕時，二次側(cè)的不對稱運行，將會在一次側(cè)產(chǎn)生電壓不對稱。SVC牽引變電站一次側(cè)三相補償方法是一種一次側(cè)的直接補償方案，可以完全消除一次側(cè)(高壓側(cè))系統(tǒng)的無功，諧波和負序電流，能夠平衡一次側(cè)電網(wǎng)的不對稱，雖然使得變壓器二次側(cè)的諧波分量通過變壓器后流入一次側(cè)的固定電容器濾波器組能夠得到濾除，但諧波通過變壓器會嚴(yán)重影響變壓器的性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種用于電氣化鐵路V/V變壓器的無功補償方法，能夠完全補償無功功率，使負序電流得到徹底消除，并且補償容量不受限制。本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是，一種用于電氣化鐵路V/V變壓器的無功補償方法，采用一種用于電氣化鐵路V/V變壓器的無功補償裝置，包括依次連接的供電網(wǎng)、母線電壓電流檢測電路、帶通濾波器和SVC控制電路，供電網(wǎng)還和V/V變壓器一次側(cè)繞組連接，V/V變壓器一次側(cè)繞組和V/V變壓器二次側(cè)繞組耦合連接，V/V變壓器二次側(cè)繞組的ac接線端、bc接線端分別與機車負載a和機車負載b連接，V/V變壓器二次側(cè)繞組的ab接線端、bc接線端和ca接線端分別連接SVC補償電路，bc接線端的SVC補償電路與機車負載b并聯(lián)，ac接線端的SVC補償電路與機車負載a并聯(lián)；母線電壓電流檢測電路包括電壓互感器和電流互感器，電壓互感器的兩端分別與供電網(wǎng)和帶通濾波器連接；電流互感器的兩端分別與供電網(wǎng)和帶通濾波器連接。SVC補償電路包括相并聯(lián)的TCR電路和FC電路；TCR電路由晶閘管和電抗器組成，F(xiàn)C電路由相互并聯(lián)的三個單調(diào)諧濾波器和一個高通濾波器組成；SVC控制電路包括依次相連接的ADC電路、控制器和驅(qū)動電路，ADC電路與帶通濾波器連接，驅(qū)動電路與三個SVC補償電路連接；具體實施步驟為：步驟1，采用電壓互感器檢測母線電壓UA、UB、UC；采用電流互感器檢測母線電流IA、IB、IC和三個SVC補償電路的電流Iar、Ibr、Icr；步驟2，采用帶通濾波器提取步驟1中檢測到的母線電壓UA、UB、UC的基波分量的瞬時值、母線電流IA、IB、IC的基波分量的瞬時值和三個SVC補償電路的電流Iar、Ibr、Icr的基波分量瞬時值，并將母線電壓UA、UB、UC的基波分量的瞬時值、母線電流IA、IB、IC的基波分量的瞬時值和三個SVC補償電路的電流Iar、Ibr、Icr的基波分量瞬時值經(jīng)過ADC電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號發(fā)送給控制器；步驟3，控制器采用對稱分量法對步驟2中的得到的數(shù)字量的母線電流的基波分量的瞬時值和三個SVC補償電路的電流的基波分量瞬時值進行處理，分別得到母線電流和三個SVC補償電路的電流的零序、正序和負序分量，步驟3具體為：步驟3.1，根據(jù)電壓電網(wǎng)完全對稱得到三相線電流的第一表達式為：式中，YAB，YBC，YCA分別表示電網(wǎng)側(cè)各相對應(yīng)的導(dǎo)納值，U表示三相母線電壓有效值；步驟3.2，根據(jù)對稱分量法，得到三相線電流的第二表達式為：式中，I0，I1，I2分別表示電流的零序、正序、負序?qū)ΨQ分量；步驟3.3，將步驟3.1中得到的三相線電流的第一表達式代入步驟3.2中得到的三相線電流的第二表達式中，得到電流的零序、正序和負序?qū)ΨQ分量為：步驟4，控制器采用平衡補償方法對步驟3中得到的母線電流和三個SVC補償電路的電流的零序、正序和負序分量進行處理，得到三個SVC補償電路的補償導(dǎo)納；步驟5，模糊PI調(diào)節(jié)器根據(jù)補償網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)納值和TCR中晶閘管觸發(fā)角的關(guān)系得到三個SVC補償電路的晶閘管觸發(fā)角；步驟6，控制器根據(jù)步驟5中得到的觸發(fā)角發(fā)出觸發(fā)脈沖，觸發(fā)脈沖經(jīng)驅(qū)動電路發(fā)送給晶閘管的門極，控制晶閘管的開通與關(guān)斷，對無功功率和負序電流的進行快速跟蹤和動態(tài)補償。本發(fā)明的特點還在于，步驟4具體為：步驟4.1，根據(jù)步驟3.3中得到的電流的零序、正序和負序?qū)ΨQ分量的表達式，得到負載網(wǎng)絡(luò)的零序、正序和負序?qū)ΨQ分量為：式中，Yab、Ybc、Yca分別為負載網(wǎng)絡(luò)各相對應(yīng)的導(dǎo)納值，得到補償網(wǎng)絡(luò)的零序、正序和負序?qū)ΨQ分量表達式為：補償網(wǎng)絡(luò)為三個SVC補償電路；步驟4.2，根據(jù)平衡補償方法，得到補償目標(biāo)的表達式：步驟4.3，將補償網(wǎng)絡(luò)的零序、正序和負序?qū)ΨQ分量表達式代入補償目標(biāo)表達式中，進行實部和虛部的分離，得到：其中，Brab為ab接線端的SVC補償電路的導(dǎo)納值，Brbc為bc接線端的SVC補償電路的導(dǎo)納值，Brca為ca接線端的SVC補償電路的導(dǎo)納值；步驟4.4，對步驟3中得到的式(7)求解，得到補償網(wǎng)絡(luò)ab相、bc相、ca相的導(dǎo)納值為：步驟5具體通過以下方法計算：根據(jù)步驟4.4中得到的各相補償網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)納值可得各相TCR中晶閘管觸發(fā)角為：其中，XL為TCR并聯(lián)電抗器的電感值。步驟5中模糊PI調(diào)節(jié)器還采用步驟1中采集到的母線電壓對補償導(dǎo)納進行修正，穩(wěn)定母線電壓。本發(fā)明的有益效果是通過采用對稱分量法分析系統(tǒng)的補償控制量，然后經(jīng)過平衡補償算法得到各相補償電納，從而確定TCR中晶閘管的導(dǎo)通角大小，觸發(fā)TCR，實現(xiàn)無功功率和負序電流的快速跟蹤和動態(tài)補償，針對電壓和電流中的基波正序無功分量、基波負序有功分量、基波負序無功分量，實現(xiàn)諧波、無功、負序的綜合治理，進而實現(xiàn)無功功率綜合補償，具有容量不受變壓器容量限制、可靠性高、價格優(yōu)勢突出等優(yōu)點；另外，將電壓值作為參考修正值，對補償導(dǎo)納進行修正，穩(wěn)定母線電壓，從而提高了控制器的控制性能，進一步提高了牽引供電網(wǎng)的供電效率，解決了傳統(tǒng)補償方法結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制困難、造價昂貴、降低變壓器性能以及不能綜合治理諧波、無功、負序等問題。附圖說明圖1是本發(fā)明中所采用的一種用于電氣化鐵路V/V變壓器的無功補償裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明另一種用于電氣化鐵路V/V變壓器的無功補償方法的原理框圖；圖3是本發(fā)明中無功補償系統(tǒng)三相負載和補償網(wǎng)絡(luò)分離的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，1.供電網(wǎng)，2.母線電壓電流檢測電路，3.SVC控制電路，4.帶通濾波器，5.V/V變壓器一次側(cè)繞組，6.V/V變壓器二次側(cè)繞組，7.機車負載a，8.機車負載b，9.SVC補償電路，10.ADC電路，11.控制器，12.FC電路，13.TCR電路，14.驅(qū)動電路。具體實施方式下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行詳細說明。本發(fā)明將電氣化鐵路V/V牽引變壓器的兩相二次側(cè)繞組作為統(tǒng)一整體，在V/V型牽引變壓器二次側(cè)接入三相晶閘管控制電抗器(ThyristorControllableReactor，TCR)與固定電容器(FixedCapacitor，F(xiàn)C)型靜止無功補償裝置，采用基于對稱分量法的平衡化補償和多目標(biāo)、多反饋的全數(shù)字控制方法，針對電壓和電流中的基波正序無功分量、基波負序有功分量、基波負序無功分量，實現(xiàn)諧波、無功、負序的綜合治理，進而實現(xiàn)無功功率綜合補償。而由于電氣化牽引負荷是大功率單相負荷，系統(tǒng)電網(wǎng)是三相的，因此，單相負荷與三相電源之間電氣結(jié)構(gòu)差異決定了牽引變電站拓撲結(jié)構(gòu)的三相不平衡，需要進行適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)換將三相不對稱的電氣量轉(zhuǎn)換為三相的對稱電氣量進行分析從而簡化了復(fù)雜程度；本發(fā)明通過采用對稱分量法分析得到系統(tǒng)的零序、正序和負序分量，后經(jīng)平衡補償算法得到各相補償電納，進而確定TCR中晶閘管的導(dǎo)通角大小，控制晶閘管的開通，從而實時控制TCR的電流變化，跟隨系統(tǒng)中實時變化的無功功率，補償系統(tǒng)所需的無功功率。其原理框圖如圖2所示，其中U為三相母線電壓有效值，母線電壓作為模糊PI控制器的參考修正值，對補償導(dǎo)納進行修正，穩(wěn)定母線電壓，從而提高了控制器的控制性能，進一步提高了牽引供電網(wǎng)的供電效率。本發(fā)明一種用于電氣化鐵路V/V變壓器的無功補償方法，采用一種用于電氣化鐵路V/V變壓器的無功補償裝置，如圖1所示，包括依次連接的供電網(wǎng)1、母線電壓電流檢測電路2、帶通濾波器4和SVC控制電路3，供電網(wǎng)1還和V/V變壓器一次側(cè)繞組5連接，V/V變壓器一次側(cè)繞組5和V/V變壓器二次側(cè)繞組6耦合連接，V/V變壓器二次側(cè)繞組6的ac接線端、bc接線端分別與機車負載a7和機車負載b8連接，V/V變壓器二次側(cè)繞組的ab接線端、bc接線端和ca接線端分別連接SVC補償電路9，bc接線端的SVC補償電路9與機車負載b8并聯(lián)，ac接線端的SVC補償電路9與機車負載a7并聯(lián)；母線電壓電流檢測電路2包括電壓互感器和電流互感器，電壓互感器的兩端分別與供電網(wǎng)1和帶通濾波器4連接；電流互感器的兩端分別與供電網(wǎng)1和帶通濾波器4連接；SVC補償電路9包括相并聯(lián)的TCR電路12和FC電路13；TCR電路12由晶閘管和電抗器組成，F(xiàn)C電路13由相互并聯(lián)的三個單調(diào)諧濾波器和一個高通濾波器組成；SVC控制電路3包括依次相連接的ADC電路10、控制器11和驅(qū)動電路14，ADC電路與帶通濾波器4連接，驅(qū)動電路與三個SVC補償電路9連接；如圖2所示，具體按照以下步驟實施：步驟1，采用電壓互感器檢測母線電壓UA、UB、UC；采用電流互感器檢測母線電流IA、IB、IC和三個SVC補償電路9的電流Iar、Ibr、Icr；步驟2，采用帶通濾波器4提取步驟1中檢測到的母線電壓UA、UB、UC的基波分量的瞬時值、母線電流IA、IB、IC的基波分量的瞬時值和三個SVC補償電路9的電流Iar、Ibr、Icr的基波分量瞬時值，并將的母線電壓UA、UB、UC的基波分量的瞬時值、母線電流IA、IB、IC的基波分量的瞬時值和三個SVC補償電路9的電流Iar、Ibr、Icr的基波分量瞬時值經(jīng)過ADC電路10轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號發(fā)送給控制器11；步驟3，控制器11采用對稱分量法對步驟2中的得到的數(shù)字量的母線電流的基波分量的瞬時值和三個SVC補償電路9的電流的基波分量瞬時值進行處理，分別得到母線電流和三個SVC補償電路9的電流的零序、正序和負序分量；其中，步驟3具體為：步驟3.1，根據(jù)電壓電網(wǎng)完全對稱得到三相線電流的第一表達式為：式中，YAB，YBC，YCA分別表示電網(wǎng)側(cè)各相對應(yīng)的導(dǎo)納值；步驟3.2，根據(jù)對稱分量法，得到三相線電流的第二表達式為：式中，I0，I1，I2分別表示電流的零序、正序、負序?qū)ΨQ分量；步驟3.3，將步驟3.1中得到的三相線電流的第一表達式代入步驟3.2中得到的三相線電流的第二表達式中，得到電流的零序、正序和負序?qū)ΨQ分量為：步驟4，控制器11采用平衡補償方法對步驟3中得到的母線電流和三個SVC補償電路9的電流的零序、正序和負序分量進行處理，得到三個SVC補償電路9的補償導(dǎo)納；其中，如圖3所示，將總補償網(wǎng)絡(luò)分為負載網(wǎng)絡(luò)和補償網(wǎng)絡(luò)，其中I0(f)為負載的零序分量，I1(f)為負載的正序分量，I2(f)為負載的負序分量，I0(r)為補償網(wǎng)絡(luò)的零序分量，I1(r)為補償網(wǎng)絡(luò)的正序分量，I2(r)為補償網(wǎng)絡(luò)的負序分量，Yab、Ybc、Yca分別為負載網(wǎng)絡(luò)各相對應(yīng)的導(dǎo)納，分別表示補償網(wǎng)絡(luò)各相對應(yīng)的導(dǎo)納，具體方法如下：步驟4.1，根據(jù)步驟3.3中得到的電流的零序、正序和負序?qū)ΨQ分量的表達式，得到負載網(wǎng)絡(luò)的零序、正序和負序?qū)ΨQ分量為：得到補償網(wǎng)絡(luò)的零序、正序和負序?qū)ΨQ分量表達式為：補償網(wǎng)絡(luò)為三個SVC補償電路9；步驟4.2，根據(jù)平衡補償方法，得到補償目標(biāo)的表達式：步驟4.3，將補償網(wǎng)絡(luò)的零序、正序和負序?qū)ΨQ分量表達式代入補償目標(biāo)表達式中，進行實部和虛部的分離，得到：其中，Brab為ab接線端的SVC補償電路9的導(dǎo)納值，Brbc為bc接線端的SVC補償電路9的導(dǎo)納值，Brca為ca接線端的SVC補償電路9的導(dǎo)納值；步驟4.4，對步驟3中得到的式7求解，得到補償網(wǎng)絡(luò)ab相、bc相、ca相的導(dǎo)納值為：步驟5，模糊PI調(diào)節(jié)器根據(jù)補償網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)納值和TCR中晶閘管觸發(fā)角的關(guān)系得到三個SVC補償電路9的晶閘管觸發(fā)角；步驟5具體通過以下方法計算：根據(jù)步驟4.4中得到的各相補償網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)納值可得各相TCR中晶閘管觸發(fā)角為：其中，XL為TCR并聯(lián)電抗器的電感值；步驟6，控制器11根據(jù)步驟5中得到的觸發(fā)角發(fā)出觸發(fā)脈沖，觸發(fā)脈沖經(jīng)驅(qū)動電路14發(fā)送給晶閘管的門極，控制晶閘管的開通與關(guān)斷，對無功功率和負序電流的進行快速跟蹤和動態(tài)補償，達到綜合治理諧波、負序和無功的目的。本發(fā)明的步驟5中模糊PI調(diào)節(jié)器還可以采用步驟1中采集到的母線電壓對補償導(dǎo)納進行修正，穩(wěn)定母線電壓，從而進一步提高控制器的控制性能，進一步提高牽引供電網(wǎng)的供電效率。本發(fā)明中供電網(wǎng)1為110kV/50Hz高壓電網(wǎng)；V/V型變壓器一次側(cè)繞組5電壓為供電網(wǎng)電壓110kV，二次側(cè)繞組6電壓為25kV，各相SVC補償電路拓撲結(jié)構(gòu)相同，均由FC電路12和TCR電路13構(gòu)成，TCR和FC相并聯(lián)，其中TCR電路為晶閘管和電抗器組成的可調(diào)相控電抗器，用于快速產(chǎn)生可調(diào)的感性電流，動態(tài)補償無功功率，同時平衡由負序電流引起的不對稱；FC電路為固定電容器兼具濾波功能，由三只單調(diào)諧濾波器和一只高通濾波器組成，實現(xiàn)在輸出容性無功功率、提高功率因數(shù)的同時消除機車運行所產(chǎn)生的諧波電流。本發(fā)明通過采用電流互感器檢測各相SVC電路的電流和母線電流，采用電壓互感器檢測母線電壓；經(jīng)互感器檢測所得的電壓和電流信號經(jīng)帶通濾波器處理得到對應(yīng)的基波分量的瞬時值，帶通濾波器的上下截止頻率根據(jù)母線電流電壓基波頻率50Hz分別設(shè)置為45Hz和55Hz；選取DSPTMS320F28335作為SVC控制電路的控制器；機車負載7和8為典型的電氣化鐵路機車。