一種新型的電氣化鐵路電能質(zhì)量治理系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于電力系統(tǒng)領(lǐng)域，特別涉及一種新型的電氣化鐵路電能質(zhì)量治理系統(tǒng)及 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著高速電氣化鐵路成在中國(guó)的大規(guī)模建設(shè)，高速鐵路供電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的電能質(zhì) 量的影響也越來(lái)越嚴(yán)重。在高鐵建設(shè)中廣泛使用的V/ν型帶濾波繞組的牽引變壓器由于結(jié) 構(gòu)上的不平衡，會(huì)使網(wǎng)側(cè)出現(xiàn)較大的負(fù)序電流，嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。其次， 電力機(jī)車(chē)運(yùn)行時(shí)帶來(lái)的大量諧波會(huì)通過(guò)帶濾波繞組的牽引變壓器流入電網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污 染。此外，雖然現(xiàn)在高鐵使用的交-直-交型電力機(jī)車(chē)功率因數(shù)很高，但在支線和貨運(yùn)線路 還是使用普通的交-直型電力機(jī)車(chē)，因此這些線路的牽引站功率因數(shù)低的問(wèn)題依然存在。
[0003] 目前，對(duì)于負(fù)序的治理，一般是使用Scott型變壓器或平衡變壓器來(lái)解決。但由于 許多線路本身不同方向的機(jī)車(chē)負(fù)荷就是不平衡的，在加上機(jī)車(chē)編組的隨機(jī)特性，因此該方 法消除負(fù)序的效果并不好，另外這類(lèi)變壓器的制造成本和使用成本也都較高。諧波的治理 常用濾波支路進(jìn)行濾波。這種方法雖然能濾除固定次諧波，成本低，但由于電氣化鐵路負(fù) 載變化引起的諧振頻率的變化，會(huì)抑制無(wú)源濾波的效果，甚至產(chǎn)生諧振，影響供電系統(tǒng)穩(wěn)定 性。感應(yīng)濾波技術(shù)通過(guò)對(duì)變壓器中諧波磁勢(shì)的抑制來(lái)達(dá)到濾波效果。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是濾波 支路和牽引臂通過(guò)電磁感應(yīng)方式進(jìn)行濾波，不會(huì)對(duì)電力機(jī)車(chē)的整流系統(tǒng)產(chǎn)生影響，但依然 存在無(wú)源濾波支路所存在的問(wèn)題。鐵路功率調(diào)節(jié)器（railwaystaticpowerconditioner， RPC)是針對(duì)電氣化鐵路電能質(zhì)量問(wèn)題的綜合性解決方案。該系統(tǒng)使用兩個(gè)背靠背整流逆變 器將兩個(gè)牽引臂連接起來(lái)，通過(guò)該設(shè)備可以動(dòng)態(tài)均衡兩個(gè)橋臂的有功和無(wú)功，同時(shí)濾除諧 波，從而實(shí)現(xiàn)負(fù)序、諧波和無(wú)功的綜合治理。但由于現(xiàn)有的電力電子模塊級(jí)聯(lián)方式很難實(shí)現(xiàn) 公共直流母線，兩橋臂間無(wú)法進(jìn)行能量傳遞，因此現(xiàn)有的RPC幾乎都使用了單相變壓器將 低壓的整流逆變器的電流轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏簜?cè)的電流的方案。這種方案除了增加制造成本和使用 成本以外，還增大了控制難度，另外變壓器的引入使諧波電流補(bǔ)償?shù)纫箅娏髯兓瘦^快， 精度較高的功能基本很難實(shí)現(xiàn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了在電氣化鐵路牽引系統(tǒng)中綜合解決各種電能質(zhì)量問(wèn)題，保證電網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量 滿(mǎn)足國(guó)標(biāo)的要求，本發(fā)明提出了一種基于模塊化多電平技術(shù)和感應(yīng)濾波技術(shù)的電氣化鐵路 電能質(zhì)量治理系統(tǒng)及方法。
[0005] -種新型的電氣化鐵路電能質(zhì)量治理系統(tǒng)，包括帶濾波繞組的帶濾波繞組的牽引 變壓器、感應(yīng)濾波電路、MMC補(bǔ)償系統(tǒng)、MMC控制器、電壓和電流測(cè)量裝置；
[0006] 所述帶濾波繞組的牽引變壓器包括高壓側(cè)、牽引側(cè)及低壓補(bǔ)償側(cè)，所述帶濾波繞 組的牽引變壓器的高壓側(cè)與電網(wǎng)相連，牽引變壓器的牽引側(cè)與電網(wǎng)牽引臂相連，牽引變壓 器的低壓補(bǔ)償側(cè)與MMC補(bǔ)償系統(tǒng)連接；
[0007] 所述MMC補(bǔ)償系統(tǒng)包括兩個(gè)單相MMC牽引臂組，兩個(gè)感應(yīng)濾波電路和兩個(gè)直流側(cè) 電容組；所述感應(yīng)濾波電路與帶濾波繞組的牽引變壓器的低壓補(bǔ)償側(cè)相連，所述單相MMC 牽引臂組的一端與帶濾波繞組的牽引變壓器的低壓補(bǔ)償側(cè)相連，另一端與直流側(cè)電容組相 連；
[0008] 每個(gè)單相MMC牽引臂組至少包括1個(gè)MMC牽引臂單元，每個(gè)MMC牽引臂單元至少 包括兩個(gè)并聯(lián)的MMC牽引臂模塊，每個(gè)MMC牽引臂模塊由串聯(lián)的電抗器和MMC牽引臂組成；
[0009] 所述電抗器與所述帶濾波繞組的牽引變壓器的低壓補(bǔ)償側(cè)側(cè)相連，所述MMC牽引 臂與直流側(cè)電容組中的電容相連后接地；
[0010] 所述電壓和電流測(cè)量裝置與所述帶濾波繞組的牽引變壓器的牽引側(cè)和MMC牽引 臂相連，且所述電壓和電流測(cè)量裝置與所述MMC控制器相連；
[0011] 所述MMC補(bǔ)償系統(tǒng)受控于所述MMC控制器。
[0012] 所述MMC牽引臂包括N個(gè)串聯(lián)的SM模塊，N為大于或等于1的整數(shù)。
[0013] 所述感應(yīng)濾波電路至少包括三組并聯(lián)的LC濾波電路或LCL濾波電路。
[0014] 一種新型的電氣化鐵路電能質(zhì)量治理系統(tǒng)的控制方法，采用上述的一種新型的電 氣化鐵路電能質(zhì)量治理系統(tǒng)，進(jìn)行電能質(zhì)量控制，包括以下幾個(gè)步驟：
[0015] 步驟1 :利用電壓和電流測(cè)量裝置獲取帶濾波繞組的牽引變壓器牽引側(cè)的電壓和 電流，并計(jì)算帶濾波繞組的牽引變壓器牽引側(cè)瞬時(shí)的等效有功電導(dǎo)Gp(t);
[0016] 步驟2 :去除步驟1獲得的帶濾波繞組的牽引變壓器牽引側(cè)瞬時(shí)的等效有功電導(dǎo) 的高頻分量，得到帶濾波繞組的牽引變壓器牽引側(cè)的等效有功線性電導(dǎo)Gp;
[0017] 步驟3 :利用MMC控制器通過(guò)PI環(huán)節(jié)對(duì)直流側(cè)電容電壓進(jìn)行控制，使直流側(cè)電容 電壓保持在直流側(cè)額定電壓的±5%以?xún)?nèi)，并將PI環(huán)節(jié)的輸出值與步驟2得到的帶濾波繞 組的牽引變壓器牽引側(cè)的等效有功線性電導(dǎo)疊加，更新Gp;
[0018] 步驟4 :利用步驟3更新的Gp按照以下公式計(jì)算帶濾波繞組的牽引變壓器低壓補(bǔ) 償側(cè)所需的補(bǔ)償電流
[0019]
[0020] 其中，
込和、分別為帶 濾波繞組的牽引變壓器低壓補(bǔ)償側(cè)的電流，13"和Ibn分別為電網(wǎng)牽引臂a和電網(wǎng)牽引臂b的電流有效值，1和％?分別為電網(wǎng)牽引臂a和電網(wǎng)牽引臂b電流的相位，η表示電流中諧 波的次數(shù)，η=1，2,3···，帶濾波繞組的牽引變壓器高壓側(cè)與牽引側(cè)的變比為&，高壓側(cè)與低 壓補(bǔ)償側(cè)的變比為Κ2;ω= 2πf，表示基波電流的角頻率，f= 50Hz;
[0021] 步驟5 :將步驟4獲得的補(bǔ)償電流Γ通過(guò)PI控制器進(jìn)行調(diào)節(jié)，然后再通過(guò)載波移 相SPWM技術(shù)，將該電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為PWM開(kāi)關(guān)信號(hào)，輸出至MMC補(bǔ)償系統(tǒng)，控制MMC補(bǔ)償系統(tǒng) 中的SM模塊的開(kāi)關(guān)通斷，使得MMC補(bǔ)償系統(tǒng)輸出指定大小和相位的波形，最終使得利用帶 濾波繞組的牽引變壓器低壓補(bǔ)償側(cè)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)償；
[0022] 所述基于步驟4獲得的補(bǔ)償電流Γ利用PI控制器調(diào)節(jié)MMC牽引臂過(guò)程中，滿(mǎn)足 以下兩個(gè)條件：
[0023] 1)"b的有效值與"a的有效值兩者的差值不超過(guò)"3的5%;
[0024] 2)I'b的相位比I'a落后120度；
[0025]其中，/: = /,+/:，/>/,，+ /:.·，:=4乂，/:.=士Ia、Ib 分別為包含諧波后的 帶濾波繞組的牽引變壓器牽引側(cè)的電流；Ix、Iy分別為MMC補(bǔ)償系統(tǒng)輸出的實(shí)際補(bǔ)償電流。
[0026] 所述通過(guò)載波移相SPWM技術(shù)輸出PWM信號(hào)至MMC補(bǔ)償系統(tǒng)中的PWM信號(hào)的生成 過(guò)程如下：
[0027] 當(dāng)帶濾波繞組的牽引變壓器牽引側(cè)電流大于或等于0時(shí)，將與帶濾波繞組的牽引 變壓器牽引側(cè)同側(cè)對(duì)應(yīng)的MMC牽引臂組上所有SM模塊的電容按電壓由小至大的順序排列 SM模塊，按照SM模塊的額定容量，按照電容電壓由小到大的順序，根據(jù)補(bǔ)償電流的PWM開(kāi)關(guān) 信號(hào)的開(kāi)通個(gè)數(shù)，開(kāi)通指定數(shù)量的SM模塊，使得電壓低的模塊快速充電；
[0028] 當(dāng)帶濾波繞組的牽引變壓器牽引側(cè)電流小于0時(shí)，將與帶濾波繞組的牽引變壓器 牽引側(cè)同側(cè)對(duì)應(yīng)的MMC牽引臂組上所有SM模塊的電容按電壓由大至小的順序排列，根據(jù)補(bǔ) 償電流的PWM開(kāi)關(guān)信號(hào)的開(kāi)通個(gè)數(shù)，開(kāi)通指定數(shù)量的模塊，則電壓高的模塊快速放電。
[0029] 檢測(cè)MMC補(bǔ)償系統(tǒng)實(shí)際輸出的電流IJPIy作為反饋信號(hào)引入MMC牽引臂的PI控 制器之前，使MMC補(bǔ)償系統(tǒng)輸出的電流準(zhǔn)確跟蹤補(bǔ)償電流。
[0030] 所述步驟1中牽引臂瞬時(shí)的等效有功電導(dǎo)采用FBD算法計(jì)算：
[0031]
[0032] 所述步驟2中去除帶濾波繞組的牽引變壓器牽引臂瞬時(shí)的等效有功電導(dǎo)的高頻 分量時(shí)，采用截止頻率設(shè)為30Hz的低通濾波器。
[0033] 有益效果
[0034] 1)與平衡變壓器和無(wú)源濾波等單一治理方案相比，該系統(tǒng)能夠?qū)﹄娔苜|(zhì)量進(jìn)行 綜合治理。通過(guò)直流側(cè)調(diào)整帶濾波繞組的牽引變壓器的有功和無(wú)功，解決電網(wǎng)側(cè)負(fù)序問(wèn)題 和兩牽引臂的電壓波動(dòng)問(wèn)題，使帶濾波繞組的牽引變壓器的兩個(gè)牽引側(cè)的輸出功率達(dá)到平 衡，同時(shí)還能進(jìn)行諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償，是解決電氣化鐵路電能質(zhì)量問(wèn)題的綜合性設(shè)備。補(bǔ) 償速度快，特別適合于補(bǔ)償由電力機(jī)車(chē)引起的頻率和幅值快速波動(dòng)的無(wú)功和諧波，不會(huì)出 現(xiàn)由于補(bǔ)償頻點(diǎn)變化產(chǎn)生的諧振，保證了系統(tǒng)安全和瞬時(shí)電能質(zhì)量的達(dá)標(biāo)。
[0035] 2)與其他綜合治理裝置不同的是，本系統(tǒng)使用MMC補(bǔ)償系統(tǒng)作為帶濾波繞組的牽 引變壓器的兩個(gè)牽引側(cè)之間有功和無(wú)功交換的渠道。由于MMC系統(tǒng)具有公共直流母線，所 以在模塊級(jí)聯(lián)的方式時(shí)各MMC牽引臂單元之間可以進(jìn)行自由的能量流動(dòng)，因此級(jí)聯(lián)的MMC 牽引臂單元可以直接連接到高電壓等級(jí)的線路上去，這是而其他級(jí)聯(lián)方式裝置必須通過(guò)變 壓器才能實(shí)現(xiàn)級(jí)聯(lián)所不具有的特點(diǎn)，大大提升了成本，這也是MMC能夠在電氣化鐵路上應(yīng) 用的本系統(tǒng)主要優(yōu)勢(shì)