电铁综合补偿电流实时检测方法研究

2010-09-21陆子清

电气化铁道 2010年6期

陆子清

0 引言

电气化铁道的电力机车负荷一般均是通过降压变压器接入电力系统线-线间的单相负荷，当单相功率较大时，可使三相电力系统的电流和电压产生不平衡；另外，机车为整流型，则牵引电流波形还可因整流产生畸变。对于上、下半周对称的非正弦波形，其谐波仅含奇次高次谐波，尤以3次谐波含量最大。整流式电力机车的功率因数约为 0.8～0.84，加上牵引网和主变压器的无功消耗，归算至牵引变电所一次侧的平均功率因数约为0.75[1]。有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波和补偿无功的电力电子设备，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，其应用可以克服LC滤波器等传统的滤波和无功补偿方法的缺陷。有源滤波器工作的起始端是指令电流检测电路，即检测出电流中的谐波和无功等电流分量，然后把需要补偿的电流信号传给下一级电路，因此有源滤波器进行补偿的关键是电流检测电路[2]。目前较成熟的瞬时无功功率理论，旨在补偿三相系统谐波和无功电流。如果能将成熟的谐波和无功电流检测技术加以改造，使之应用于牵引供电系统中含量较大的负序、谐波和无功电流检测中，则具有很大意义。本文基于瞬时无功功率理论，针对牵引供电系统中含量较高的负序电流和含量较高的谐波和无功电流，提出了2种检测方法，即基于瞬时无功功率理论的单相检测法和有功电流分离法。理论分析和仿真表明：2种方法都能够利用传统的谐波和无功电流检测理论来实现对牵引供电系统中负序、谐波和无功电流的检测，且具有实时性好，检测精度高的特点。

1 基于有源滤波器补偿的牵引供电系统

牵引变压器向上下行线路的2条供电臂供电，如使两输出侧相电压相位角为90°，虽不是各相之间相位角为2π/m（m表示相数）的各相对称系统，却是一个平衡系统。当两相负荷相等、功率因数相等时，原边三相电流将组成三相对称系，通常将三相变换为相位相差90°的两相系统，并能保持原边三相电流平衡的变压器称为平衡变压器。故平衡变压器具有变压和换相功能，适用于铁道牵引供电系统[3]。

图1表示装有有源滤波器的牵引变电所，其中牵引变压器采用Scott接线平衡变压器，左边为M座变压器，右边为T座变压器，T座变压器的一边由M座变压器绕组的中点引出，T座变压器的绕组匝数是M座变压器的倍[6]。APF为有源滤波器，其工作电路包括指令电流运算电路（检测电路）、补偿电流发生电路。检测补偿对象的电流，经指令电流运算电路计算出补偿电流的指令信号，该信号经过补偿电流发生电路放大得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波和无功等电流相抵消，最终得到所需要的电流。在图1中，2个有源滤波器共用一个直流电源，起到传递有功分量的作用。因此，电容 C是变压器两副边绕组的能量传输通道，2个端口均需要电容C进行能量的缓冲与交换[5]。

图1 牵引供电系统综合补偿装置框图

2 负序谐波与无功补偿电流检测

2.1 基于瞬时无功功率理论的单相检测法

目前比较成熟的基于瞬时无功功率检测方法是基于三相电路的，而对于电气化铁道单相电路的检测可以考虑通过单相构造三相的思路，更简单的是可以直接从单相电流构造α，β两相电流即令iα=is，延时90°为iβ，其检测结构框图如图2所示。

图2 基于瞬时无功理论的单相检测图

根据瞬时无功功率理论：三相电路瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq分别为矢量i在矢量e及法线上的投影。即

2.2 有功电流分离法

电压没有畸变时，电压为

电流为

式中，

式中，ip为基波有功电流，ip=i1cosφ1sin(ωt)，iq为基波无功电流，iq=i1sinφ1cos(ωt)，ih为谐波电流，

将式（8）两边同乘以2sinωt得：

同理将式（8）两边同乘以2cosωt得：

由式（9）、式（10）可知，采用低通滤波器（LPF）可得到Ip，Iq，采用锁相环（PLL）产生与电源电压同步的标准 sinωt，cosωt函数，可得到ip，iq。电源滤波器可以根据用户的选择，对谐波和无功电流同时进行补偿或只对谐波进行补偿。如果对谐波和无功电流同时进行补偿，则只需分离出基波有功电流作为补偿电流，算法更简单。框图如图3所示。此时的锁相环可以去掉，而通过控制电路产生与电网电压频率相等，相位相同的正余弦信号，在实现时，让控制系统内部产生的与电网电压同频的正余弦信号参与计算，这样实现起来更加简单。