适用于电气化铁道的静止无功发生器SVG的研究

张永刚，肖彦君，吴茂杉

（中国铁道科学研究院 城市轨道交通中心，北京100081）

电气化铁道使用交流工频单相供电方式，其牵引负荷是电力系统的主要不平衡负荷，且具有非线性、大功率、分布广、大波动性等特征。随着电气化铁道运营里程的不断增加以及铁路运输列车的提速，电气化铁道的电能质量问题［1］，如无功、谐波等亟待解决。目前我国电气化铁道牵引变电所的无功补偿绝大部分采用并联电容器固定补偿，但是这种补偿方式效果不理想，而且响应速度慢，已经不能满足电气化铁道无功补偿的要求。与传统的无功补偿装置相比，SVG具有调节连续、谐波小、损耗低、运行范围宽、可靠性高等优点，现在已经广泛用于配电网、输电网等电路系统中。从SVG的原理出发，结合电气化铁道供电的实际情况，对SVG的各项关键技术进行研究，主要解决补偿无功功率的问题，并对电气化铁道中含量较高的低次谐波进行抑制。

1 SVG的工作原理

从图1中可以看出SVG的工作原理：首先，检测电路从接触网上检测到系统电压、系统电流及负载电流，然后转化为控制信号，输送到主电路逆变器上，再把反馈的补偿电流输送回输电线，从而达到直接电流控制实现无功补偿的目的。

2 SVG主电路结构选择

目前己经投入运用的SVG主要以多重化结构为主。多重化即为对几个输出电压为方波的相同变换器，将它们依次错开相同的相位角，然后把它们叠加起来，形成一个接近于正弦波的阶梯波，以达到消除某些含量高低次谐波的目的。但是在应用到电气化铁路上时，多重化结构的问题是承受系统不平衡能力有限，在系统故障时往往退出运行，且还存在多重化变压器价格昂贵、占地面积大、损耗大以及直流磁偏、饱和导致的控制困难等问题。而多电平结构中的链式结构在系统不平衡的状态下具有更好的谐波特性，而且所有链节的结构完全相同，可以实现模块化设计，便于扩展装置容量及维护，适用于高压、大容量场合［2］。所以链式结构更能够符合电气化铁道无功补偿的要求。以H桥为基本单元的单相链式主电路结构如图2所示。

图1 SVG接入电气化铁道系统结构图

3 电流检测方法研究

传统的基于瞬时无功功率的ipiq法检测框图如图3所示。

图2 单相链式H桥结构图

图3 ipiq检测法原理图

首先U d经锁相环PLL和正余弦发生器获得与相电压基波分量同相位的正余弦信号。负载电流I p、I q、I c经Cαβ变换及C变换得I p、I q，到低通滤波器LPF检出其中的直流分量¯I p、¯I q，经反变换得负载基波电流I af、I bf、I cf，再与负载电流相减得到补偿电流指令值I ah、I bh、I ch。

但是现有的ipiq检测法应用在电气化铁道上，存在以下几个问题：

（1）现有的ipiq法只适用于三相系统，而电气化铁道为单相供电；

（2）现有的ipiq法中的锁相环装置无法适用于电气化铁道。

必须根据上面的几个问题，对现有的电流检测法进行改进。

①单相供电问题

现有的基于瞬时无功功率理论的电流检测法都是基于三相电路。对于单相电路，可以构造出一个对称的三相系统，从而应用三相电路的瞬时无功功率理论。

设单相电路的系统电压、电流分别为：

令U a＝U s，i a＝i s，把单相电路电压和电流都分别滞后π，构造出如下的三相电路：

②锁相环问题

现有的锁相环装置一般采用的相位同步方法是过零比较法。这种方法原理简单易于实现，但在同一个周期内只有2个过零检测点，限制了同步速度。而且电气化铁道电压畸变比较大，因此过零比较法不能准确地检测到正序基波的过零点，甚至在基波过零点附近出现多个信号过零点，因此这种相位同步方法不能适用于电气化铁道，设法消除锁相环装置或改进其相位跟踪方式十分必要。

文献［3］提出了一种基于瞬时无功功率理论的SPLL锁相方式，这种方式的原理如图4所示。

这种锁相方式的基本原理是将三相电源电压U a、U b、U c经αβ变换和pq变换后得到U q（pq变换中用到的相位为锁相的输出*θ），0与U q相减后经PI调节，再与基波频率相减并积分，最终得到输出的相位*θ。整个过程构成负反馈，通过调节PI调节器的参数就可以实现锁相。这种锁相方法结构简单，动态响应速度快，可以应用于本文中SVG的电流检测以取代锁相环。

解决了上面的问题，可以得到适用于电气化铁道SVG的电流检测法原理图如图5。

图4 SPLL锁相方式结构图

图5 改进型的电流检测法原理图

对改进型的电流检测法在matlab中进行仿真，可以得到波形图如图6～图8。

图6 负载电流I a波形图

图7 基波电流I af波形图

图8 谐波、无功电流总和I ah波形图

通过上面的仿真可以看出，改进型的电流检测方法能够很好地实现对单相电路中谐波、无功电流的检测，而且这种检测方法不依赖于系统电压，在系统电压突变时也可以保证检测的实时性、准确性，可以用于电气化铁道中SVG的电流检测。

4 控制电路研究

（1）电流跟踪方式

为了改善控制精度，采用双滞环同时控制。为了解决滞环宽度与控制精度的矛盾问题，考虑将滞环宽度设为零，这样只在每个采样时刻才对指令电流与实际补偿电流进行比较，如果二者相等，则保持原状态，不相等则发出控制信号。这样就用系统的采样频率取代了滞环宽度，同时也决定了开关器件的最高工作频率，缓解了开关损耗过大的问题。这时候滞环比较器相当于过零比较器。

（2）SVG主电路直流侧电压控制

要控制直流侧电压，除了选择合适的直流侧电容外，还必须利用额外的控制电路［4］来调控直流侧电压。

直流侧电压控制电路如图9所示，直流侧电压指令值Udc·ref与实际值Udc之差经过PI调节得到了直流分量Δi p，将其乘以与基波电压同频率的余弦量，然后叠加到检测的无功电流i h上，这样i h中就包含了一定的基波有功电流，则跟踪的补偿电流中也包含一定的基波电流分量，使SVG直流侧与交流侧交换能量，由PWM控制得到直流侧电压实际值Udc，通过闭环控制调节直流侧电压到一个稳定的值。

图9 直流侧电容电压控制图

5 系统仿真分析

针对电气化铁道的补偿要求，本文设计的SVG同时具有补偿无功功率和抑制谐波的功能。下面分别对SVG系统的无功补偿和抑制谐波的效果进行仿真。

（1）无功补偿效果仿真

分别在系统中接入感性负载和容性负载，SVG在0.2 s时接入系统，可以得到系统电压（粗）与负载电流（细）的波形图如图10、图11所示。

从图10、图11波形图可以看出，系统接入感性（容性）负载时，补偿前负载电流明显滞后（超前）系统电压，而补偿后系统电压和负载电流相位基本相同，且滤去了无功电流，使负载电流明显减小，此时系统功率因数接近1，而且过渡过程在一个周期内即可完成。从而表明本文设计的SVG具有很好的无功补偿效果。

（2）抑制谐波效果仿真

保持系统电压不变，根据电气化铁道中谐波主要以3次、5次为主的实际情况，将带有谐波源（11次以内）的负载接入系统，未投入SVG时的负载电流波形和频谱图分别如图12和图13所示。

图10 SVG接入感性负载时仿真波形图

图11 SVG接入容性负载时仿真波形图

图12 未投入SVG时负载电流情况

图13 未投入SVG时电流频谱图

可以看出，未投入SVG时，负载电流中含有大量的奇次谐波，T HD（谐波含量）为49.94%，严重超标。下面来看SVG投入使用后系统的谐波情况（图14、图15）。

图14 投入SVG后负载电流情况

图15 投入SVG后负载电流频谱图

通过比较可以看出，经过SVG补偿后，负载电流不但与电压同相，而且基本变为正弦波，谐波含量也降为3.27%，完全可以满足T HD≤5%的标准要求。从而证明本文设计的SVG也具有良好的抑制谐波功能。

6 结束语

仿真验证表明，本文设计的SVG装置可以快速、准确地对电气化铁路进行无功补偿，文中SVG采用的各项关键技术，如多电平链式结构、改进的电流检测法、改进的滞环控制法以及直流侧电容控制策略等，为以后SVG装置在电气化铁路上的应用提供了一定的理论和技术依据。

［1］周春晓，沈 斐，卜庆华，等.电气化铁路牵引供电系统的分析［J］.机车电传动，2007，（2）：29－30.

［2］何湘宁，陈阿莲.多电平变换器的理论和应用技术［M］.北京：机械工业出版社，2006.

［3］李彦栋，等.新型软件锁相环在动态电压恢复器中的应用［J］.电网技术，2004，（8）：42－45.

［4］李欣媛.并联有源电力滤波器的仿真及软件设计［D］北京：北京交通大学，2006.