电气化铁路电能质量综合治理控制策略研究

周京华，杨征，李秋霈，章小卫

（北方工业大学电气与控制工程学院，北京 100144）

电气化铁路电能质量综合治理控制策略研究

周京华，杨征，李秋霈，章小卫

（北方工业大学电气与控制工程学院，北京 100144）

链式静止同步补偿器（STATCOM）是解决现有的电气化铁路电能质量问题的有效手段。针对链式STATCOM提出了一种多PR调节器并联的多目标控制策略，可以自动补偿无功电流及部分低次谐波电流，同时，也可对链节悬浮电容电压的平衡进行有效控制，达到电气化铁路电能质量综合治理的目的。最后，通过链式STATCOM实验样机，验证了多目标控制策略的可行性及有效性。

链式静止同步补偿器；多目标控制策略；电能质量

电气化铁路具有提高铁路运输能力、降低运输成本、保护生态环境等优点，但由于机车负载变化频繁，呈现出阻性、感性、容性、非线性等不同负载特性，使得电气化铁路供电系统受到很大的影响，形成的供电系统电能质量问题对电力系统的稳定运行和其他电力系统用户的正常用电造成了不可忽视的危害。

电气化铁路供电系统电能质量问题主要包括无功及谐波两个方面，无功电流的产生势必会带来功率因数调整费的支出［1］，加大铁路企业的成本，谐波电流的产生也会造成电气设备的额外附加损耗以及增加输电线路的电能损耗［2］，所以随着电气化铁路的发展，如何治理现有的电气化铁路的电能质量问题也越来越重要。

当链式STATCOM与机车负载共同并联于电网上时，主要对机车负载产生的无功电流进行补偿，往往忽略了负载产生的谐波电流。为了对电气化铁路电能质量问题进行综合治理，本文基于多PR调节器并联提出了一种多目标控制策略，可以使链式STATCOM在自动补偿无功电流的同时，自动补偿部分低次（5次及7次）谐波电流，同时给出了一种链式STATCOM链节悬浮电容电压的平衡控制方法。实验结果表明多目标控制策略的有效性。

1　链式STATCOM结构

目前，电气化铁路牵引网采用27.5 kV的单相电网供电，在机车通过铁轨时，会产生大量的无功及谐波电流。现有的治理措施多采用链式STATCOM对电气化铁路供电网中的无功电流进行补偿，拓扑结构如图1所示。图1中ug为电气化铁路接触网电压；ig为接触网电流；iload为机车负载电流；is为STATCOM输入电流；L为装置的滤波电抗器；ux为每个链节的交流侧输出电压，其中x=1，2，…，n，n为链节数；us为链节级联后输出电压。

图1　n级单相链式STATCOM结构图Fig.1　The structure diagram of n-level single-phase cascade SATCOM

2　多目标控制策略

本文所提出的多目标控制策略包括补偿无功电流、补偿部分低次谐波电流及平衡链式STATCOM链节悬浮电容电压。

2.1无功及谐波电流的提取

为了对电气化铁路供电网中的无功及谐波电流进行补偿，如何提取负载无功及谐波电流是整个系统控制的前提。在三相系统中，多采用基于瞬时无功功率理论的无功及谐波电流检测方法，而电气化铁路采用单相电网供电，针对单相系统多采用延时构造三相的方法，但延时的引入势必会导致负载无功及谐波电流变化不能被及时响应，所以有必要采用一种无延时的电流检测方法。文献［3］中利用锁相环产生的与电网电压同频同相的正余弦信号与低通滤波器，提出了一种无延时适用于单相系统的无功电流及任意次谐波电流的检测方法，该方法控制简单、容易实现。图2所示为基波无功电流的检测框图，图3所示为任意次谐波电流的检测框图。

图2　基波无功电流的检测框图Fig.2　The detection diagram of the fundamental reactive current

图3　任意次谐波电流的检测框图Fig.3　The detection diagram of any harmonic current

图2中，cos（ωt）为锁相环产生的与电网电压同频同相的余弦信号，i（qt）为从负载电流中提取的无功电流。图3中，cos（nωt）为锁相环产生的n倍于电网电压频率的余弦信号，in（ht）为从负载电流中提取的n次谐波电流。

2.2多目标控制策略电流环的设计

由于链式STATCOM既要补偿负载无功电流还要补偿谐波电流，所以从负载提取出的无功电流与谐波电流之和取反便可作为多目标控制电流环的电流指令值之一。

考虑到系统为单相系统，且电流环给定电流值为交流信号，传统的PI调节器在单相系统中无法实现对交流信号的无静差跟踪［4］，根据内模原理，在单相系统中可采用准比例-谐振（PR）调节器对交流信号进行无静差跟踪［5］，由于给定信号中除了含有基波频率的无功电流外，还含有5倍基波频率和7倍基波频率的谐波信号，所以需要采用多个准PR调节器并联的方式对不同频率的交流电流给定信号进行跟踪，图4所示为链式STATCOM的电流环控制框图。

图4　链式STATCOM电流环控制框图Fig.4　The control diagram of STATCOM current loop

在图4中，i5h，i7h分别为负载电流经过谐波电流提取出的5次，7次谐波，ip为链式STATCOM为补偿系统损耗而形成的有功电流给定值。

2.3链式STATCOM悬浮电容电压平衡控制

链式STATCOM各链节直流侧电容电压平衡是系统稳定运行的前提，所以可靠有效地链节电容电压平衡控制方法是至关重要的，文献［6］中提出了一种基于有功电流进行内部分配的控制方法。该方法对各链节直流侧电容电压进行闭环控制，输出为有功电流的调节量。图5所示为链式STATCOM的悬浮电容电压平衡控制框图。

图5　悬浮电容电压平衡控制框图Fig.5　The balance control diagram of suspended capacitance voltage

3　系统整体控制策略

对于链式STATCOM，如果链节悬浮电容电压恒定，且输出电压一致，则整个系统可以等效为1个H桥单元来控制。当链式STATCOM等效为1个H桥单元时，可结合传统的单相H桥控制策略，采用电压电流双闭环对链式STATCOM进行控制。

基于图3～图5可得以5个链节为例的单相链式STATCOM多目标整体控制策略框图，如图6所示。

图6　链式STATCOM的多目标整体控制框图Fig.6　The overall multi-objective control strategy block of chain STATCOM

4　实验验证

为了进一步验证本文提出的多目标控制的正确性，搭建了基于DSP TMS320F28335控制的实验平台。图7所示为构建的实验平台结构图，以感性负载模拟无功负载，以电流源模拟谐波源。

图7　实验平台结构图Fig.7　Experimental platform structure diagram

图8　未加入平衡控制时各链节电容电压波形Fig.8　Chain suspension capacitor voltage waveforms without balance control

样机采用5个链节串联，实验额定参数如下：电网电压220 V，额定电流15 A，电网频率50 Hz，链节母线电容3 300 μF，链节母线电压80 V，滤波电感10 mH，无功负载5 Ω+10 mH，5次谐波电流源3A，7次谐波电流源2A。

图8所示为未加入悬浮电容电压平衡控制时的各链节的直流电压波形。

由图8可见，由于各链节参数及脉冲延时的不一致性，链节直流侧电容电压会出现差异。这里由于示波器通道数限制，只显示了链节1～链节4的悬浮电容电压波形。

图9所示为加入平衡控制算法后4个链节的悬浮电容电压波形。

图9　加入平衡控制后各链节电容电压波形Fig.9　Chain suspension capacitor voltage waveforms with balance control

由图9可见，4个链节的悬浮电容电压值均稳定在30 V左右，可见加入了悬浮电容电压平衡算法后，4个链节的悬浮电容电压值差异几乎为零，不平衡现象得到了较好的控制。

为了进行无功负载的补偿实验，实验中采用电感和电阻串联来模拟无功负载。图10所示为无功补偿前后电网电压和电流波形。

图10　链式STATCOM无功补偿实验波形Fig.10　Chain STATCOM reactive power compensation waveforms

在图10中，由于感性无功负载的接入，未补偿前电网电流ig滞后电网电压一定相位，功率因数较低。加入链式STATCOM补偿后，电网电流ig与电网电压ug基本同相位，系统达到单位功率因数，补偿效果较好，而且切换过程比较稳定。

为了验证链式STATCOM对5次及7次谐波电流的补偿能力，在感性负载上并联2个电流源来模拟5次及7次谐波源。

图11所示为投入链式STATCOM的网侧电压ug及电流ig。图11中，在t1时刻开始投入无功电流补偿算法；在t2时刻投入5次谐波电流补偿算法；在t3时刻投入7次谐波电流补偿算法。

图11　补偿之后的网侧电压及电流Fig.11　The grid side voltage and current after the compensation

在图11中，t1～t2时间内网侧电压ug及电流ig基本同相位，但由于未对5次及7次谐波电流进行补偿，电流畸变率仍然较大。t2～t3时间内为系统补偿了无功电流及5次谐波电流之后的网侧电压ug及电流ig，t3时刻之后为系统补偿了无功、5次及7次谐波电流之后的网侧电压ug及电流ig，从图11中可以看出，此时网侧电流ig即保证了与网侧电压的同相位，同时保证了较高的正弦度。

通过以上样机实验，各链节悬浮电容电压实现了平衡控制，无功电流补偿和低次谐波补偿效果较好，验证了多目标控制的有效性和正确性。

5　结论

本文通过对电气化铁路的介绍，阐述了其供电系统的电能质量问题，针对链式STATCOM提出了一种多目标控制策略，并给出了无功及谐波电流控制策略与链节悬浮电容电压平衡控制方法，最后通过实验样机验证了控制策略的可行性及有效性。

［1］ 耿杰，钮承新.电气化铁路的功率因数与经济效益［J］.中国铁路，2000（12）：18-20.

［2］ 徐杰，俞扬波.曲靖110 kV电气化铁路用电谐波危害分析［J］.电网技术，2006（S2）：505-508.

［3］ 车蓉蓉，徐蓉.一种单相电路谐波及无功电流实时检测方法［J］.江苏电机工程，2013，32（4）：41-44.

［4］ 刘斌，谢积锦，李俊，等.基于自适应比例谐振的新型并网电流控制策略［J］.电工技术学报，2013，28（9）：186-195.

［5］ 赵清林，郭小强，邬伟扬.单相逆变器并网控制技术研究［J］.中国电机工程学报，2007，27（16）：60-64.

［6］ 周京华，孙凯，章小卫，等.电气化铁路用单相链式STATCOM控制平台研制［J］.电力电子技术，2013，47（10）：63-65.

Control Strategy Research on Electrified Railway Power Quality's Comprehensive Treatment

ZHOU Jinghua，YANG Zheng，LI Qiupei，ZHANG Xiaowei
（Engineering and Control Engineering School，North China University of Technology，Beijing 100144，China）

Chain static synchronous compensator（STATCOM）is effective to solve the existing problem of electrified railway power quality.Put forward a more PR regulator parallel multi-objective control strategy for STATCOM.That could automatically compensate the reactive current and part of low harmonic current.At the same time，it was also effective to control link suspended capacitor voltage to achieve the goal of electrified railway power quality comprehensive treatment.Finally，the result of the chain STATCOM experiment prototype verifies the feasibility and effectiveness of the multi-objective control strategy.

chain static synchronous compensator；multi-objective control strategy；power equality

U482.1

A

2015-09-02

修改稿日期：2016-01-21

北京市自然科学基金项目（3142008）

周京华（1974-），男，博士，教授，Email：zjh@ncut.edu.cn