基于旋转坐标系结合PI控制的铁路功率调节器

江友华, 江相伟

(上海电力学院 电子与信息工程学院, 上海 200090)



基于旋转坐标系结合PI控制的铁路功率调节器

江友华, 江相伟

(上海电力学院 电子与信息工程学院, 上海 200090)

采用铁路功率调节器(RPC)来治理高速铁路供电系统中存在的负序、无功和谐波等电能质量问题.使用两个背靠背的变流器来实现无功补偿和谐波处理.在RPC系统下,提出Vv变压器下电流检测方法和旋转坐标系结合PI的控制策略,用以减少工程的计算量和交流误差,实现RPC直流侧的质量稳定.并利用Matlab进行试验仿真,仿真结果显示RPC具有良好的电能优化能力,能进行负序的补偿和谐波治理.

谐波治理; 旋转坐标系; PI控制; 铁路功率调节器

由于铁路系统中负载不平衡,导致了负序电流的产生[1-3].而负序电流和谐波会影响电力传输系统的承载能力,并带来额外的损耗,更有可能导致发电机组和机车无法稳定运行[4-5].因此,铁路系统中供电系统的稳定性是亟待解决的难题.

目前,国内采用了三相高压侧安装配电网静止同步补偿器的方法,但由于主电路要承受110 kV或者220 kV的电压,所以有很高的复杂性和难度.而采用有源滤波器虽然可以治理谐波,但是不能补偿负序电流.湖南大学吴传平等人的铁路功率调节器(Railway Static Power Conditioner,RPC)[6]采用交流进行PI控制,但会引起静态误差且工作量巨大.本文采用旋转坐标系变换,使得控制量变为直流量,以减小静态误差.仿真结果表明,采用这种方法的效果较好.

1 RPC 的基本原理

RPC的基本结构如图1所示.图1中未画出自耦变压器.

图1 RPC 结构示意

由图1可以看出,两个背靠背的变流器通过并联直流电容提供稳定的电压,并且通过输入阻抗连接降压变压器,最后连接供电臂额定的27.5 kV电压.通过控制两变流器的电流来控制左右两臂之间的功率流向,进而抑制谐波和提供无功功率.

假设图1中的左右供电分别为a相和b相单相供电.若不考虑谐波影响,以电网的A相电压为基准,则两边的基波电流分别为:

(1)

式中:IaLf,IbLf——a相和b相的基波电流的有效值.

设V/v变压器变比为K,可知:

(2)

假设IaLf>IbLf,这时三相电流如图2所示.

从图2可看出,三相电流均不同,A 相电流滞后电压 30°,B 相电流超前 B 相电压 30°,系统中存在负序电流.

图2 补偿前的三相电流向量示意

此时,只用补偿无功电流就可以让三相电流对称,应补偿的无功电流为:

(3)

其中a相发出的无功功率被b相吸收.补偿后的三相电流如图4所示.

图3 RPC调节两供电臂有功功率后的三相电流向量

图4 RPC调节两供电臂的有功功率和无功功率后三相电流向量

从图4可以看出,三相电流已完全对称.

综上可知,当IaLf>IbLf时与上述情况相似,得出一般情况下 RPC 两变流器在两供电臂电压侧的负序补偿电流为:

(4)

式中:Icaf,Icbf——RPC 中a相和b相侧变流器在27.5 kV下的等效电流,以流入RPC 的方向为正方向.

RPC产生与负载谐波电流幅值相等、相位相反的电流来抵消负载谐波.设a相和b相的负载谐波电流分别为IaLh和IbLh,则RPC产生的谐波补偿电流为:

(5)

故RPC两变流器的综合补偿电流为:

(6)

设降压变压器变比为kt,将式(6)乘以kt即可得到RPC 两变流器在低压侧的补偿电流.

2 负序与谐波补偿电流检测方法

因为RPC的参考电流需要有功部分和无功部分,故设计了其电流检测电路,如图5所示.

图5 负序和谐波电流检测电路

设a相和b相两供电臂负载瞬时电流分别为:

(7)

式中:iaL,ibL——a相和b相供电臂的负载瞬时电流;

IaLh,IbLh——a相和b相第h次谐波电流有效值;

φah,φbh——第h次谐波的相位.

两供电臂的瞬时有功功率Pa和Pb与单臂电流对应的电压经锁相环(Phase Locked Loop,PLL)产生的电压同步信号相乘,有:

(8)

(9)

进一步化简为:

Pa和Pb中的直流分量之和为:

(12)

(13)

式中:ia,ib——经补偿负序和谐波后a相和b相供电臂的电流值.

从式(13)可以看出,a相和b相供电臂电流包括了需将三相电流补偿为对称电流的有功和无功电流.再将三相侧A相和B相电流的理论值减去a相和b相供电臂电流,即得出RPC中a相和b相供电臂侧两变流器的补偿电流参考电流量:

(14)

(15)

将式(7)代入式(14)和式(15),化简得:

(16)

(17)

则ktica和kticb就是补偿电流ica′和icb′.

3 基于旋转坐标系的RPC控制策略

为了使变流器正常工作,需要提供一个稳定的直流电压,因此RPC的补偿电流在原有基础上再叠加一个直流有功分量.对两变流器采用PI控制,为了使PI控制更加迅速准确,采用旋转坐标系变换,使得控制量变为直流量,以减小静态误差,其原理如图6所示.假设坐标变换输出为d,输入为i′ca和θ,则变换公式为:

(18)

设b为输出,d和θ为输入,则逆变换公式为:

(19)

图6 RPC 控制原理示意

4 仿真分析和验证

使用Matlab的Simulink来进行仿真,验证上述控制策略的有效性.用电阻负载和不可控整流负载并联来模拟高速铁路电力机车负载.

表1 RPC系统仿真参数

分别让左右两臂承受4 800 kW和0负载,仿真结果如图7所示.由图7可以看出,RPC并网前三相电流无功功率不平衡,有谐波;RPC 补偿后,三相电流质量得到明显提高.

以上实验证明:在RPC系统下,使用两个背靠背的变流器可以实现无功补偿和谐波处理.对Vv变压器采用电流检测方法和旋转坐标系结合PI的控制策略,确实能够减少工程的计算量和交流误差,实现RPC直流侧的质量稳定.

图7 RPC补偿前后三相电流波形

5 结 论

(1) RPC的两个变流器结合V/v变压器能够在大功率场合提供良好的谐波治理能力和无功补偿效果;

(2) 旋转坐标系转换后的直流量有利于PI控制,保证了RPC控制响应的快速性.

[1] 李群湛,连级三,高仕斌.高速铁路电气化工程[M].成都:西南交通大学出版社,2006:155-165.

[2] KNESCHKE T A.Control of utility system unbalance caused bysingle-phase electric traction[J].IEEE Transactions on Industry Applications,1985,21(6):1 559-1 569.

[3] 张力强,罗文杰,吕利军.电气化铁路牵引负荷的不利影响及治理方案[J].电网技术,2006,30(增刊):196-198.

[4] 李群湛.牵引变电所供电分析及综合补偿技术[M].北京:中国铁道出版社,2006:1-50.

[5] 欧阳帆,周有庆,高乐,等.基于平衡变压器的三相-单相对称供电条件研究及参数匹配[J].中国电机工程学报,2008,28(3),158-162.

[6] 吴传平,罗安,徐先勇,等.采用V/v变压器的高速铁路牵引供电系统负序和谐波综合补偿方法[J].中国电机工程学报,2010,30(16):111-117.

(编辑 白林雪)

Railway Static Power Conditioner Based on Rotating Coordinate System Combined PI Control

JIANG Youhua, JIANG Xiangwei

(SchoolofElectronicsandInformationEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

A railway static power conditioner is used to manage the problem of power quality about harmonic,reactive and negative-sequence that exists in the power supply system of high speed railway.And two back-to-back converters is used to realize reactive power compensation and harmonic treatment.In the RPC system,the current detection method and rotating coordinate control strategy combining PI is proposed to reduce the amount of computation and communication engineering error,and to achieve stable quality of RPC DC side.Finally,Matlab is used to conduct simulation test.The simulation results show that PRC has good power optimization ability,compensation and harmonic control to negative sequence.

harmonic elimination; negative sequence current; rotating coordinate system combined PI; railway power regulator

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.01.008

2016-03-16

江相伟(1991-),男,在读硕士,安徽安庆人.主要研究方向为电力系统信号检测与节能控制.E-mail:243866450@qq.com.

上海市地方能力建设项目(14110500900).

U223.52;TP183

A

1006-4729(2017)01-0033-06