殷 雄，罗隆福

(1.广西电网电力调度控制中心，南宁 530023;2.湖南大学电气与信息工程学院，长沙 410082)

电气化铁道牵引供电系统通常存在牵引负荷随机波动，功率因数低，谐波含量大等问题，且由于牵引系统固有的结构不对称性，导致返回至供电系统的电流中含有大量负序电流，从而影响受电点的电压水平，还使牵引供变电设备的容量利用率变低。其产生的谐波和无功等问题直接威胁着公用电网和其自身的安全运行［1，2］。随着电力系统的不断发展，人们对电能质量的要求越来越高，因而对铁路牵引供电系统电能质量的研究具有很大的现实意义。

传统的抑制网侧谐波电流的措施是在负荷端口装设无源电力滤波器PPF(passive power filter)，它可兼顾补偿无功功率，具有结构简单，投资少，运行维护技术成熟等优点。近年来应用的晶闸管相控电抗器TCR(thyristor controlled reactor)与固定电容器FC(fixed capacitor)相结合的静止无功补偿装置SVC(static var compensator)能有效地提高功率因数、稳定牵引网压、减少负序电流［3，4］。但是存在相当多的缺陷，例如，有可能在特定频率下与系统阻抗发生并联谐振，使该次谐波电流放大;由于电力牵引负荷变化很剧烈，牵引供电系统的无功功率和电流随之波动，不可调补偿装置响应速度比较慢，特别是采用“反送正计”的无功计量方法的时候，功率因数将大幅下降等。

有源电力滤波器APF(active power filter)能够对变化的谐波进行动态跟踪补偿，基本上克服了无源电力滤波器的缺点［5，6］。但目前的有源电力滤波器在补偿容量、开关元件的耐压和开关频率上受到限制，如果单独用于电气化铁道牵引负荷这样的高电压等级、大容量谐波源的补偿，目前在工程实现的经济性和技术性上都存在相当的困难［7～13］。因此，针对无源电力滤波器和有源电力滤波器各自的特点，充分发挥无源电力滤波器耐高压、大容量和容易实现的特点，以及有源电力滤波器所具有的宽谐波抑制范围、动态响应特性好和自动跟踪的优势，设计无源——有源混合型的电力滤波器将是一种投资适中、技术先进和性能优越的无功和谐波综合补偿方案。在工程应用中，首先需要考虑的是成本和技术上的可行性。根据电气化铁道谐波治理工程大容量、高电压、低成本并兼顾无功补偿的要求，本文将提出一种新型的基于混合滤波及动态无功补偿的电能质量优化控制系统。

1 系统整体结构与工作原理

1.1 系统结构

牵引供电系统电能质量综合优化控制系统的主电路拓扑如图1所示，其特点是在牵引供电系统27.5 kV侧的两相分别安装并联混合补偿装置，对电力牵引负荷产生的谐波与无功进行就地补偿。混合补偿装置由APF、PPF和可调无功补偿装置SVC组成。为充分利用目前牵引变电站已有的3次谐波的滤波支路，将原有的3次滤波支路改造成图1所示的带基波谐振的3次滤波支路。其中，L1和C1调谐在基波频率，整条支路调谐在3次谐波频率。利用L1、C1基波串联谐振对基波短路，APF只承受谐波电压，大大地降低了APF的容量，T是耦合变压器，可以进一步降低APF的电压等级，从而有效地降低有源滤波器的造价。

PPF在滤除部分谐波的同时还担负着固定无功补偿的任务，能承担绝大部分的基波电压。APF只对3、5、7次谐波以外的谐波进行补偿，补偿PPF滤波能力的不足，防止PPF过载及与系统发生谐振。L0、C0和R0构成APF的低通滤波支路。

由于PPF提供的无功功率是固定的感性无功功率，不能无级的连续的补偿牵引系统的无功需求，增设一组晶闸管投切电抗器TCR和PPF的电容器共同构成静止无功补偿器SVC，使得输出的无功在容性和感性范围内都连续可调。TCR的加入主要作用是当牵引负荷波动时，吸收PPF产生的多余无功。由于本文中所优化设计的TCR容量并不大，其本身产生的谐波对滤波装置的滤波性能影响有限。另外，SVC还能够通过检测负荷中负序电流大小和相位，发出适当的无功电流，改善系统负序电流严重的问题。

图1 主电路拓扑结构Fig.1 Main-circuit Topological structure

1.2 工作原理

电能质量综合优化控制系统的工作原理如图2所示，图2中Ush为系统等效谐波电压，Zsh为系统谐波阻抗，Z7h和Z5h分别为7次、5次滤波支路阻抗。n2Za为APF滤波阻抗折算到变压器高压侧的等效值。变压器T看成理想变压器。负载谐波可以看成一个谐波电流源iLh，有源部分等效为一个受控电流源iAF。有源部分产生与负载谐波电流减去3、5、7次谐波剩下谐波电流大小相等、方向相反的电流，通过L3、C3注入系统，抵消负载谐波除去3、5、7次谐波电流剩下的谐波电流，达到谐波治理的目标。由图2可知，APF发出的谐波电流一部分注入电网，补偿负载谐波电流，另一部分通过基波串联支路消耗掉了。

图2 工作原理图Fig.2 Operating principle diagram

2 控制策略

2.1 APF 控制策略

APF控制框图如图3所示，主要可以分为四部分:数字信号处理部分、电流跟踪部分、驱动部分、故障保护部分。主要功能包括脉冲同步、APF行为控制、产生触发脉冲和对装置的保护。数字信号处理系统主要完成对系统电压电流的同步检测、计算和实时显示，根据一定的算法得出补偿电流的指令信号进而控制IGBT的通断，同时将装置的运行情况和补偿效果等信息通过RS485送给上位机以便监控和查询。控制器是整个控制系统的核心部件，这里主控制芯片采用TMS320F2812，FPGA配合完成APF的过电压、过电流保护。

图3 APF控制框图Fig.3 APF control block scheme

为了保证混合补偿系统稳定并具有良好的动态响应和最佳的谐波抑制效果，APF的控制采用直接电流跟踪控制方法。应用瞬时无功功率理论检测、计算系统电流谐波含量ih和APF已经发出的电流ic，然后减去PPF发出的的3次、5次、7次谐波电流(采样一个工频周期的电流，通过快速傅里叶变换计算得来)，得到此时电网本该由APF补偿的谐波电流ish，结合APF已发出的补偿电流ic，便可以得到下一时刻APF应发出的补偿电流。再通过PI控制器就可以得到APF输出的补偿电流的指令信号，将做为调制信号，经过三角波PWM调制就可以得到IGBT的控制脉冲。

2.2 TCR控制策略

TCR的控制原理图如图4所示。通过采样系统的电压电流，计算出系统的等值导纳。根据折算后的系统的等值总电纳，并计算出PPF中的等效电纳，总电纳扣除PPF中的等效电纳，即是TCR所需的电纳，其与晶闸管的触发角有如下关系:

式中 Bmax=1/ωL。

通过采样系统的电压信号，经过锁相环倍频，得到同步脉冲信号，此同步信号将作为TCR的基准信号，它是控制角α的基准。由控制信号加上时间基准即可产生TCR触发脉冲，经放大后驱动晶闸管。需要注意的是TCR与APF的采样时刻是同步的。

图4 TCR控制系统原理框图Fig.4 Principle diagram of TCR control system

3 容量优化配置

混合滤波器的容量优化配置是指根据PPF和APF的允许容量等级，明确各自的滤波任务。通过对PPF滤波支路补偿无功的合理分配使得电容器组、串联电抗器及APF的总容量最小。容量优化模型是以电容器组容量、串连电抗器容量、QTCR以及APF容量SAPF的总容量最小为目标函数，同时以PPF各支路在基波下满足一定的无功补偿容量Qw，以及PPF的n次单调谐滤波支路满足一定的谐波残余度HRRh为约束条件而构造的计算模型，式(4)中Z(h)PPF为PPF的h次谐波等值阻抗，Z(h)ST为系统和牵引变压器的h次谐波等值阻抗。

目标函数为

约束条件为:

这里的容量优化配置是一个有约束条件的非线性规划问题，MATLAB提供了基于Kuhn-Tucker方程解的有约束非线性优化函数fmincon，根据具体的目标函数、约束条件、优化变量的初始值等就可以算出优化结果。限于篇幅，本文不对此详细论述。

4 仿真结果

4.1 容量优化

以成都某牵引变电所的一个供电臂为研究对象，已知参数为:

VB=27.5 V，I=420.667 A，x=0.5，cos φ0=0.706，cos φc=0.98，Qw=1552.53 kVA，ZST=(1.8968+j5.102)Ω，式中，cos φ0为原功率因数;cos φc为补偿后的功率因数。利用前面提到的优化模型和优化算法，容量优化后的结果如表1所示，混合电力滤波器的总容量为4154.92 kvar，其中APF的容量为248.73 kvar，易于工程实现。

表1 混合电力滤波器容量优化设计结果Tab.1 Optimal design result of the capacity of the hybrid power filter

4.2 仿真分析

根据获取的容量优化参数，采用Matlab/Simulink对所提出的电能质量综合优化控制系统进行仿真研究。装置投入前后系统参数对比如表2所示。图5所示为成都某牵引变电所网侧实测电压电流波形，可以看到电流波形畸变很严重。由表2可知，混合滤波装置投入后，在不同负载下的电网电压，功率因数和谐波百分比都有明显的改善，各项指标都优于国标。这里需要对表2说明的是，在牵引负荷低，系统出现过补的情况下才投入TCR。

表2 混合滤波装置投入前后系统响应结果对比Tab.2 Comparison of system responses between

图5 成都某牵引变电所网侧电流电压实测波形Fig.5 Measured voltage and current waveforms at the grid side of certain traction system in Chengdu city

图6和7分别是混合滤波装置投入前后系统三相电流的仿真波形。投入混合滤波装置后电流总畸变率大大降低，由原来19.23% 下降到1.56%。图8为滤波装置投入前后功率因数对比图。由图8可知，混合滤波装置投入后，系统功率因数提高到0.98。

图6 混合滤波装置投入前后系统侧三相电流波形Fig.6 Current waveforms at the grid side of the traction system without hybrid filter

图7 混合滤波装置投入后系统三相电流波形Fig.7 Current waveforms at the grid side of the traction system with hybrid filter

图8 混合滤波装置投入前后系统功率因数对比Fig.8 Comparison of the power factor between the systems with and without hybrid filter

5 结语

本文针对电气化铁道牵引供电系统存在的电能质量问题，提出并研究了一种由混合滤波和动态无功补偿装置构成的电能质量综合优化控制系统。并从工程应用角度，对控制系统各个组成部分进行了设计。所提出的控制系统充分发挥了无源和有源滤波器各自的优点，在满足一定技术指标的前提下，最大限度地减少了有源部分的容量，同时，实现了对牵引供电系统侧功率因数的动态调整，综合解决了当前纯有源滤波容量有限的现状下的电气化铁道谐波、负序和无功等电能质量问题。最后，通过详细的仿真研究验证了所提出的电能质量综合优化控制系统的有效性及其所具有的良好的电能质量控制效果。

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