一种牵引变电所SVC+APF混合滤波协同控制方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种牵引变电所SVC+APF混合滤波协同控制方法及装置。所述协同控制方法包括采样牵引配电网的电压、电流波形，采用瞬时无功功率理论对波形进行分解计算出基波无功分量和各次谐波分量，在SVC进行阶梯性无功及固定次谐波进行补偿的基础上，通过APF对剩余需补偿的无功电流、剩余需滤除的谐波电流进行补偿。本发明专利技术实现了在较低成本前提下，对牵引变电所在已有设备基础上方便进行改造，并实现高速铁路供电段电能质量的实时动态精确补偿，改善高速电气化铁路的供电质量。在电能质量方面，为牵引变电所建设或改造提供有意义参考。

A Synergetic Control Method and Device of SVC+APF Hybrid Filter for Traction Substation

The invention discloses a SVC + APF hybrid filter cooperative control method and device for traction substation. The coordinated control method includes sampling the voltage and current waveforms of traction distribution network, decomposing the waveforms with instantaneous reactive power theory to calculate the fundamental reactive power component and each harmonic component, compensating the residual reactive current to be compensated and the residual harmonic current to be filtered by APF on the basis of step reactive power and fixed harmonic compensation by SVC. The invention realizes the transformation of traction substation conveniently on the basis of existing equipment under the premise of lower cost, realizes the real-time dynamic accurate compensation of power quality of high-speed railway power supply section, and improves the power supply quality of high-speed electrified railway. In terms of power quality, it provides a meaningful reference for the construction or transformation of traction substation.

【技术实现步骤摘要】
一种牵引变电所SVC+APF混合滤波协同控制方法及装置
本专利技术涉及一种牵引变电所SVC+APF混合滤波协同控制方法及装置。
技术介绍
目前我国高速铁路列车采用电力牵引，而电力机车运行需要与之配套的牵引供电系统，牵引供电系统是高速电气化铁路从电力系统接入电源，经牵引变电所降压转换给电力机车供电的电力网络。牵引变电所主要担负牵引电能的变换工作，它将电力供电系统中高压输电线送来的电能，通过牵引变压器降压为25kV单相工频交流电，供牵引机车使用。目前我国高速电力机车主要为交直交型。高速电力机车从接触网取得25kV工频单相交流电，采用四象限整流，再通过GTO或IGBT控制导通和关断角来实现逆变。由于在整流和逆变过程中会产生大量谐波，主要含有3、5、7次谐波，同时产生大量无功。为了降低高速铁路配电系统无功电流，提高功率因数，减少谐波电流，提高配电系统电能质量，国外主要从3种途径进行治理：直接在机车上装设滤波补偿装置；在牵引站装设滤波器；在电力系统变电站集中进行综合治理，改善电能质量。我国目前在就近补偿原则的指导下，主要采用前2种方式：1)就近在机车上安装车载动态无功补偿装置。在机车牵引绕组上设置晶闸管投切(ThyristorSwitchedCapacitor，TSC)的静态无功装置(StaticVarCompensator，SVC)，将补偿装置调谐至3次或5次谐振状态，无功补偿的同时，兼顾谐波滤除。由于牵引机车为短时冲击负荷，电力机车在每个区段的运行时间在几分钟至十几分钟之间，同时规定50％以上额定功率时才投入补偿装置，但全线的机车大部分时间在50％以下功率运行，容易造成系统过补或者欠补，整体补偿效果欠佳。2)在牵引变电站装设无源滤波器。这类设备一般通过真空断路器投切，不可能频繁动作，容量固定，因此滤波效果一般，还可能与系统发生谐振。断路器投切时产生很大的电流冲击和过电压，容易损坏开关器件和电容器。随着IGBT、MOSFET等全控型电力电子器件的发展，基于脉宽调制技术(PulseWidthModulation)的有源滤波器(ActivePowerFilter，APF)技术日益成熟，产品已经在冶金、风电、煤矿、轧钢等行业广泛应用。APF应用主要采用并联的方式，通过将电抗器接入电网，实时采集系统电流进行分析，分解出高频谐波和无功功率，通过PWM技术，调节逆变器交流侧输出电压的幅值和相位，产生与谐波或无功电流大小相等、相位相反的电流，并将其注入电网，从而达到滤除谐波、吸收无功的目的。国内外已经有将APF应用在轨道交通中的成功案例，但由于全容量的APF价格高，无法在铁路配电网中大面积推广。目前已经有一些高校、企业和研究单位开展了将SVC和APF结合类似方面的研究。申请公布号CN108075491一种基于微电网储能系统的APF、SVC组合的电能质量治理方法，在微网母线上连接有储能系统、负荷、SVC和分布式电源装置，通过储能系统、APF、SVC的统筹协调使用，使电池储能系统既可以有效地维持微电网的功率平衡，系统各种状态运行稳定，又能很好地改善微电网的电能质量。该专利实现方法比较简单，但储能系统的投入较大，并不适合牵引变电所的改造及应用。此外国外学者UzukaT等人在文献《AstaticvoltagefluctuationcompensatorforACelectricrailway》中提到采用功率调节器(RailwayStaticPowerConditioner，RPC)和SVC结合的方式，能很好的平衡负序电流和补偿无功，综合特性较好，但控制复杂，RPC容量大，成本高，对原补偿系统改动大，初期投资大，维护成本高。因此，如何在较低成本前提下，实现高速铁路供电段电能质量的实时动态精确补偿，改善高速电气化铁路的供电质量，提高高铁运行的安全性和可靠性，是现阶段技术人员急需解决的问题。
技术实现思路
本专利技术为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种实现高速铁路供电段电能质量的实时动态精确补偿且成本较低的牵引变电所SVC+APF混合滤波协同控制方法及装置。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下。提供一种牵引变电所SVC+APF混合滤波协同控制方法，采样牵引配电网的电压、电流波形，采用瞬时无功功率理论对波形进行分解计算出基波无功分量和各次谐波分量，在SVC进行阶梯性无功及固定次谐波进行补偿的基础上，通过APF对剩余需补偿的无功电流、剩余需滤除的谐波电流进行补偿。进一步地，将基波无功分量除以SVC的每组电容器的无功容量向下取整，得到电容器应投入的组数，剩余电流即为APF需要补偿的无功电流；用谐波电流减去SVC能滤除的3次、5次、7次电流，剩余电流为APF需要补偿的谐波电流；将所述APF需要补偿的无功电流与APF需要补偿的谐波电流相加，得到APF需要补偿的总电流。进一步地，通过电路传递函数将APF需要补偿的总电流转变为APF端口电压信号，经与三角波进行调制，形成PWM信号控制开关器件通断，实现谐波的滤除和无功补偿。进一步地，所述基波无功分量的公式为：iq(t)＝-Iqsinωt其中，iq(t)为基波无功分量，Iq为基波无功分量直流分量，ω为牵引网角频率；对两端同乘2sinωt，则对2sinωti(t)通过截止频率低于两倍基波频率的低通滤波器LPF，从而可方便的得出基波无功分量直流分量Iq；对u(t)通过锁相环PLL可得到与牵引配电网同频率标准的正弦信号sinωt；其中，u(t)为牵引配电网瞬时电压，i(t)为牵引配电网瞬时电流，Iq为基波无功分量直流分量，Ip为基波有功分量直流分量，In为谐波分量直流分量，θ为负载瞬时电流滞后电压的相角。进一步地，所述谐波分量的公式为：ih(t)＝i(t)-if(t)if(t)＝ip(t)+iq(t)其中，ih(t)为谐波分量，if(t)为基波分量。进一步地，所述基波有功分量的公式为：ip(t)＝Ipcosωt其中，ip(t)为基波有功分量，Ip为基波有功分量直流分量；对两端同乘2cosωt，则对2cosωti(t)通过截止频率低于两倍基波频率的低通滤波器LPF，从而可方便的得出基波有功分量直流分量Ip。；对u(t)通过锁相环PLL可得到与牵引配电网同频率标准的余弦信号cosωt。进一步地，所述SVC的协同控制方式采用参数可调的PID调节器，通过预设值iq2与反馈值iref进行校正；剩余需补偿的无功电流iq3由APF进行补偿，iq3＝iq1-iq2。进一步地，根据实时动态采样的牵引配电网电流波形，通过基于瞬时无功功率理论的无功和谐波检测，计算得到母线无功电流iq1、谐波电流ih；首先SVC滤波器FC滤除3、5、7次谐波电流，剩余需滤除谐波电流ih’＝ih-ih3-ih5-ih7；判断最接近一级SVC容量Q2，换算成补偿电流iq2能否满足完全补偿；若可以满足，则APF滤除剩余谐波电流ih’，工作指令电流ic＝ih’；若不能满足，则剩余需补偿无功电流iq3＝iq1-iq2，APF滤除剩余谐波电流ih’的同时，补偿无功电流iq3，APF工作指令电流Ic＝Iq3+Ih’。进一步地，所述SVC采用TSC型SVC。本专利技术的另一目的在于提供一种牵引变电所SVC+APF混合滤波装置，所述滤波装置包括检测部分和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种牵引变电所SVC+APF混合滤波协同控制方法，其特征在于，采样牵引配电网的电压、电流波形，采用瞬时无功功率理论对波形进行分解计算出基波无功分量和各次谐波分量，在SVC进行阶梯性无功及固定次谐波进行补偿的基础上，通过APF对剩余需补偿的无功电流、剩余需滤除的谐波电流进行补偿。

【技术特征摘要】
1.一种牵引变电所SVC+APF混合滤波协同控制方法，其特征在于，采样牵引配电网的电压、电流波形，采用瞬时无功功率理论对波形进行分解计算出基波无功分量和各次谐波分量，在SVC进行阶梯性无功及固定次谐波进行补偿的基础上，通过APF对剩余需补偿的无功电流、剩余需滤除的谐波电流进行补偿。2.根据权利要求1所述的牵引变电所SVC+APF混合滤波协同控制方法，其特征在于，将基波无功分量除以SVC的每组电容器的无功容量向下取整，得到电容器应投入的组数，剩余电流即为APF需要补偿的无功电流；用谐波电流减去SVC能滤除的3次、5次、7次电流，剩余电流为APF需要补偿的谐波电流；将所述APF需要补偿的无功电流与APF需要补偿的谐波电流相加，得到APF需要补偿的总电流。3.根据权利要求2所述的牵引变电所SVC+APF混合滤波协同控制方法，其特征在于，通过电路传递函数将APF需要补偿的总电流转变为APF端口电压信号，经与三角波进行调制，形成PWM信号控制开关器件通断，实现谐波的滤除和无功补偿。4.根据权利要求3所述的牵引变电所SVC+APF混合滤波协同控制方法，其特征在于，所述基波无功分量的公式为：iq(t)＝-Iqsinωt其中，iq(t)为基波无功分量，Iq为基波无功分量直流分量，ω为牵引网角频率；对两端同乘2sinωt，则对2sinωti(t)通过截止频率低于两倍基波频率的低通滤波器LPF，从而可方便的得出基波无功分量直流分量Iq；对u(t)通过锁相环PLL可得到与牵引配电网同频率标准的正弦信号sinωt；其中，u(t)为牵引配电网瞬时电压，i(t)为牵引配电网瞬时电流，Iq为基波无功分量直流分量，Ip为基波有功分量直流分量，In为谐波分量直流分量，θ为负载瞬时电流滞后电压的相角。5.根据权利要求4所述的牵引变电所SVC+APF混合滤波协同控制方法，其特征在于，所述谐波分量的公式为：ih(t)＝i(t)-if(t)if(t)＝ip(t)+iq(t)其中，ih(t)为谐波分量，if(t)为基波分量，ip(t)为基波有功分量；所述基波有功分量的公式为：ip(t)＝Ipcosωt其中，Ip为基波有功分量直流分量；对两端同乘2cosωt则对2cosωti(t)通过截止频率低于两倍基波频率的低通滤波器LPF，从而可方便的得出基波有功分量...

【专利技术属性】
技术研发人员：周湘杰，褚衍廷，余雨婷，张琳，龚事引，彭菲，李瑛，成瑞雨，谭小龙，王世杰，朱勇朋，
申请(专利权)人：湖南铁路科技职业技术学院，
类型：发明
国别省市：湖南,43