(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 109861241 A(43)申请公布日 2019.06.07
(21)申请号 201910325426.7(22)申请日 2019.04.22
(71)申请人 湖南铁路科技职业技术学院
地址 412000 湖南省株洲市云龙示范区职
教大学城智慧路1号(72)发明人 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 (74)专利代理机构 长沙智德知识产权代理事务
所(普通合伙) 43207
代理人 左祝安(51)Int.Cl.
H02J 3/18(2006.01)H02J 3/01(2006.01)
权利要求书2页 说明书6页 附图4页
CN 109861241 A(54)发明名称
一种牵引变电所SVC+APF混合滤波协同控制方法及装置(57)摘要
本发明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。
CN 109861241 A
权 利 要 求 书
1/2页
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)＝-Iq sinωt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)＝Ip cosωt其中，Ip为基波有功分量直流分量；
对
两端同乘2cosωt两端同乘2sinωt，
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权 利 要 求 书
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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。6.根据权利要求5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。
7.根据权利要求6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SVC采用TSC型SVC。
8.根据权利要求1至7任意一项所述的牵引变电所SVC+APF混合滤波协同控制方法，其特征在于，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’。
9.一种应用了上述权利要求1至7任意一项牵引变电所SVC+APF混合滤波协同控制方法的装置，其特征在于，所述滤波装置包括检测部分和补偿部分；
所述检测部分包括采样单元、基于瞬时无功功率理论的无功和谐波计算单元，所述采样单元采样牵引配电网的电压、电流波形，所述无功和谐波计算单元对波形进行分解计算出基波无功分量和各次谐波分量；
所述补偿部分包括协同控制单元，阶梯化补偿无功及滤除固定次谐波的SVC，补偿剩余无功及谐波的APF；所述协同控制单元根据无功和谐波计算单元对补偿电流进行分配，具体工作逻辑为首先根据SVC的实际容量分配SVC需补偿的无功电流和需滤除的谐波电流，然后将剩余需滤除谐波电流和剩余需补偿无功电流共同作为APF工作指令电流。
10.根据权利要求9所述的牵引变电所SVC+APF混合滤波装置，其特征在于，通过协同控制单元对补偿电流进行分配，减去SVC已补偿部分，计算出电流指令信号，然后分别经过电流跟踪控制电路，驱动电路，及逆变主电路生成所需的补偿电流，最后通过预设值与反馈值进行校正。
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说 明 书
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一种牵引变电所SVC+APF混合滤波协同控制方法及装置
技术领域
[0001]本发明涉及一种牵引变电所SVC+APF混合滤波协同控制方法及装置。
背景技术
[0002]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。[0003]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(Thyristor Switched Capacitor，TSC)的静态无功装置(Static Var Compensator，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(Pulse Width Modulation)的有源滤波器(Active Power Filter，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。[0004]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CN 108075491一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Uzuka T等人在文献《A static voltage fluctuation compensator for AC electric railway》中提到采用功率调节器
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说 明 书
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(Railway Static Power Conditioner，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。[0005]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。
发明内容
[0006]本发明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。
[0007]为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下。
[0008]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。[0009]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；[0010]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；
[0011]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。
[0012]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。[0013]进一步地，所述基波无功分量的公式为：[0014]iq(t)＝-Iq sinωt[0015]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；
[0016]
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；
[0018]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；[0019]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。
[0020]进一步地，所述谐波分量的公式为：[0021]ih(t)＝i(t)-if(t)
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[0017]
CN 109861241 A[0022][0023][0024][0025][0026][0027]
说 明 书
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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。；
[0029]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。[0030]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。[0031]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’。[0032]进一步地，所述SVC采用TSC型SVC。
[0033]本发明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补偿部分；
[0034]所述检测部分包括采样单元、基于瞬时无功功率理论的无功和谐波计算单元，所述采样单元采样牵引配电网的电压、电流波形，所述无功和谐波计算单元对波形进行分解计算出基波无功分量和各次谐波分量；
[0035]所述补偿部分包括协同控制单元，阶梯化补偿无功及滤除固定次谐波的SVC，补偿剩余无功及谐波的APF；所述协同控制单元根据无功和谐波计算单元对补偿电流进行分配，所述协同控制单元具体工作逻辑为首先根据SVC的实际容量分配SVC需补偿的无功电流和需滤除的谐波电流，然后将剩余需滤除谐波电流和剩余需补偿无功电流共同作为APF工作指令电流。
[0036]进一步地，通过协同控制单元对补偿电流进行分配，减去SVC已补偿部分，计算出电流指令信号，然后分别经过电流跟踪控制电路，驱动电路，及逆变主电路生成所需的补偿电流，最后通过预设值与反馈值进行校正。[0037]相较于现有技术，本发明的有益效果为：
[0038]本发明设计了基于SVC+APF混合滤波装置电路，并建立了准确的电能质量数学分析模型，实现基于瞬时无功功率理论的无功和谐波计算单元功能。
[0039]同时优化建立牵引变电所SVC+APF混合滤波装置协同控制策略，充分的发挥了SVC高性价比的优势及APF精确补偿的优点。
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[0028]
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说 明 书
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本发明实现了SVC和APF的结合，系统的大部分无功通过SVC阶梯化补偿，APF能实
时动态补偿剩余无功以及滤除特定次谐波电流。这种方式下的APF容量小，无需对原SVC系统做很大改动，设备投资少。实现在较低成本前提下，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。
[0041]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。附图说明
[0042]图1为实施例1的基于SVC+APF混合滤波装置等效电路原理示意图。[0043]图2为实施例1的基于SVC+APF混合滤波装置原理示意图。
[0044]图3为实施例1的基于瞬时无功功率理论无功检测原理示意图。[0045]图4为实施例1的基于瞬时无功功率理论有功检测原理示意图。[0046]图5为实施例1的基于瞬时无功功率理论谐波检测原理示意图。[0047]图6为实施例1的基于协同控制SVC工作原理示意图。[0048]图7为实施例1的基于协同控制APF工作原理示意图。
[0049]图8为实施例1的基于SVC+APF混合滤波装置协同控制流程图。[0050]图9为实施例1电能质量补偿原理示意图。
具体实施方式
[0051]附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；[0052]为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明的具体含义。下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。[0053]本实施例提供一种基于SVC+APF混合滤波装置。如图1所示，基于SVC+APF混合滤波装置主要包括两部分即检测部分和补偿部分。检测部分包括采样单元，基于瞬时无功功率理论的无功和谐波计算单元；补偿部分包括协同控制单元，阶梯化补偿无功及滤除固定次谐波的SVC，补偿剩余无功及谐波的APF。所述协同控制单元根据无功和谐波计算单元对补偿电流进行分配，所述协同控制单元具体工作逻辑为首先根据SVC的实际容量分配SVC需补偿的无功电流和需滤除的谐波电流，然后将剩余需滤除谐波电流和剩余需补偿无功电流共同作为APF工作指令电流。
[0054]作为一个具体的实施方式，本实施例中，SVC采用TSC型SVC。[0055]图2为基于SVC+APF混合滤波装置原理图，具体方法是以电压正向过零为初始时刻，实时动态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，得到电流的基波有功分量、基波无功分量和各次谐波分量。
[0056]一方面将无功分量除以TSC型SVC的每组TSC补偿的无功容量向下取整，得到TSC应投入的组数，剩余电流即为APF需要补偿的无功电流。[0057]另一方面用谐波电流减去SVC滤波装置能滤除的3次、5次、7次电流，剩余电流即为APF需要补偿的谐波电流。将上述两部分电流相加，得到APF需要补偿的总电流。通过电路传
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说 明 书
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递函数将此电流转变为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，使APF既能滤除谐波，又能实现部分无功补偿功能，最终实现高速铁路牵引电网电能质量的动态精确补偿，改善高速电气化铁路的供电质量，提高高铁运行的安全和可靠性。[0058]令牵引变电所输出断路器输出端网压u(t)＝Ucosωt，由于接触网供电的电力机车属非线性负载，假定负载瞬时电流滞后电压的相角为θ。[0059]i(t)＝Icos(ωt+θ)[0060]经傅里叶级数展开
[0061]
[0062]
ip(t)为基波有功电流、iq(t)为基波无功电流、ih(t)为谐波电流
[0063]由基波无功分量表达式iq(t)＝-Iqsinωt可知，如果先得到Iq再和sinωt相乘，即可以方便的得到基波无功分量。
首先对则
两端同乘2sinωt
[0064][0065][0066]
此时，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；
[0068]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；[0069]因此，由图3所示，在i(t)表达式两端同时乘以2sinωt，再通过截止频率低于两倍基波频率的低通滤波器LPF，可得直流分量Iq，再与sinωt相乘即为基波的无功分量iq(t)。[0070]同理，图4为基于瞬时无功功率理论有功检测，基波有功分量表达式ip(t)＝Ipcosωt。在i(t)表达式两端同时乘以2cosωt，再通过截止频率低于两倍基波频率的低通滤波器LPF，可得直流分量IP，再与cosωt相乘即为基波的有功分量ip(t)。[0071]图5为基于瞬时无功功率理论谐波检测，电流基波分量if(t)＝ip(t)+iq(t)，电流谐波分量ih(t)＝i(t)-if(t)。
[0072]图6为基于协同控制SVC工作原理框图，实时检测牵引网电压ut及电流it经基于瞬时无功功率理论的检测计算单元可分解出有功分量ip，需补偿的无功分量iq1及谐波分量ih。将无功分量除以TSC型SVC的每组TSC补偿的无功容量向下取整，得到TSC应投入的组数，得到SVC补偿的无功电流为iq2。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将由APF进行补偿，iq3＝iq1-iq2。
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[0067]
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说 明 书
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滤波器FC可以补偿固定次谐波(3，5，7)。剩余需补偿的谐波电流ih’将由APF进行
补偿，ih’＝ih-ih3-ih5-ih7。
[0074]如图7所示为基于协同控制的APF的原理图，区别于传统APF的组成架构为由指令电流运算模块和补偿电流生成模块两大部分组成。基于协同控制的APF其控制部分均由协同控制单元进行补偿电流的运算和分配。电流跟踪控制电路、驱动电路和逆变器共同实现了补偿电流的生成。在SVC进行阶梯性无功及固定次(3，5，7)谐波进行补偿的基础上，通过APF对剩余需补偿的无功电流iq3，剩余需滤除的谐波电流ih’进行补偿。[0075]首先通过协同控制单元对补偿电流进行分配，减去SVC已补偿部分，计算出电流指令信号，然后分别经过电流跟踪控制电路，驱动电路，及逆变主电路生成所需的补偿电流，最后通过预设值与反馈值进行校正。由于谐波电流和无功电流与补偿电流方向相反、大小相等，电流和为零。谐波补偿电流及无功补偿电流抵消负载电流中需要补偿的电流分量，从而得到理想的电流。
[0076]图8为基于SVC+APF混合滤波装置协同控制流程图，如图8所示，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’。
[0077]图9为电能质量补偿原理示意图。弧线为电网无功需求即总补偿需求，阶梯为SVC补偿容量，弧线与阶梯之差为APF精确补偿容量。将传统SVC与新型APF产品进行结合，在基于瞬时无功功率理论检测和基于协同控制策略的基础上，选用容量尽量小的APF滤波产品，以达到在现有牵引配电网改动最小的前提下，以最低的成本实现高速电气化铁路配电网电能质量的实时动态精确补偿。
[0078]本实施例的基于SVC+APF混合滤波装置尤其适用于牵引变电所，实现了高速铁路供电段电能质量的实时动态精确补偿的同时，方便牵引变电所在已有设备基础上进行改造，降低总投资成本，具有现实推广使用价值。
[0079]附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
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说 明 书 附 图
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图1
图2
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说 明 书 附 图
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图3
图4
图5
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说 明 书 附 图
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图7
图8
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说 明 书 附 图
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图9
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