基于YNvd平衡变压器的电铁背靠背SVG 补偿系统研究

罗 毅，李 莺，常 非

(1.四川理工学院自动化与电子信息学院，四川自贡643000;2.西南交通大学电气工程学院，四川成都610031)

0 引言

电气化铁道的牵引供电系统一直存在着无功、负序、谐波等方面的技术问题。为解决此类问题，通常采用静止无功补偿器(static var compensator，SVC)装置来进行治理，SVC虽然能够动态补偿谐波和无功，但几乎无法解决负序问题。本文给出了一种基于新型YNvd(星形–开闭三角形)平衡变压器的背靠背静止无功发生器(static var generator，SVG)补偿方案，两个SVG通过直流耦合电容C背靠背连接在一起。如果两臂的负荷相差较大，中间的电容便可以根据负荷的差值进行功率传递，使2个供电臂的负荷基本相同［1-2］。这样，通过平衡变压器将负荷等效到系统一次侧就成为对称负荷，从而可以解决负序问题。还能兼补牵引负荷引起的谐波和无功问题，达到电能质量的综合治理。

1 系统方案

背靠背SVG补偿系统原理框图如图1所示。平衡变压器采用YNvd接线方式，变压器二次侧的两牵引母线上连接2台单相换流器，并与直流环节相连，即为潮流控制器。SVG1，SVG2通过直流耦合电容C背靠背连接在一起。

图1 背靠背SVG补偿系统原理框图Fig.1 Principle diagram of back-to-back SVG compensation system

YNvd变压器接线原理图如图2所示。因这种变压器二次侧的2个输出回路在电气上没有联系，而且没有互感耦合关系，所以一相负荷的增减不会造成另一相的输出电压变化。在不设置阻抗匹配的情况下就能得到较好的输入、输出特性。变压器二次侧的三角形绕组能让三次谐波励磁电流流通，从而极大地改善电压波形。在保证平衡的条件下，理论上完全能够使两电压输出端口的输入阻抗平衡。当一相负载变化时，另一相的电压输出不会受到影响［3-4］。

图2 YNvd接线原理图Fig.2 YNvd wiring schematic diagram

YNvd变压器电流变换关系式为

根据对称分量法可得:

从(2)式可以看出，YNvd平衡变压器可使电力系统侧的零序分量为0，两臂负荷电流在对称条件下，平衡变压器能够将负序对电力系统侧的影响完全消除，这样使得变压器原边的三相电流对称。

2 潮流控制器主电路结构

电气化铁路的牵引负荷和一般电力负荷相比，最主要的不同就是牵引负荷不对称。两电平潮流控制器能够让牵引负荷功率交换到牵引变压器的不同负荷端口，并对牵引负荷产生的无功功率与谐波均予以补偿，实现电能质量的综合治理。

针对YNvd接线的平衡变压器，由于其两端口接线角相差±90°，潮流控制器采用2个单相四象限电压源换流器通过直流耦合电容C背靠背连接在一起，结构如图3所示。

图3 两电平潮流控制器结构Fig.3 Structure of two-level power flow controller

3 两电平潮流控制器控制原理

3.1 单相电路谐波电流与无功检测

该方法首先利用单相锁相环得到与牵引网电压信号同相位的正、余弦信号。然后分别与牵引网的负载电流相乘，经过低通滤波器得到牵引网电流中的瞬时有功电流和瞬时无功电流，再进一步得到瞬时谐波电流［5-6］。

(3)式中:I1为负载电流有效值;φ为功率因数角;为负载电流瞬时有功分量;为负载电流瞬时无功分量;φ2n－1］为负载电流瞬时谐波分量。

(3)式两边同乘以2sinωt得

同理，(3)式两边同乘以2cosωt得

由上述分析可知，电流扩大2倍，乘以sinωt，通过低通滤波器后可得到，再乘以 sinωt就得到ip;同理可以得到iq。为实现两牵引供电臂负载之间的有功平衡，可采取将两牵引臂有功电流相加之后再“平摊”的办法，之后对两相负载分别进行补偿。图4为综合补偿框图。

图4 负序、无功、谐波综合补偿框图Fig.4 Comprehensive compensation diagram of negative sequence，reactive power and harmonics

只有在直流侧的电容电压Ud保持不变的前提条件下，脉宽调制(pulse width modulation，PWM)变流器才能正常工作，而在工作过程中，变流器存在能量损耗，会造成电压Ud降低。为维持Ud恒定，设置了一个比例—积分(proportional integral，PI)控制器，用以检测直流侧电压。

图4中直流侧电压的给定值Uref与实际值Udc经过比较，将电压偏差送入PI调节器，输出电流调节信号Δip，将Δip与检测出来的有功电流的直流分量进行叠加，这样两变流器的指令电流信号中就都含有有功电流分量，进而补偿系统的补偿电流中也含有一定的有功电流分量，从而使补偿系统的直流侧与交流侧交换能量，将Udc维持在给定值。

3.2 三角载波电流控制

常用的电流直接控制，即跟踪型PWM控制技术主要有滞环控制和三角载波控制［7］2种。滞环控制方式中，滞环宽度通常是固定的，则电流跟随误差范围也就固定，但是器件的开关频率是变化的。三角载波控制的优点在于开关频率固定，且等于三角载波的频率。

图5是三角载波电流控制原理框图。先将实际输入电流iαcf，iβcf与两电平潮流控制器的指令电流iαc，iβc分别进行比较，得到的差值送入 PI调节器处理。PI调节器的输出电压uα，uβ作为变流器输出电压的给定值，再和多电平三角载波进行逻辑判断，最后得到功率器件的开关信号，从而驱动变流器工作［8］。

图5 三角载波电流控制原理框图Fig.5 Principle diagram of triangular carrier current control

4 系统仿真

根据背靠背SVG补偿系统方案，平衡变压器采用YNvd方式接线，建立了系统的Matlab/simulink仿真模型。系统仿真参数设置为:直流侧电压Udc=3 000 V，隔离变压器变比KT=27 500/1 770 V，三角载波频率fc=2 KHz，直流侧支撑电容C1=C2=0.1 F，两电平VSC交流侧电感参数L1=L2=2 mH。牵引负荷电流波形、直流侧电压波形、补偿后平衡变压器二次侧电流波形、补偿前后系统侧电流波形的仿真结果如图6—10所示。

1)负序、无功补偿的分析

从图8可以看出，补偿后牵引变压器副边两端口各承担1/2的有功功率，平衡变压器二次侧两相电流的大小相等，相位相差90°。再从图9、图10比较可以看出，补偿前系统侧电流不对称，补偿后系统侧三相电流大小相等、相位互差120°，负序电流的影响完全消除。经测量模块测算，补偿之后系统侧功率因数为0.998 9(趋近于1)，无功补偿效果非常良好。

2)抑制谐波的分析

表1给出了依据国家标准相关规定，电气化铁道的牵引变电所允许注入电力系统的3－11次谐波电流值，以及基于YNvd平衡变压器的背靠背SVG补偿系统各次谐波电流的仿真值。两者比较可以看出，仿真值远远小于允许值，表明补偿系统抑制谐波的能力较强。

图10 补偿后电流波形Fig.10 Three-phase current waveform after compensation

表1 谐波电流允许值及仿真值Tab.1 Allowable value and simulation value of harmonic current

5 结论

仿真验证了基于新型YNvd平衡变压器的背靠背SVG补偿系统不仅能够实现两牵引供电臂间的有功平衡，而且能够补偿无功和谐波，是一种较为理想的补偿装置。

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