本發(fā)明涉及一種電力電子的技術(shù)，特別涉及一種電氣化鐵路電能質(zhì)量綜合治理裝置的信號(hào)檢測(cè)算法。

背景技術(shù)：

電氣化鐵路牽引供電網(wǎng)的供電可靠和安全性是電力機(jī)車安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要保障。而電力機(jī)車作為一種特殊的電力負(fù)荷，其采用單相供方式，在未采取補(bǔ)償措施時(shí)不可避免地向上級(jí)電力系統(tǒng)注入負(fù)序電流；由于電力機(jī)車負(fù)荷為整流驅(qū)動(dòng)和具有隨機(jī)性，同時(shí)帶來(lái)了無(wú)功、諧波、電壓波動(dòng)等電能質(zhì)量問(wèn)題嚴(yán)重惡化了牽引供電網(wǎng)及其上級(jí)電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量。其中，負(fù)序電流增大同步電機(jī)的附加損耗、降低變壓器出力、引起繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)等；諧波電流引起發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路附加損耗，并可能產(chǎn)生諧波放大燒毀電力設(shè)備；無(wú)功功率不足增加輸電線路損耗，降低電壓水平。給電力系統(tǒng)和牽引網(wǎng)的安全可靠供電帶來(lái)了挑戰(zhàn)。因此，必須采取有效的治理措施，對(duì)牽引供電網(wǎng)的電能質(zhì)量進(jìn)行控制，使其處于允許范圍內(nèi)，以保證電力系統(tǒng)和牽引網(wǎng)安全可靠供電。

目前國(guó)內(nèi)外提出的電氣化鐵路負(fù)序、諧波和無(wú)功綜合補(bǔ)償方法可以分為主動(dòng)治理和被動(dòng)治理兩類。主動(dòng)治理方法主要有：(1)規(guī)劃時(shí)增大牽引網(wǎng)容量，提高牽引網(wǎng)電能質(zhì)量問(wèn)題容忍能力；(2)牽引變電所進(jìn)線換相接入，可明顯降低因牽引網(wǎng)單相供電產(chǎn)生的負(fù)序；(3)采用平衡牽引變壓器降低負(fù)序；(4)采用交直交型電力機(jī)車，可有效降低機(jī)車諧波含量，且功率因數(shù)接近1，但不能解決負(fù)序問(wèn)題。被動(dòng)治理方法主要有：(1)無(wú)源補(bǔ)償器。主要是靜止無(wú)功補(bǔ)償器(staticvarcompensator，svc)；(2)有源補(bǔ)償器。主要有單相接入的有源電力濾波器(activepowerfilter，apf)、三相接入的靜止同步補(bǔ)償器(staticcompensator，statcom)、兩相接入的鐵路功率調(diào)節(jié)器(railwaypowerconditioner，rpc)及各種變型結(jié)構(gòu)。但是這些方式或技術(shù)只能部分改善電能質(zhì)量，無(wú)法有效解決電氣化鐵路中嚴(yán)重存在的負(fù)序問(wèn)題。

2002年，日本在新延伸的東北新干線每個(gè)牽引變電所安裝了20mva/60kv的商用鐵路功率調(diào)節(jié)器(railwaystaticpowerconditioner，rpcs)。rpcs采用兩個(gè)電壓源型變流器(vsc)組成背靠背結(jié)構(gòu)，直流側(cè)共用電容，交流側(cè)分接于牽引變電所兩供電臂。具有有功電流轉(zhuǎn)移、無(wú)功補(bǔ)償、穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓和濾波諧波等功能。運(yùn)行結(jié)果表明，rpc在穩(wěn)定牽引系統(tǒng)供電電壓和諧波治理方面，效果很好，如圖1所示電氣化鐵路電能質(zhì)量綜合治理裝置簡(jiǎn)化原理圖。

基于上述原因和現(xiàn)有市場(chǎng)產(chǎn)品的缺陷和不足，提出一種電氣化鐵路電能質(zhì)量綜合治理裝置(rpc)，它具有有功電流轉(zhuǎn)移、無(wú)功補(bǔ)償、穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓和濾波諧波等功能。運(yùn)行結(jié)果表明，rpc在穩(wěn)定牽引系統(tǒng)供電電壓和諧波治理方面，效果很好，可以替代目前采用的tcr+fc，svc等方案，其市場(chǎng)前景巨大。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法分別檢測(cè)有功、無(wú)功、諧波電流并分別補(bǔ)償，檢測(cè)繁雜且算法復(fù)雜，對(duì)于rpc需要有適合有效的信號(hào)檢測(cè)算法來(lái)適應(yīng)其運(yùn)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明是針對(duì)rpc運(yùn)用需要精確的信號(hào)檢測(cè)的問(wèn)題，提出了一種電氣化鐵路電能質(zhì)量綜合治理裝置的信號(hào)檢測(cè)算法，可以達(dá)到補(bǔ)償電流的精確獲取，從而達(dá)到負(fù)序和諧波補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種電氣化鐵路電能質(zhì)量綜合治理裝置的信號(hào)檢測(cè)算法，采用三項(xiàng)供電線原邊a相電壓方向?yàn)榛鶞?zhǔn)向量，使用軟件鎖相環(huán)得到供電次邊臂a、b兩端的相位數(shù)據(jù)，并將所得相位數(shù)據(jù)乘以供電次邊臂a、b兩端的瞬時(shí)電流，將他們做功率之和，功率之和的直流部分在數(shù)值上等于兩供電次邊臂負(fù)載基波電流峰值的平均值，將其乘以再分別與三項(xiàng)供電線原邊的a、b相電壓ua和ub經(jīng)鎖相環(huán)產(chǎn)生的同步信號(hào)相乘，就是補(bǔ)償后供電次邊臂a、b相電流值，再將其與a、b兩相電流的瞬時(shí)值做差，得到補(bǔ)償電流參考電流量。

所述求功率之和的直流部分具體步驟如下：

以母線a相電壓為基準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)供電變壓器變壓會(huì)有30°的相位偏移，

設(shè)a、b兩供電臂負(fù)載瞬時(shí)電流ial和ibl分別為：

其中：ω為母線電流角速度，ialf和iblf為a、b基波電流有效值；ialh和iblh為a、b相第h次諧波電流有效值；φah和φbh為a、b相第h次諧波電流的相位，兩供電臂的瞬時(shí)有功功率pa和pb為單臂負(fù)載瞬時(shí)電流與對(duì)應(yīng)的電壓經(jīng)鎖相環(huán)產(chǎn)生的電壓同步信號(hào)相乘，有：

化簡(jiǎn)為：

pa和pb中的直流分量之和：

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明電氣化鐵路電能質(zhì)量綜合治理裝置的信號(hào)檢測(cè)算法，采用軟件鎖相環(huán)的設(shè)定可以便于更改補(bǔ)償算法，也能節(jié)省材料費(fèi)用。其次，采用巴特沃斯結(jié)合切比雪夫?yàn)V波器模型設(shè)計(jì)的低通濾波器實(shí)現(xiàn)直流分量的提取。能夠準(zhǔn)確的得到補(bǔ)償電流參考電流量。

附圖說(shuō)明

圖1為電氣化鐵路電能質(zhì)量綜合治理裝置簡(jiǎn)化原理圖；

圖2為本發(fā)明負(fù)序和諧波電流檢測(cè)圖；

圖3為未加任何補(bǔ)償前，牽引變?nèi)嚯娏鞑ㄐ螆D；

圖4為實(shí)行有功補(bǔ)償時(shí)，牽引變?nèi)嚯娏鞑ㄐ螆D；

圖5為本發(fā)明實(shí)行有功、無(wú)功補(bǔ)償時(shí)，牽引變?nèi)嚯娏鞑ㄐ螆D。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明電氣化鐵路電能質(zhì)量綜合治理裝置的信號(hào)檢測(cè)算法，采用三項(xiàng)供電線原邊a相電壓方向?yàn)榛鶞?zhǔn)向量，使用軟件鎖相環(huán)得到供電次邊臂a、b兩端的相位數(shù)據(jù)，并將它乘以供電次邊臂a、b兩端的瞬時(shí)電流，將他們做功率之和，功率之和的直流部分在數(shù)值上等于兩供電次邊臂負(fù)載基波電流峰值的平均值。將其乘以再分別與三項(xiàng)供電線原邊的a、b相電壓ua和ub經(jīng)鎖相環(huán)產(chǎn)生的同步信號(hào)相乘，就是補(bǔ)償后供電次邊臂a、b相電流值，再將其與a、b兩相電流的瞬時(shí)值做差，就得到補(bǔ)償電流參考電流量。通過(guò)實(shí)施本發(fā)明，可以達(dá)到補(bǔ)償電流的精確獲取，從而達(dá)到負(fù)序和諧波補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

因?yàn)閞pc的參考電流需要有功部分和無(wú)功部分，故設(shè)計(jì)以下電流檢測(cè)電路，如圖2所示，以母線a相電壓為基準(zhǔn)，經(jīng)過(guò)v/v會(huì)有30°的相位偏移。

設(shè)a、b兩供電臂負(fù)載瞬時(shí)電流ial和ibl分別為

其中：ω為母線電流角速度，國(guó)內(nèi)50hz一般對(duì)應(yīng)ω＝2π/50，ialf和iblf為a、b基波電流有效值；ialh和iblh為a、b相第h次諧波電流有效值；φah和φbh為a、b相第h次諧波電流的相位。兩供電臂的瞬時(shí)有功功率pa和pb為單臂負(fù)載瞬時(shí)電流與對(duì)應(yīng)的電壓經(jīng)鎖相環(huán)(phaselockedloop，pll)產(chǎn)生的電壓同步信號(hào)相乘，有：

進(jìn)一步化簡(jiǎn)為：

pa和pb中的直流分量之和：

經(jīng)低通濾波后(巴特沃斯和切比雪夫基礎(chǔ)上的改良型，改善了巴特沃斯阻帶下降慢和切比雪夫有紋波的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)直流分量的提取)，功率之和的直流部分在數(shù)值上等于兩供電臂負(fù)載基波電流峰值的平均值。將其乘以再分別與ua和ub經(jīng)鎖相環(huán)產(chǎn)生的同步信號(hào)cos(ωt)和cos(ωt-2π/3)相乘，就是補(bǔ)償時(shí)a、b相電流值，(下面公式中)

式中ia和ib分別為經(jīng)補(bǔ)償負(fù)序和諧波后a相和b相供電臂的電流值。從上式可看出，a、b相供電臂電流包括了需將三相電流補(bǔ)償為對(duì)稱電流的有功和無(wú)功電流。再將三相側(cè)a、b相電流的理論值減去a、b相供電臂電流，即得rpc中a、b相供電臂側(cè)兩變流器的補(bǔ)償電流參考電流量：

將a、b兩供電臂負(fù)載瞬時(shí)電流ial和ibl代入化簡(jiǎn)得

將kt×ica和kt×icb就是補(bǔ)償電流ica′和icb′，rpc補(bǔ)償要在降壓變壓器次級(jí)測(cè)補(bǔ)償，所以×kt，kt為降壓變壓器變比。

如圖3為未加任何補(bǔ)償前，牽引變?nèi)嚯娏鞑ㄐ螆D；圖4為實(shí)行有功補(bǔ)償時(shí)，牽引變?nèi)嚯娏鞑ㄐ螆D；圖5為本發(fā)明牽引變?nèi)嚯娏鞑ㄐ螆D。本發(fā)明達(dá)到補(bǔ)償電流的精確獲取，達(dá)到有效的負(fù)序和諧波補(bǔ)償。