電氣化鐵路電能質量綜合治理裝置的信號檢測算法的制作方法

本發明涉及一種電力電子的技術，特別涉及一種電氣化鐵路電能質量綜合治理裝置的信號檢測算法。

背景技術：

電氣化鐵路牽引供電網的供電可靠和安全性是電力機車安全、可靠、經濟運行的重要保障。而電力機車作為一種特殊的電力負荷，其采用單相供方式，在未采取補償措施時不可避免地向上級電力系統注入負序電流；由于電力機車負荷為整流驅動和具有隨機性，同時帶來了無功、諧波、電壓波動等電能質量問題嚴重惡化了牽引供電網及其上級電力系統的電能質量。其中，負序電流增大同步電機的附加損耗、降低變壓器出力、引起繼電保護裝置誤動等；諧波電流引起發電機、變壓器、輸電線路附加損耗，并可能產生諧波放大燒毀電力設備；無功功率不足增加輸電線路損耗，降低電壓水平。給電力系統和牽引網的安全可靠供電帶來了挑戰。因此，必須采取有效的治理措施，對牽引供電網的電能質量進行控制，使其處于允許范圍內，以保證電力系統和牽引網安全可靠供電。

目前國內外提出的電氣化鐵路負序、諧波和無功綜合補償方法可以分為主動治理和被動治理兩類。主動治理方法主要有：(1)規劃時增大牽引網容量，提高牽引網電能質量問題容忍能力；(2)牽引變電所進線換相接入，可明顯降低因牽引網單相供電產生的負序；(3)采用平衡牽引變壓器降低負序；(4)采用交直交型電力機車，可有效降低機車諧波含量，且功率因數接近1，但不能解決負序問題。被動治理方法主要有：(1)無源補償器。主要是靜止無功補償器(staticvarcompensator，svc)；(2)有源補償器。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償器(staticcompensator，statcom)、兩相接入的鐵路功率調節器(railwaypowerconditioner，rpc)及各種變型結構。但是這些方式或技術只能部分改善電能質量，無法有效解決電氣化鐵路中嚴重存在的負序問題。

2002年，日本在新延伸的東北新干線每個牽引變電所安裝了20mva/60kv的商用鐵路功率調節器(railwaystaticpowerconditioner，rpcs)。rpcs采用兩個電壓源型變流器(vsc)組成背靠背結構，直流側共用電容，交流側分接于牽引變電所兩供電臂。具有有功電流轉移、無功補償、穩定牽引網電壓和濾波諧波等功能。運行結果表明，rpc在穩定牽引系統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量綜合治理裝置簡化原理圖。

基于上述原因和現有市場產品的缺陷和不足，提出一種電氣化鐵路電能質量綜合治理裝置(rpc)，它具有有功電流轉移、無功補償、穩定牽引網電壓和濾波諧波等功能。運行結果表明，rpc在穩定牽引系統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，其市場前景巨大。傳統的檢測方法分別檢測有功、無功、諧波電流并分別補償，檢測繁雜且算法復雜，對于rpc需要有適合有效的信號檢測算法來適應其運用。

技術實現要素：

本發明是針對rpc運用需要精確的信號檢測的問題，提出了一種電氣化鐵路電能質量綜合治理裝置的信號檢測算法，可以達到補償電流的精確獲取，從而達到負序和諧波補償的目的。

本發明的技術方案為：一種電氣化鐵路電能質量綜合治理裝置的信號檢測算法，采用三項供電線原邊a相電壓方向為基準向量，使用軟件鎖相環得到供電次邊臂a、b兩端的相位數據，并將所得相位數據乘以供電次邊臂a、b兩端的瞬時電流，將他們做功率之和，功率之和的直流部分在數值上等于兩供電次邊臂負載基波電流峰值的平均值，將其乘以再分別與三項供電線原邊的a、b相電壓ua和ub經鎖相環產生的同步信號相乘，就是補償后供電次邊臂a、b相電流值，再將其與a、b兩相電流的瞬時值做差，得到補償電流參考電流量。

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，經過供電變壓器變壓會有30°的相位偏移，

設a、b兩供電臂負載瞬時電流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，兩供電臂的瞬時有功功率pa和pb為單臂負載瞬時電流與對應的電壓經鎖相環產生的電壓同步信號相乘，有：

化簡為：

pa和pb中的直流分量之和：

本發明的有益效果在于：本發明電氣化鐵路電能質量綜合治理裝置的信號檢測算法，采用軟件鎖相環的設定可以便于更改補償算法，也能節省材料費用。其次，采用巴特沃斯結合切比雪夫濾波器模型設計的低通濾波器實現直流分量的提取。能夠準確的得到補償電流參考電流量。

附圖說明

圖1為電氣化鐵路電能質量綜合治理裝置簡化原理圖；

圖2為本發明負序和諧波電流檢測圖；

圖3為未加任何補償前，牽引變三相電流波形圖；

圖4為實行有功補償時，牽引變三相電流波形圖；

圖5為本發明實行有功、無功補償時，牽引變三相電流波形圖。

具體實施方式

本發明電氣化鐵路電能質量綜合治理裝置的信號檢測算法，采用三項供電線原邊a相電壓方向為基準向量，使用軟件鎖相環得到供電次邊臂a、b兩端的相位數據，并將它乘以供電次邊臂a、b兩端的瞬時電流，將他們做功率之和，功率之和的直流部分在數值上等于兩供電次邊臂負載基波電流峰值的平均值。將其乘以再分別與三項供電線原邊的a、b相電壓ua和ub經鎖相環產生的同步信號相乘，就是補償后供電次邊臂a、b相電流值，再將其與a、b兩相電流的瞬時值做差，就得到補償電流參考電流量。通過實施本發明，可以達到補償電流的精確獲取，從而達到負序和諧波補償的目的。

因為rpc的參考電流需要有功部分和無功部分，故設計以下電流檢測電路，如圖2所示，以母線a相電壓為基準，經過v/v會有30°的相位偏移。

設a、b兩供電臂負載瞬時電流ial和ibl分別為

其中：ω為母線電流角速度，國內50hz一般對應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。兩供電臂的瞬時有功功率pa和pb為單臂負載瞬時電流與對應的電壓經鎖相環(phaselockedloop，pll)產生的電壓同步信號相乘，有：

進一步化簡為：

pa和pb中的直流分量之和：

經低通濾波后(巴特沃斯和切比雪夫基礎上的改良型，改善了巴特沃斯阻帶下降慢和切比雪夫有紋波的問題，實現直流分量的提取)，功率之和的直流部分在數值上等于兩供電臂負載基波電流峰值的平均值。將其乘以再分別與ua和ub經鎖相環產生的同步信號cos(ωt)和cos(ωt-2π/3)相乘，就是補償時a、b相電流值，(下面公式中)

式中ia和ib分別為經補償負序和諧波后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償為對稱電流的有功和無功電流。再將三相側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相供電臂側兩變流器的補償電流參考電流量：

將a、b兩供電臂負載瞬時電流ial和ibl代入化簡得

將kt×ica和kt×icb就是補償電流ica′和icb′，rpc補償要在降壓變壓器次級測補償，所以×kt，kt為降壓變壓器變比。

如圖3為未加任何補償前，牽引變三相電流波形圖；圖4為實行有功補償時，牽引變三相電流波形圖；圖5為本發明牽引變三相電流波形圖。本發明達到補償電流的精確獲取，達到有效的負序和諧波補償。