[发明专利]一种应用于电气化铁路电能治理的谐波控制装置

说明书

技术领域

本发明属于电气化铁路领域，涉及一种谐波控制装置及方法，尤其是涉及一 种应用于电气化铁路电能治理的谐波控制装置。

背景技术

电气化铁路牵引供电网的供电可靠和安全性是电力机车安全、可靠、经济运行 的重要保障。而电力机车作为一种特殊的电力负荷，其釆用单相供电方式，在未采 取补偿措施时不可避免地向上级电力系统注入负序电流；由于电力机车负荷为整流 驱动和具有随机性，同时带来了无功、谐波、电压波动等电能质量问题严重恶化了 牵引供电网及其上级电力系统的电能质量。其中，负序电流增大同步电机的附加损 耗、降低变压器出力、引起继电保护装置误动等；谐波电流引起发电机、变压器、 输电线路附加损耗，并可能产生谐波放大烧毁电力设备；无功功率不足增加输电线 路损耗，降低电压水平，给电力系统和牵引网的安全可靠供电带来了挑战。因此， 必须采取有效的治理措施，对牵引供电网的电能质量进行控制，使其处于允许范围 内，以保证电力系统和牵引网安全可靠供电。

目前国内外提出的电气化铁路负序、谐波和无功综合补偿方法可以分为主动治 理和被动治理两类。主动治理方法主要有：(1)规划时增大牵引网容量，提高牵引 网电能质量问题容忍能力；(2)牵引变电所进线换相接入，可明显降低因牵引网单 相供电产生的负序；(3)采用平衡牵引变压器降低负序；(4)釆用交直交型电力机 车，可有效降低机车谐波含量，且功率因数接近1，但不能解决负序问题。被动治 理方法主要有：(1)无源补偿器，主要是静止无功补偿器(Static VarCompensator， SVC)；(2)有源补偿器，主要有单相接入的有源电力滤波器(ActivePower Filter， APF)、三相接入的静止同步补偿器(Static Compensator，STATCOM)、两相接入 的铁路功率调节器(Railway Power Conditioner，负序动态调节装置)及各种变型 结构。但是这些方式或技术只能部分改善电能质量，无法有效解决电气化铁路中严 重存在的负序问题。

基于上述原因和现有市场产品的缺陷和不足，学者及企业开始研究电气化铁路 电能治理调节装置，它具有有功电流转移、无功补偿、稳定牵引网电压和滤波谐波 等功能，取代目前市场产品及技术。但该装置的难点是选择合理的电流环参数，尤 其是当牵引电网存在谐波时，电流环比例参数变换带宽的大小将受影响，较大的带 宽可以实现对谐波分量的抑制，但参考指令中将含有一定的谐波分量，一定程度上 会恶化系统的控制效果，可是带宽的减小必然会造成响应速度的变慢等问题，本专 利将实现参数选择带宽与谐波治理效果的优化。

传统方法是采用多PI控制策略，建立多个同步旋转坐标系对各次谐波分量进 行单独控制，这需要大量的谐波分解、滤波器设计和坐标变换；还有采用比例-积 分-谐振(PIR)控制策略，通过在PI控制器上添加比例谐振控制器(PR)实现对 谐波抑制。但在实际设计应用中发现PIR与PR控制器存在两个问题：①比例项的 存在将控制器整个频段的增益都提高，很难实现对谐波分量的抑制。②控制器的谐 振部分都是由一阶分子和二阶分母组成，无法实现谐振点处的闭环传递函数零相位 响应，不利于对谐波分量的抑制。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种应用于电气 化铁路电能治理的谐波控制装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种应用于电气化铁路电能治理的谐波控制装置，包括主电路和控制电路，所 述控制电路包括DSP控制模块，所述DSP控制模块根据采集的电网信号产生相应 的PWM脉冲，控制主电路进行无功与谐波补偿，所述DSP控制模块包括改进型 谐波抑制控制结构，该改进型谐波抑制控制结构包括：

基波控制器，以参考信号与反馈信号的差值作为输入，所述反馈信号为从主电 路采集的逆变器输出电流；

谐波控制器，设置有多个，与所述基波控制器分离设置，以反馈信号作为输入；

耦合控制器，分别连接基波控制器和谐波控制器，根据基波控制器和谐波控制 器的输出及扰动生成输出控制信号，并将所述输出控制信号作为反馈信号。

所述基波控制器和谐波控制器的传递函数为：

其中，h表示谐波次数，Kr_h表示h次谐波下控制器的增益系数，ω_ch表示h次 谐波带宽系数，ω_h表示h次谐振点角频率，L和R表示电气化铁路电能治理调节装 置的电感和等效电阻。

所述耦合控制器还连接有扰动输入端。