CN102882219B - 一种地铁供电***综合电能质量治理装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地铁供电***综合电能质量治理装置及其方法，静止无功发生器包括功率单元和电抗器，静止无功发生器与预充电回路相连，功率单元与电抗器串联，预充电回路通过交流开关与连接在电网的电源侧。晶闸管投切电抗器包括两路以上的电抗器支路，电抗器支路包括电抗器和电子开关，电抗器与电子开关串联，电抗器支路通过电子开关并联在电网负载侧。控制保护***控制电抗器支路的投入以补偿无功，并控制静止无功发生器补偿无功。本发明克服了单独使用静止无功发生器成本高和晶闸管投切电抗器不能连续补偿的技术缺陷，兼顾了静止无功发生器调节速度快、运行范围宽、补偿无功兼治理谐波和晶闸管投切电抗器容量大、成本低的优点。

Description

一种地铁供电***综合电能质量治理装置及其方法

技术领域

本发明涉及电力电子领域，具体涉及一种应用于地铁供电***中，可以综合补偿无功和滤除谐波的电能质量治理装置及其方法。

背景技术

随着我国城市规模和紧急建设的飞速发展，城市化进程在逐步加快，人员出行和物资交流频繁，交通需求急剧增长，城市交通供需矛盾日趋紧张，地面交通已无法适应由经济活动和人民生活产生的日益增长的运量需求。地铁作为目前世界上最经济和高效的城市交通工具之一，在我国各大中城市得到迅速发展。目前，全国已有33个城市提出了修建城市地铁的计划，其中有28个城市已经开建。

我国地铁主要采用集中供电方式，由主变电所、牵引变电所、整流***和动力照明***几部分组成。由于地铁供电***全部采用电缆连接，其充电容性无功功率大，加上牵引负荷本身的波动性大，给城市电网带来功率因数低、无功倒送及谐振过压等一系列不利因素。地铁处于人口密集的城市之中，公共电网一旦发生事故，会对整个城市电力供应和社会稳定性带来很大影响。

目前，解决地铁供电***无功和谐波等电能质量问题的方式主要有固定并联电抗器FR、晶闸管控制电抗器TCR、静止无功发生器SVG、有源电力滤波器APF等。其中FR只能补偿固定感性无功，容易产生过补或欠补，效果不佳。TCR可以连续调节但本身产生谐波，且损耗较大。APF主要只对谐波进行抑制，补偿19次以内的各次谐波。随着电力电子全控型开关器件的快速发展，近年来出现了采用自然换相变流电路的静止无功补偿装置，通常称为静止无功发生器SVG。与传统的以TCR为代表的SVC装置相比，SVG的调节速度更快，运行范围更宽，不但能补偿无功还能治理谐波，但成本较高。同时地铁供电***主要以容性无功为主，因此本文提出一种基于静止无功发生器SVG+晶闸管投切电抗器TSR的综合电能质量治理方法。经过实际应用和专家评定，此方法是目前最经济实用的应用于地铁供电***中的综合电能质量治理方法。在现有技术当中与本专利申请相关的内容主要有以下文献：

文献一为顾晏齐、段永强于2011年12月发表在《机电工程》第6期，第24卷的论文《地铁线路无功补偿方案研究》。该文献提出了一种SVG+固定并联电抗器的补偿方案，但是该方案是固定并联电抗器，不能投切，SVG还是需要配置比较大的容量。

文献二为段立新于2009年12月发表在《低压电器》第12期的论文《动态无功补偿装置在地铁主变电所的应用研究》。该文献主要对集中式补偿、分区集中补偿、分布式补偿三种补偿方案进行比较，并未提出具体的电能质量治理方案。

文献三为株洲变流技术国家工程研究中心有限公司于2010年09月08日申请，并于2010年12月22日公开，公开号为CN101924371A的中国发明专利申请《一种混合型电能质量治理方法》。该发明公开了一种混合型电能质量治理方法，在有源部分，将至少两组的SVG和至少两组的APF通过变压器隔离方式连接在三相电网上，其中SVG主要补偿无功电流，APF补偿谐波电流，在电压跌落严重时APF也可作为无功发生器以弥补SVG容量的不足来支撑电压；在无源部分，将由TCR与TSC、FC组合成大容量的直挂式SVC直接连接到三相电网进行无功补偿，并通过对TCR的三相不对称控制，对三相不对称进行补偿，通过晶闸管投切电容器TSC提供大容量容性无功功率，通过固定电容补偿FC提供小容量无功功率，通过固定电容补偿FC兼做晶闸管控制电抗器TCR的主要次谐波滤波支路，用于对电能***进行协调综合。该方法的缺点没有充分发挥SVG可以滤除谐波的特性，而是增加了APF装置，增加了占地面积和成本，也给控制带来了复杂性。同时SVG需要通过变压器连接到电网，增加了占地面积和损耗，也限制了SVG的容量。

发明内容

本发明的目的是提供一种地铁供电***综合电能质量治理装置及其方法，克服单独使用静止无功发生器（SVG，Static Var Generator）成本高和晶闸管投切电抗器（TSR，Thyristor switched Reactor）不能连续补偿的技术缺陷，同时兼顾静止无功发生器调节速度快、运行范围宽、补偿无功兼治理谐波和晶闸管投切电抗器容量大、成本低的优点。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种地铁供电***综合电能质量治理装置的技术实现方案，一种地铁供电***综合电能质量治理装置，包括：静止无功发生器、晶闸管投切电抗器、预充电回路、控制保护***和交流开关；静止无功发生器包括功率单元和电抗器，静止无功发生器与预充电回路相连，功率单元与电抗器串联，预充电回路再通过交流开关与连接在电网的电源侧；晶闸管投切电抗器包括两组以上的电抗器支路，电抗器支路包括电抗器和电子开关，电抗器与电子开关串联，电抗器支路通过电子开关并联在电网的负载侧；控制保护***分别与静止无功发生器、晶闸管投切电抗器相连，控制晶闸管投切电抗器中电抗器支路的投入以补偿无功，并控制静止无功发生器补偿无功。

作为本发明一种地铁供电***综合电能质量治理装置技术方案的进一步改进，电抗器分别与静止无功发生器的功率单元和晶闸管投切电抗器的电抗器支路相连；预充电回路包括充电电阻和第三断路器，第三断路器并联在充电电阻的两端；交流开关包括第一断路器、第二断路器、第一隔离开关和隔离开关；预充电回路依次通过第一断路器、第一隔离开关与电网相连；晶闸管投切电抗器的电抗器支路通过各自的隔离开关连接后，再通过第二断路器与电网相连。

作为本发明一种地铁供电***综合电能质量治理装置技术方案的进一步改进，控制保护***包括A/D采样电路、数模混合电路、PWM形成电路、光电隔离电路、IGBT驱动模块和保护和逻辑模块；A/D采样电路采集模拟量信号，经过数模混合电路的计算，一路输出至保护和逻辑模块，保护和逻辑模块再输出信号至静止无功发生器的功率单元和电抗器支路的电子开关中的各开关器件；另一路信号经过PWM形成电路输出PWM波，再经过光电隔离电路和IGBT驱动模块输出至静止无功发生器的功率单元。

作为本发明一种地铁供电***综合电能质量治理装置技术方案的进一步改进，数模混合电路包括FPGA、DSP、双口RAM、算法DSP模块和算法FPGA模块；FPGA将来自A/D采样电路的输入信号交互传输至DSP；双口RAM负责传递DSP和算法DSP模块之间的交互信息；DSP负责进行故障监测和逻辑控制处理，并通过保护和逻辑模块向电子开关输出控制信号；算法DSP模块负责进行算法处理，并通过算法FPGA模块向PWM形成电路输出PWM波。

作为本发明一种地铁供电***综合电能质量治理装置技术方案的进一步改进，A/D采样电路采集负载的电流i_L和经晶闸管投切电抗器补偿后负载的电流i′_L，以及电网电压U；数模混合电路根据负载的电流i_L、电网电压U，以及目标功率因数cosφ计算出负载需要补偿的无功容量，再根据晶闸管投切电抗器和静止无功发生器的容量大小向晶闸管投切电抗器的电抗器支路的电子开关发出不同的投切指令。

作为本发明一种地铁供电***综合电能质量治理装置技术方案的进一步改进，当晶闸管投切电抗器包括两组电抗器支路时，控制保护***按照以下规则确定晶闸管投切电抗器的补偿指令决定电抗器支路投切的组数，并向电子开关的晶闸管组发出触发脉冲：

当Q≤Q_R/2时，晶闸管投切电抗器各支路均不投，0～Q_R/2由静止无功发生器补偿；

当-Q_R/2＜Q≤0时，晶闸管投切电抗器各支路均不投，-Q_R/2～0由静止无功发生器补偿；

当-Q_R＜Q≤-Q_R/2时，晶闸管投切电抗器投入一组支路，0～Q_R/2由静止无功发生器补偿；

当-3Q_R/2＜Q≤-Q_R时，晶闸管投切电抗器投入一组支路，-Q_R/2～0由静止无功发生器补偿；

当-2Q_R＜Q≤-3Q_R/2时，晶闸管投切电抗器投入两组支路，0～Q_R/2由静止无功发生器补偿；

当-5Q_R/2＜Q≤-2Q_R时，晶闸管投切电抗器投入两组支路，-Q_R/2～0由静止无功发生器补偿；其中，Q_R为晶闸管投切电抗器每组支路的补偿容量。

作为本发明一种地铁供电***综合电能质量治理装置技术方案的进一步改进，静止无功发生器的功率单元的输出电流通过A/D采样电路进入数模混合电路，经过算法DSP模块计算得到正弦调制信号的调制比M和相位α后，进一步得到三相PWM调制信号，将三相PWM调制信号数据发送至算法FPGA模块，并定时刷新三相PWM调制信号数据，然后与相移三角载波比较产生PWM信号输出至PWM形成电路。

作为本发明一种地铁供电***综合电能质量治理装置技术方案的进一步改进，算法DSP模块包括无功检测模块、abc/dq0变换模块、直流电压调节模块和调制比和相位角计算模块；静止无功发生器的功率单元的输出电流信号经过abc/dq0变换模块得到的无功电流i_q与通过无功检测模块获得的无功参考电流进行PI调节，有功电流i_d与通过直流电压调节器获得的有功参考电流进行PI调节；利用对电源的电压U_S进行abc/dq0变换后得到的电压信号V_sd和连接电抗ωL对i_q、id、进行PI解耦，得到静止无功发生器需要发出的dq坐标分量调制比和相位角计算模块根据静止无功发生器需要发出的dq坐标分量采集的功率单元中级联型逆变器的直流电压值V_dc、电网电压的相位角θ和功率单元中每相级联型逆变器的单元数N计算正弦调制信号的调制比M和相位角α。

作为本发明一种地铁供电***综合电能质量治理装置技术方案的进一步改进，静止无功发生器采用级联多电平型静止无功发生器，功率单元采用多相级联型逆变器。

本发明还另外具体提供了一种地铁供电***综合电能质量治理方法的技术实现方案，一种地铁供电***综合电能质量治理方法，包括以下步骤：

控制保护***采集负载的电流和电网电压；首先根据负载的电流和电网电压，计算出负载需要补偿的无功容量，然后通过向电子开关发出不同的投切指令，控制晶闸管投切电抗器的两组以上的电抗器支路进行投切，补偿电网的大容量无功；

控制保护***采集静止无功发生器的功率单元的输出电流，经过运算得到三相PWM调制信号，与相移三角载波比较后得到驱动静止无功发生器功率单元的PWM信号，控制静止无功发生器功率单元补偿晶闸管投切电抗器未补偿的无功。

作为本发明一种地铁供电***综合电能质量治理方法技术方案的进一步改进，控制保护***的A/D采样电路采集负载电流和电网电压信号，经过数模混合电路的计算，通过保护和逻辑模块将晶闸管投切电抗器投切控制信号输出至静止无功发生器的功率单元和电抗器支路的电子开关中的各开关器件；控制保护***的A/D采样电路采集静止无功发生器的功率单元的输出电流信号，经过数模混合电路的计算，通过PWM形成电路输出PWM波，再经过光电隔离电路和IGBT驱动模块将控制信号输出至静止无功发生器功率单元中的开关器件。

作为本发明一种地铁供电***综合电能质量治理方法技术方案的进一步改进，A/D采样电路采集负载的电流i_L和经晶闸管投切电抗器补偿后负载的电流i′_L，以及电网电压U；数模混合电路根据负载的电流i_L、电网电压U，以及目标功率因数cosφ计算出负载需要补偿的无功容量Q，然后根据晶闸管投切电抗器和静止无功发生器的容量大小向晶闸管投切电抗器的电抗器支路的电子开关发出不同的投切指令。

作为本发明一种地铁供电***综合电能质量治理方法技术方案的进一步改进，静止无功发生器的功率单元的输出电流信号经过abc/dq0变换得到的无功电流i_q与通过无功检测获得的无功参考电流进行PI调节，有功电流i_d与通过直流电压调节获得的有功参考电流进行PI调节；利用对电源的电压U_S进行abc/dq0变换后得到的电压信号V_sd和连接电抗ωL对i_q、id、进行PI解耦，得到静止无功发生器需要发出的dq坐标分量并根据采集的功率单元中级联型逆变器的直流电压值V_dc、电网电压的相位角θ和功率单元中每相级联型逆变器的单元数N计算正弦调制信号的调制比M和相位角α。

通过实施上述本发明一种地铁供电***综合电能质量治理装置及其方法的技术方案，具有以下技术效果：

（1）本发明采用级联多电平型静止无功发生器，相对于多重化与箝位式多电平结构，级联多电平型静止无功发生器结构上易于模块化和扩展，具有电压冗余特性，便于实现软开关技术，控制方法简单，是比较完美的逆变器；

（2）本发明改变了原有静止无功发生器和晶闸管投切电抗器只出现单独使用的方式；通过控制***的协同控制，由晶闸管投切电抗器补偿负载大部分的基波容性无功，静止无功发生器则补偿剩余的无功和谐波；这样既克服了晶闸管投切电抗器只能有级调节无功补偿的缺陷，又解决了大容量静止无功发生器成本高的问题；同时，发挥了晶闸管投切电抗器补偿容量大和静止无功发生器连续补偿的特点，实现了对大容量负载连续补偿的目标；

（3）本发明中有源部分需要的功率小，因此不会增加很多成本，但却可以极大地改善补偿效果，提高了整个治理装置的性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明地铁供电***综合电能质量治理装置一种具体是实施方式的电气连接结构示意图；

图2是本发明本发明地铁供电***综合电能质量治理装置一种具体是实施方式控制保护***的结构原理框图；

图3是本发明本发明地铁供电***综合电能质量治理装置一种具体是实施方式的***控制结构框图；

图中：1-功率单元，2-电子开关，3-预充电回路，4-控制保护***，5-负载，6-电源，11-无功检测模块，12-abc/dq0变换模块，13-直流电压调节模块，14-调制比和相位角计算模块，41-A/D采样电路，42-数模混合电路，43-PWM形成电路，44-光电隔离电路，45-IGBT驱动模块，46-保护和逻辑模块，421-FPGA，422-DSP，423-双口RAM，424-算法DSP模块，425-算法FPGA模块，461-CPLD保护电路，462-CPLD逻辑电路，463-数字I/O电路。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1至附图3所示，给出了本发明一种地铁供电***综合电能质量治理装置及其方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

本发明一种地铁供电***综合电能质量治理装置及其方法，采用静止无功发生器（SVG，Static Var Generator）和晶闸管投切电抗器（TSR，Thyristorswitched Reactor）相结合的方法，全面解决功率因数低、无功倒送和谐波等一系列电能质量问题，避免这些电能质量问题给电网带来危害，保证地铁供电***的可靠性。

针对地铁供电***的特点，电缆充电无功影响大，夜晚功率因数低，无功波动大，这些电能质量问题导致很大的无功损耗、电压波动及闪变等现状。鉴于现有技术方案的不足，本发明采用静止无功发生器+晶闸管投切电抗器相结合的谐波、无功综合补偿方式，不仅可以克服单独使用静止无功发生器成本高和晶闸管投切电抗器不能连续补偿的缺点，而且可以吸取静止无功发生器调节速度快、运行范围宽、补偿无功兼治理谐波和晶闸管投切电抗器容量大、成本低的优点，以得到一种综合补偿效果好、成本较低的新型电能质量治理装置及其方法。

如附图1所示的一种地铁供电***综合电能质量治理装置的具体实施方式，包括：静止无功发生器、晶闸管投切电抗器、预充电回路3、控制保护***4和交流开关。静止无功发生器包括功率单元1和电抗器L10，静止无功发生器与预充电回路3相连，功率单元1与电抗器L10串联，预充电回路3再通过交流开关与连接在电网前端的电源6一侧。晶闸管投切电抗器包括两组以上的电抗器支路，具体包括的电抗器支路数量可根据地铁供电***补偿无功需求、无功补偿调节精度和响应速度综合确定。电抗器支路包括电抗器L11～L1n和电子开关2，电抗器L11～L1n与电子开关2串联，电抗器支路通过电子开关2并联在电网的最右边负载5一侧，负载5为非线性负载。控制保护***4分别与静止无功发生器、晶闸管投切电抗器相连，控制晶闸管投切电抗器中电抗器支路的投入以补偿无功，并控制静止无功发生器补偿无功。其中，静止无功发生器进一步采用级联多电平型静止无功发生器，功率单元1进一步采用多相级联型逆变器。

本发明地铁供电***综合电能质量治理装置的基本工作原理是：大部分无功由晶闸管投切电抗器进行补偿，晶闸管投切电抗器未补偿完的无功和谐波由静止无功发生器补偿。静止无功发生器可以输出从感性到容性连续可调无功，整个地铁供电***就能对无功功率进行连续补偿，同时还能滤除谐波。这样，整个地铁供电***的性能优于单独使用晶闸管投切电抗器。而且，静止无功发生器的容量可以减少，大大降低了成本。

电抗器分别与静止无功发生器的功率单元和晶闸管投切电抗器的电抗器支路相连。预充电回路3包括充电电阻R和第三断路器QF11，第三断路器QF11并联在充电电阻R的两端。交流开关包括第一断路器QF1、第二断路器QF2、第一隔离开关QS1和隔离开关QS11～QS1n。预充电回路3依次通过第一断路器QF1、第一隔离开关QS1与电网相连。晶闸管投切电抗器的电抗器支路通过各自的隔离开关QS11～QS1n连接后，再通过第二断路器QF2与电网相连。

如附图2所示，本发明中的静止无功发生器和晶闸管投切电抗器之间进一步采用协同控制方法。控制保护***4进一步包括A/D采样电路41、双DSP（DigitalSignal Processor，数字信号处理器）+双FPGA（Field Programmable Gate Array，即现场可编程门阵列）为核心的数模混合电路42、PWM形成电路43、光电隔离电路44、IGBT驱动模块45和保护和逻辑模块46。A/D采样电路41采集模拟量信号，经过数模混合电路42的计算，一路输出至保护和逻辑模块46，保护和逻辑模块46再输出信号至静止无功发生器的功率单元1和电抗器支路的电子开关2中的各开关器件。保护和逻辑模块46进一步包括CPLD保护电路461、CPLD逻辑电路462和数字I/O电路463。DSP 422分别与CPLD保护电路461和CPLD逻辑电路462相连，CPLD保护电路461和CPLD逻辑电路462再与数字I/O电路463相连；另一路信号经过PWM形成电路43输出PWM波，再经过光电隔离电路44和IGBT驱动模块45输出至静止无功发生器的功率单元1，驱动功率单元1的多电平级联型逆变器中的开关器件，开关器件可以采用IGBT（Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管）等。保护和逻辑模块46与电子开关2和功率单元1通过光纤进行串行通讯，综合信息，实现对电子开关2和功率单元1的保护，保护和逻辑模块46基于CPLD（Complex Programmable LogicDevice，复杂可编程逻辑器件），主要完成的保护项目有：开关器件输入电流过流、直流电压过压、直流电压欠压IGBT元件故障、长脉冲保护、晶闸管元件故障等。其中，输入电流过流、直流电压过压、直流电压欠压、IGBT元件故障、长脉冲保护是对功率单元1的保护。

数模混合电路42进一步包括FPGA 421、DSP 422、双口RAM 423、算法DSP模块424和算法FPGA模块425。FPGA 421将来自A/D采样电路41的输入信号交互传输至DSP 422。双口RAM 423负责传递DSP 422和算法DSP模块424之间的交互信息。DSP 422负责进行故障监测和逻辑控制处理，并通过保护和逻辑模块46向电子开关2输出控制信号。算法DSP模块424负责进行算法处理，并通过算法FPGA模块425向PWM形成电路43输出PWM波。

在地铁供电***的主变电所和牵引变电所等之间的绝大部分采用电缆连接，因此地铁供电***除整流***产生感性无功功率外，电缆还会产生容性充电无功。地铁供电***的主要无功源包括：地铁整流器、主变压器和中压变压器、电缆充电无功。整流器工作时会产生感性无功；主变压器和中压变压器会产生感性无功；电缆会产生充电无功，并且为容性无功。地铁在初期输送功率小以及晚上低负载运行的时候，地铁供电***对感性无功的补偿容量不会超过电缆的充电容性无功，所以统计综合电能质量治理装置容量时仅考虑线路***空载状态下的最大容性无功Q_C，需要配置综合电能质量治理装置=电缆充电无功-变压器空载无功。

A/D采样电路41采集负载5的电流i_L和经晶闸管投切电抗器补偿后负载5的电流i′_L，以及电网电压U。数模混合电路42根据负载5的电流i_L、电网电压U，以及目标功率因数cosφ计算出负载5需要补偿的无功容量，再根据晶闸管投切电抗器和静止无功发生器的容量大小向晶闸管投切电抗器的电抗器支路的电子开关2发出不同的投切指令。

设晶闸管投切电抗器每组电抗器支路的补偿容量为Q_R，这样晶闸管投切电抗器可提供的补偿容量可以为Q_R和2Q_R（本处以2条支路为例，即附图1中n=2时），为了能让治理装置达到连续补偿的目的，静止无功发生器的容量设为Q_S＝Q_R/2，由它可提供的补偿容量为-Q_R/2~Q_R/2，因此整个装置能提供的补偿容量为-5Q_R/2~Q_R/2。当晶闸管投切电抗器包括两组电抗器支路时，控制保护***4按照以下规则确定晶闸管投切电抗器的补偿指令决定电抗器支路投切的组数，并向电子开关2的晶闸管组发出触发脉冲：

当Q≤Q_R/2时，晶闸管投切电抗器各支路均不投，0～Q_R/2由静止无功发生器补偿；

当-Q_R/2＜Q≤0时，晶闸管投切电抗器各支路均不投，-Q_R/2～0由静止无功发生器补偿；

当-Q_R＜Q≤-Q_R/2时，晶闸管投切电抗器投入一组支路，0～Q_R/2由静止无功发生器补偿；

当-3Q_R/2＜Q≤-Q_R时，晶闸管投切电抗器投入一组支路，-Q_R/2～0由静止无功发生器补偿；

当-2Q_R＜Q≤-3Q_R/2时，晶闸管投切电抗器投入两组支路，0～Q_R/2由静止无功发生器补偿；

当-5Q_R/2＜Q≤-2Q_R时，晶闸管投切电抗器投入两组支路，-Q_R/2～0由静止无功发生器补偿。

数字I/O电路463根据补偿指令向晶闸管投切电抗器中的晶闸管组投切控制器发出相应的投切指令，晶闸管组投切控制器接到指令后自动寻找最佳时刻通过光缆向电抗器支路中的晶闸管组发出触发脉冲，完成补偿支路的投切操作。

静止无功发生器的功率单元1的输出电流通过A/D采样电路41进入数模混合电路42，经过算法DSP模块424计算得到正弦调制信号的调制比M和相位α后，进一步得到三相PWM调制信号，将三相PWM调制信号数据发送至算法FPGA模块425，并定时刷新三相PWM调制信号数据，然后与相移三角载波比较产生PWM信号输出至PWM形成电路43。算法FPGA模块425存储算法DSP模块424最新刷新的信息数据，然后与相移三角载波比较产生PWM信号，不再需要占用DSP的运算时间和资源。其中基于算法FPGA模块425的多路PWM发生器主要由正弦波发生器、三角波发生器、载波相移SPWM产生器、及死区产生器组成。

本发明采用DSP和FPGA联合使用的最大特点是：结构灵活，有较强的通用性，不用修改硬件即可实现不同的算法，适于模块化设计，提高算法效率；同时其开发周期较短，***易于维护和扩展，适用于实时信号处理。

如附图3所示，算法DSP模块424包括无功检测模块11、abc/dq0变换模块12、直流电压调节模块13和调制比和相位角计算模块14。静止无功发生器的功率单元1的输出电流信号经过abc/dq0变换模块12得到的无功电流i_q与通过无功检测模块11获得的无功参考电流进行PI（Proportional Integral，比例积分）调节，有功电流i_d与通过直流电压调节器13获得的有功参考电流进行PI调节。利用对电源6的电压U_S进行abc/dq0变换后得到的电压信号V_sd和连接电抗ωL对i_q、id、进行PI解耦，得到静止无功发生器需要发出的dq坐标分量调制比和相位角计算模块14根据静止无功发生器需要发出的dq坐标分量采集级联模块，即功率单元1中级联型逆变器的直流电压值V_dc、电网电压的相位角θ和功率单元1中每相级联型逆变器的单元数N计算正弦调制信号的调制比M和相位角α。计算公式如下：

$M=\frac{\sqrt{V_{\mathrm{cd}}^{*2}+V_{\mathrm{cq}}^{*2}}}{{\mathrm{MV}}_{\mathrm{dc}}},$ $\mathrm{\α}=\mathrm{\θ}+{\tan }^{-1}\frac{V_{\mathrm{cq}}^{*}}{V_{\mathrm{cd}}^{*}}$

以上算法皆在算法DSP模块424中进行，算法DSP模块424在完成控制计算后，定时刷新输出至功率单元1的调制信号数据，并送到算法FPGA模块425。算法FPGA模块425输出的PWM信号经过放大、隔离、驱动完成PWM脉冲电平转换，将信号经过放大，隔离，形成具有真正驱动能力的驱动信号去功率单元1的各个功率开关管。

一种地铁供电***综合电能质量治理方法的具体实施方式，包括以下步骤：

控制保护***4采集负载5的电流和电网电压；首先根据负载5的电流和电网电压，计算出负载5需要补偿的无功容量，然后通过向电子开关2发出不同的投切指令，控制晶闸管投切电抗器的两组以上的电抗器支路进行投切，补偿电网的大容量无功；

控制保护***4采集静止无功发生器的功率单元1的输出电流，经过运算得到三相PWM调制信号，与相移三角载波比较后得到驱动静止无功发生器功率单元1的PWM信号，控制静止无功发生器功率单元1补偿晶闸管投切电抗器未补偿的无功。

控制保护***4的A/D采样电路41采集负载电流和电网电压信号，经过数模混合电路42的计算，通过保护和逻辑模块46将晶闸管投切电抗器投切控制信号输出至静止无功发生器的功率单元1和电抗器支路的电子开关2中的各开关器件；控制保护***4的A/D采样电路41采集静止无功发生器的功率单元1的输出电流信号，经过数模混合电路42的计算，通过PWM形成电路43输出PWM波，再经过光电隔离电路44和IGBT驱动模块45将控制信号输出至静止无功发生器功率单元1中的开关器件。

A/D采样电路41采集负载5的电流i_L和经晶闸管投切电抗器补偿后负载5的电流i′_L，以及电网电压U；数模混合电路42根据负载5的电流i_L、电网电压U，以及目标功率因数cosφ计算出负载5需要补偿的无功容量Q，然后根据晶闸管投切电抗器和静止无功发生器的容量大小向晶闸管投切电抗器的电抗器支路的电子开关2发出不同的投切指令。

静止无功发生器的功率单元1的输出电流信号经过abc/dq0变换得到的无功电流i_q与通过无功检测获得的无功参考电流进行PI调节，有功电流i_d与通过直流电压调节获得的有功参考电流进行PI调节；利用对电源6的电压U_S进行abc/dq0变换后得到的电压信号V_sd和连接电抗ωL对i_q、id、进行PI解耦，得到静止无功发生器需要发出的dq坐标分量并根据采集的功率单元1中级联型逆变器的直流电压值V_dc、电网电压的相位角θ和功率单元1中每相级联型逆变器的单元数N计算正弦调制信号的调制比M和相位角α；其中，θ为电网电压的相位角，即abc/dq0变换模块12以电网电压的相位角θ作为进行abc/dq0变换的电网电压锁相值。

本发明改变了原来静止无功发生器和晶闸管投切电抗器只出现单独使用的方式。通过控制***的协同控制，由晶闸管投切电抗器补偿负载大部分的基波容性无功，静止无功发生器则补偿剩余的无功和谐波。这样既克服了晶闸管投切电抗器只能有级调节无功补偿的缺陷，又解决了大容量静止无功发生器成本高的问题。同时发挥了晶闸管投切电抗器补偿容量大和静止无功发生器连续补偿的特点，实现了对大容量负载连续补偿的目标。

本发明中有源部分需要的功率小，因此不会增加很多成本，但却可以极大地改善补偿效果，提高了整个地铁供电***的性能。同时，具有良好的动态连续调节能力，感性无功到容性无功连续可调，同时具备良好的谐波特性及滤波功能，损耗和占地面积小，快速实现无功补偿与谐波治理。采用级联多电平型的静止无功发生器。相对于多重化与箝位式多电平结构，级联多电平型静止无功发生器结构上易于模块化和扩展，具有电压冗余特性，便于实现软开关技术，控制方法简单，是比较完美的逆变器。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (11)

1.一种地铁供电***综合电能质量治理装置，其特征在于，包括：静止无功发生器、晶闸管投切电抗器、预充电回路(3)、控制保护***(4)和交流开关；所述静止无功发生器包括功率单元(1)和电抗器(L10)，静止无功发生器与预充电回路(3)相连，功率单元(1)与电抗器(L10)串联，预充电回路(3)再通过交流开关与连接在电网的电源侧；所述晶闸管投切电抗器包括两组以上的电抗器支路，所述电抗器支路包括电抗器(L11～L1n)和电子开关(2)，电抗器(L11～L1n)与电子开关(2)串联，电抗器支路通过电子开关(2)并联在电网的负载侧；所述控制保护***(4)分别与静止无功发生器、晶闸管投切电抗器相连，控制晶闸管投切电抗器中电抗器支路的投入以补偿无功，并控制静止无功发生器补偿无功；所述控制保护***(4)包括数模混合电路(42)，所述数模混合电路(42)进一步包括算法DSP模块(424)，所述算法DSP模块(424)包括无功检测模块(11)、abc/dq0变换模块(12)、直流电压调节模块(13)和调制比和相位角计算模块(14)；静止无功发生器的功率单元(1)的输出电流信号经过abc/dq0变换模块(12)得到的无功电流i_q与通过无功检测模块(11)获得的无功参考电流进行PI调节，有功电流i_d与通过直流电压调节器(13)获得的有功参考电流进行PI调节；利用对电源(6)的电压U_S进行abc/dq0变换后得到的电压信号V_sd和连接电抗ωL对i_q、i_d、进行PI解耦，得到静止无功发生器需要发出的dq坐标分量 调制比和相位角计算模块(14)根据静止无功发生器需要发出的dq坐标分量采集的功率单元(1)中级联型逆变器的直流电压值V_dc、电网电压的相位角θ和功率单元(1)中每相级联型逆变器的单元数N计算正弦调制信号的调制比M和相位角α。

2.根据权利要求1所述的一种地铁供电***综合电能质量治理装置，其特征在于：电抗器分别与静止无功发生器的功率单元和晶闸管投切电抗器的电抗器支路相连；所述预充电回路(3)包括充电电阻(R)和第三断路器(QF11)，所述第三断路器(QF11)并联在充电电阻(R)的两端；所述交流开关包括第一断路器(QF1)、第二断路器(QF2)、第一隔离开关(QS1)和隔离开关(QS11～QS1n)；预充电回路(3)依次通过第一断路器(QF1)、第一隔离开关(QS1)与电网相连；晶闸管投切电抗器的电抗器支路通过各自的隔离开关(QS11～QS1n)连接后，再通过第二断路器(QF2)与电网相连。

3.根据权利要求1或2所述的一种地铁供电***综合电能质量治理装置，其特征在于：所述控制保护***(4)还包括A/D采样电路(41)、PWM形成电路(43)、光电隔离电路(44)、IGBT驱动模块(45)和保护和逻辑模块(46)；A/D采样电路(41)采集模拟量信号，经过数模混合电路(42)的计算，一路输出至保护和逻辑模块(46)，保护和逻辑模块(46)再输出信号至静止无功发生器的功率单元(1)和电抗器支路的电子开关(2)中的各开关器件；另一路信号经过PWM形成电路(43)输出PWM波，再经过光电隔离电路(44)和IGBT驱动模块(45)输出至静止无功发生器的功率单元(1)。

4.根据权利要求3所述的一种地铁供电***综合电能质量治理装置，其特征在于：所述数模混合电路(42)还包括FPGA(421)、DSP(422)、双口RAM(423)和算法FPGA模块(425)；FPGA(421)将来自A/D采样电路(41)的输入信号交互传输至DSP(422)；双口RAM(423)负责传递DSP(422)和算法DSP模块(424)之间的交互信息；DSP(422)负责进行故障监测和逻辑控制处理，并通过保护和逻辑模块(46)向电子开关(2)输出控制信号；算法DSP模块(424)负责进行算法处理，并通过算法FPGA模块(425)向PWM形成电路(43)输出PWM波。

5.根据权利要求4所述的一种地铁供电***综合电能质量治理装置，其特征在于：所述A/D采样电路(41)采集负载(5)的电流i_L和经晶闸管投切电抗器补偿后负载(5)的电流i'_L，以及电网电压U；数模混合电路(42)根据负载(5)的电流i_L、电网电压U，以及目标功率因数cosφ计算出负载(5)需要补偿的无功容量，再根据晶闸管投切电抗器和静止无功发生器的容量大小向晶闸管投切电抗器的电抗器支路的电子开关(2)发出不同的投切指令。

6.根据权利要求4或5所述的一种地铁供电***综合电能质量治理装置，其特征在于：当晶闸管投切电抗器包括两组电抗器支路时，控制保护***(4)按照以下规则确定晶闸管投切电抗器的补偿指令决定电抗器支路投切的组数，并向电子开关(2)的晶闸管组发出触发脉冲：

当Q≤Q_R/2时，晶闸管投切电抗器各支路均不投，0～Q_R/2由静止无功发生器补偿；

当-Q_R/2＜Q≤0时，晶闸管投切电抗器各支路均不投，-Q_R/2～0由静止无功发生器补偿；

当-Q_R＜Q≤-Q_R/2时，晶闸管投切电抗器投入一组支路，0～Q_R/2由静止无功发生器补偿；

当-3Q_R/2＜Q≤-Q_R时，晶闸管投切电抗器投入一组支路，-Q_R/2～0由静止无功发生器补偿；

当-2Q_R＜Q≤-3Q_R/2时，晶闸管投切电抗器投入两组支路，0～Q_R/2由静止无功发生器补偿；

当-5Q_R/2＜Q≤-2Q_R时，晶闸管投切电抗器投入两组支路，-Q_R/2～0由静止无功发生器补偿；

其中，Q_R为晶闸管投切电抗器每组支路的补偿容量。

7.根据权利要求4或5所述的一种地铁供电***综合电能质量治理装置，其特征在于：所述静止无功发生器的功率单元(1)的输出电流通过A/D采样电路(41)进入数模混合电路(42)，经过算法DSP模块(424)计算得到正弦调制信号的调制比M和相位α后，进一步得到三相PWM调制信号，将三相PWM调制信号数据发送至算法FPGA模块(425)，并定时刷新三相PWM调制信号数据，然后与相移三角载波比较产生PWM信号输出至PWM形成电路(43)。

8.根据权利要求1、2、4、5中任一权利要求所述的一种地铁供电***综合电能质量治理装置，其特征在于：所述的静止无功发生器采用级联多电平型静止无功发生器，所述功率单元(1)采用多相级联型逆变器。

9.一种地铁供电***综合电能质量治理方法，其特征在于，包括以下步骤：

控制保护***(4)采集负载(5)的电流和电网电压；首先根据负载(5)的电流和电网电压，计算出负载(5)需要补偿的无功容量，然后通过向电子开关(2)发出不同的投切指令，控制晶闸管投切电抗器的两组以上的电抗器支路进行投切，补偿电网的大容量无功；

所述控制保护***(4)采集静止无功发生器的功率单元(1)的输出电流，经过运算得到三相PWM调制信号，与相移三角载波比较后得到驱动静止无功发生器功率单元(1)的PWM信号，控制静止无功发生器功率单元(1)补偿晶闸管投切电抗器未补偿的无功；

静止无功发生器的功率单元(1)的输出电流信号经过abc/dq0变换得到的无功电流i_q与通过无功检测获得的无功参考电流进行PI调节，有功电流i_d与通过直流电压调节获得的有功参考电流进行PI调节；利用对电源(6)的电压U_S进行abc/dq0变换后得到的电压信号V_sd和连接电抗ωL对i_q、i_d、进行PI解耦，得到静止无功发生器需要发出的dq坐标分量并根据采集的功率单元(1)中级联型逆变器的直流电压值V_dc、电网电压的相位角θ和功率单元(1)中每相级联型逆变器的单元数N计算正弦调制信号的调制比M和相位角α。

10.根据权利要求9所述的一种地铁供电***综合电能质量治理方法，其特征在于：所述控制保护***(4)的A/D采样电路(41)采集负载电流和电网电压信号，经过数模混合电路(42)的计算，通过保护和逻辑模块(46)将晶闸管投切电抗器投切控制信号输出至静止无功发生器的功率单元(1)和电抗器支路的电子开关(2)中的各开关器件；所述控制保护***(4)的A/D采样电路(41)采集静止无功发生器的功率单元(1)的输出电流信号，经过数模混合电路(42)的计算，通过PWM形成电路(43)输出PWM波，再经过光电隔离电路(44)和IGBT驱动模块(45)将控制信号输出至静止无功发生器功率单元(1)中的开关器件。

11.根据权利要求10所述的一种地铁供电***综合电能质量治理方法，其特征在于：所述A/D采样电路(41)采集负载(5)的电流i_L和经晶闸管投切电抗器补偿后负载(5)的电流i'_L，以及电网电压U；数模混合电路(42)根据负载(5)的电流i_L、电网电压U，以及目标功率因数cosφ计算出负载(5)需要补偿的无功容量Q，然后根据晶闸管投切电抗器和静止无功发生器的容量大小向晶闸管投切电抗器的电抗器支路的电子开关(2)发出不同的投切指令。