（交通信息工程及控制专业论文）牵引供电系统混合滤波器的设计.pdf

摘要 摘要 交一直型电力机车的大量使用使得我国电气化铁道负荷谐波含量高的问题尤为突 出。为此，我国电气化铁道的惯用办法是在牵引变电所安装3 次单调谐滤波器，这种方 法的滤波效果远不能满足要求。有源电力滤波器能够克服无源电力滤波器滤波能力不 足、滤波特性受系统参数的影响大、可能发生谐波放大等缺点，有效地抑制谐波。但是， 由于有源电力滤波器的成本较高，因此，将有源电力滤波器与无源电力滤波器结合组成 混合电力滤波器是目前治理电气化铁道谐波污染的较好方案。 文章讨论了牵引变电所混合电力滤波器最佳安装位置、结构，讨论了将有源电力滤 波器、无源电力滤波器串接后并联在母线上构成固定滤波支路进行谐波补偿的方案，对 串接式并联混合电力滤波器的硬件和软件进行详细的设计；给出了基于主要设备最低投 资的混合电力滤波器参数优化模型及算法，利用现场实测数据为金州牵引变电所设计了 混合电力滤波器的主要参数；讨论了有源电力滤波器逆变器的结构、类型及其p w m 控 制方式，有源电力滤波器的输出滤波器参数的设计的准则，编制了优化程序，给出了设 计结果。设计了有源电力滤波器的控制系统。针对目前有源电力滤波器的研究主要集中 在指令产生控制器，本文还详细讨论了指令跟踪控制器的设计。 硬件设计用d s p 芯片刚s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心控制芯片，包括外围的接口的电路、 采样电路、p w m 输出电路的设计，并利用m a t l a b s i m u l i n k 中的电力系统模块构造了单 相器件及仿真电路。对本文进行的理论分析及设计结果进行了仿真验证。仿真结果表明 所提出的方案有很好的滤波效果，控制系统有较快的响应速度。 关键词：牵引变电所；谐波补偿；混合电力滤波器；有源滤波器；m a t l a b s i m u l i n k 大连交通大学：i 学硕士学位论文 a b s t r a c t c h i n a sl a r g e - s c a l eu s eo fe l e c t r i f i e dr a i l w a ym a k ei tak e yp r o b l e mt h a tt h eh a r m o n i c c o n t e n to ft h ee l e c t r i f i e dr a i l w a yl o a di sp a r t i c u l a r l yh i g h n o w a d a y s ，3 - o r d e r ss i n g l et u n a b l e f i l t e r sa r eu s e di nm o s tt r a c t i o ns u b s t a t i o n si no u rc o u n t r y ，a n dt h em e t h o do ff i l t e r i n ge f f e c ti s f a rf r o mm e e t i n gt h er e q u i r e m e n t s a p fw i l lb ea b l et oo v e r c o m et h ep o w e ro fp a s s i v ef i l t e r ， a sa r e s u l t ，b yf i l t e r i n gp r o p e r t i e so ft h es y s t e mp a r a m e t e r s ，s u c ha st h ep o s s i b l es h o r t c o m i n g s o ft h eh a r m o n i ca m p l i f i c a t i o ne f f e c t i v e l yh a r m o n i cs u p p r e s s i o n h o w e v e r ，d u et ot h eh i g h e r c o s t so ft h ea c t i v ep o w e rf i l t e r ，t h eh y b r i dp o w e rf i l t e rw i l lb eab e t t e rp r o g r a m sw h i c h c o m b i n e dt h ea c t i v ep o w e rf i l t e ra n dt h ep a s s i v ep o w e rf i l t e rt om a n a g e m e n th a r m o n i c p o l l u t i o no ft h ee l e c t r i f i e dr a i l w a y t h ea r t i c l ed i s c u s s e dt h et r a c t i o ns u b s t a t i o nh y b r i dp o w e rf i l t e rt oi n s t a l lt h eb e s t l o c a t i o n ，s t r u c t u r e ，t h ea p f p a s s i v ep o w e rf i l t e ri nt h es e r i e sa f t e rt h ep a r a l l e lb u so naf i x e d p o s eah a r m o n i cf i l t e rf o rs l i pc o m p e n s a t i o np r o g r a mw a sd i s c u s s e di na na t t e m p tt op a s s i v e a n da c t i v ep o w e rf i l t e ra sap o w e rf i l t e r t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h es e r i e s - p a r a l l e l h y b r i dp o w e rf i l t e r a r ed e s i g n e d t h em a i ne q u i p m e n ti s g i v e nb a s e do n am i n i m u m i n v e s t m e n to fh y b r i dp o w e rf i l t e ro p t i m i z a t i o nm o d e l sa n da l g o r i t h m s ，o n - s i t eu s eo ft h e m e a s u r e dd a t ao ft h ej i nz h o ut r a c t i o ns u b s t a t i o n ，d e s i g nah y b r i dp o w e rf i l t e ro ft h em a i n p a r a m e t e r s t h ea p f i n v e r t e rs t r u c t u r e ，t h et y p eo fp w mc o n t r o li sd i s c u s s e d t h ed e s i g no f t h ep a r a m e t e r so ft h ea p fo u t p u tf i l t e ri sd i s c u s s e d ，o p t i m i z e ri sp r e p a r e d ，t h er e s u l t so ft h e d e s i g na r eg i v e n t h ea c t i v ep o w e rf i l t e rc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e d f o rt h ea p fp r i n c i p a l s t u d i e sh a v ef o c u s e do nt h ec o m m a n dc o n t r o l l e r ，t h i sa r t i c l ea l s od i s c u s s e st h ed e t a i l e d i n s t r u c t i o n st r a c k i n gc o n t r o l l e rd e s i g n t h ed s p c h i p st m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ai su s e df o rt h ec o r ec o n t r o lc h i p ，i n c l u d i n gt h ed e s i g n e o ft h ee x t e r n a li n t e r f a c eo ft h ec i r c u i t ，s a m p l i n gc i r c u i t ，p w mo u t p u tc i r c u i td e s i g n ，a n dt h e m a t l a b s i m u l i n ki su s e di nt h ep o w e rs y s t e mm o d u l es t r u c t u r eo ft h es i n g l e p h a s ed e v i c e a n dt h ec i r c u i ts i m u l a t i o n i nt h i sp a p e r ，a n dc a r r i e do u tt h et h e o r e t i c a la n a l y s i sb y t h er e s u l t s o ft h es i m u l a t i o n t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h ep l a nh a sav e r yg o o df i l t e r i n ge f f e c t ， a n dt h ec o n t r o ls y s t e mh a saf a s t e rr e s p o n s et i m e k e yw o r d s ：t r a c t i o ns u b s t a t i o n ；h a r m o n i cc o m p e n s a t i o n ；h y b r i dp o w e rf i l t e r ； a c t i v ep o w e rf i l t e r ；m a t l a b s i m u l i n k 大连交通大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解太董銮通太堂有关保护知识产权及保 留、使用学位论文的规定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的 知识产权单位属太童銮通太堂，本人保证毕业离校后，发表或使用 论文工作成果时署名单位仍然为太蔓銮通太堂。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件及其电子文档，允许论文被查 阅和借阅。 本人授权太蔓銮通太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 中国科学技术信息研究所中国学位论文全文数据库等相关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论 文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 学位论文作者签名：厶机a 导师签名： 日期：炒? 年，月7 歹日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电子信箱： 日期：一。萨，。) 月，歹日 电话： 邮编： 大连交通大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢及参考 文献的地方外，论文中不包含他人或集体已经发表或撰写过的研究成 果，也不包含为获得太董塞通太堂或其他教育机构的学位或证书而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本人完全意识到本声明的法律效力，申请学位论文与资料若有不 实之处，由本人承担一切相关责任。 学位论文作者签名夕红钰乃、 日期： 彦年月罗日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题提出的背景 电力系统作为一种重要的“环境”，也存在污染问题，公用电网中的谐波电流和谐 波电压就是对电力系统最严重的污染之一”：好电力系统谐波“污染”的危害上个世纪 3 0 年代就己经得到了普遍的认同目前国际电工委员会( i e c ) 和国际大电网会议( c i g r e ) 都成立了相关的机构c i g r e 每两年召开一次电力谐波国际学术会议( i c h p s ) ，1 9 9 6 年在 其第七次会议上又将其更名为电力谐波与电能质量学术会议( i c h a p ) 近年来，大功率电 力电子器件的广泛使用使得电网的谐波污染变得日益严重，而同时现代工业商业及居民 用户的用电设备对电能质量更加敏感，这更使得电网谐波问题受到广泛的关注 众所周知，谐波对于电力系统和通信线路有不利的影响，主要表现为：对临近的通 信系统产生杂音干扰：影响精密电子设备( 计量仪表和电子计算机) 的正常工作；干扰纹 波控制电力载波系统，引起遥控负荷控制和遥测的运行异常；使电力系统的电力设备产 生附加的损耗和发热，从而降低其容量利用率和运用效率；使继电保护误动作，使电能 计量出现混乱：干扰大型电机控制系统和电厂励磁系统；引起感应电机或同步电机的机 械振动；也可能引起系统谐振，使电容器电抗器过流过压，严重时发生烧毁击穿，在一 般的情况下也会降低一些电力设备( 主要是电力电容器和电力电缆) 的使用寿命和工作可 靠性眙： 电力系统中许多电气元件都产生不同程度的谐波，其中各种整流设备，交直流换流 设备产生谐波尤为严重铁道电力牵引以功率大过载能力强运营费用低、便于实现自动化 不污染环境的优点而备受青睐，从而被越来越广泛地运用到现代铁路运输中截止2 0 0 5 年，我国己建成4 3 条电气化铁路干( 支) 线，电气化铁路总里程达到2 0 1 3 2 k m ，己占全国 铁路运营业里程的2 7 0 8 ，完成铁路运营量的5 0 以上，电力牵引成为干线运输的主 要动力方式铁道电力牵引经济可靠的优势依赖于给其供电的强大供电网一电力系统但 是由于电气化铁道的供电系统采用a c d c 整流型能量变换方式，其谐波含量大的问题 尤为突出因此，电气化铁道牵引负荷是一种重要的谐波污染源电气化铁道的谐波问题一 直受到电力系统和铁路供电技术人员和学者的广泛关注与其他非线性负荷的谐波相比 电气化铁道谐波的特点是旧3 ： ( 1 ) 单相独立性虽然我国铁路的供电系统都采用两相供电，但两相负荷相关性很小， 通常认为两臂负荷是相互独立的 f 2 ) 随机波动性谐波电流随基波负荷剧烈波动，范围很大 大连交通大学t 学硕士学何论文 ( 2 ) 随机波动性。谐波电流随基波负荷剧烈波动，范围很大。 ( 3 ) 相位分布广泛。谐波向量可在复平面四个象限上出现。 ( 4 ) 稳态奇次性。单相整流负荷在稳态运行时只产生奇次谐波，实测显示偶次谐波 电流很小。( 由于电牵引负荷具有此特性，在本文以后的计算中涉及到负荷电流谐波时均 忽略其中的偶次分量) ( 5 ) 高压渗透性。电气化铁道是为数不多的高压用户，其任一次谐波都通过高压系 统向全网渗透，不受变压器接线方式的阻碍。 针对电力牵引负荷中3 次谐波的含量很高的特点，我国的电气化铁道在牵引变电所 安装3 次谐波装置进行滤波，只能滤除5 0 左右的3 次谐波，其滤波效果远不能满足要 求。 电气化铁道严重的谐波污染己经成为影响电力系统经济与安全可靠运行的不良因 素。电气化铁道对于电力系统而言，属于大众工业用户，因此，电气化铁道的谐波问题 引起了电力部门的高度重视。1 9 9 7 年3 月5 日，电力工业部专门发出了关于加强电气化 铁路谐波治理工作的通知。通知要求“今后凡新建电铁工程必须有谐波治理措施”。2 0 0 0 年四川省电力工业局在向国家电力公司提交的报告中提出：大量的电铁谐波未经治理直 接注入西昌电网，严重影响电力系统和卫星基地的正常运行，己到了非治不可的地步。 2 0 0 2 年5 月1 3 至1 5 日国家经贸委、解放军总装备部、国家电力公司、中国电力企业联 合会标准化中心的有关领导，以及清华大学、哈尔滨工业大学等高等院校和中国电科院、 宝钢集团等单位的专家，共5 0 余人齐聚西昌专门对由于成昆电铁造成的谐波引起的电 网公害问题进行了研讨。 随着我国电力市场运作的日渐规范，电力部门正采用新的计量标准并充分利用经济 杠杆对电网谐波进行更加严格的管理。这样，谐波对于铁路部门来说，就不仅仅是技术 问题了。因此，为适应形势的需要，必须提出一种安全、有效、经济的方案对电气化铁 道的谐波污染进行治理。 1 2 国内外研究现状 目前，治理电气化铁道的谐波污染的方法可分为主动型和被动型两种h 1 。所谓主动 型就是设法使电力机车少产生或不产生谐波。目前较成熟的办法是：使用交一直一交型 或交一交型电力机车。所谓被动型就是在母线上装设谐波补偿装置。由于几十年来我国 生产了大量的交一直型电力机车，而且正在生产的电力机车中交一直型电力机车仍占了 绝大部分，所以，在若干年内交一直型仍将是我国电力机车的主力。因此，装设谐波补 偿装置将是治理电气化铁路谐波污染的主要方式。 2 第一章绪论 装设谐波补偿装置的方法有两种：一种是采用出电容电抗( 电感l 和电阻构成的无源 电力滤波器p p f ( p a s s i v ep o w e r f i l t e r ) ；另一种是采用主要由大功率可关断电力电子器件 构成的有源电力滤波器a p f ( a c t i v ep o w e rf i l t e r j , p p f 具有安装容量较小投资尘结构简单，运行可靠及维修方便的优点，但是存在如 下缺点： ( 1 ) 滤波特性受系统参数的影响大，并可能与系统发生谐振或谐波放大，危及系统 安金 ( 2 ) 只能消除极少数特定次的谐波，其滤波效果远不能满足要求 采用a p f 就近吸收谐波源所产生的谐波电流是抑制谐波污染的有效措施a p f 的基 本思想在上世纪六七十年代就己形成，它不仅可以抑制谐波还能补偿无功负序，抑制i n 变其基本原理是根据需要从补偿对象中提取出希望消除的电流分量，由补偿装置产生一 个与该电流分量大小相等极性相反的补偿电流当只用a p f 补偿谐波时，就只从对象中 提取谐波电流分量进行补偿a p f 可以克服p p f 存在的不足，对供电系统污染进行综合 治理然而，从实用的角度考虑，下列因素影响了a p f 的推广应用： ( 1 ) a p f 的补偿容量受到电力电子器件的耐压容量开关频率及动态补偿性能的限制 ( 2 ) 与p p f 相比，初期投资大( 在日本为p p f 的3 5 倍) ，运行费用高( 效率为9 5 左右) ，电磁干扰( e m i ) 大 电力电子技术的飞速发展大功率可关断器件的进步使得将a p f 技术用于治理电网 污染的条件己经成熟在国外，a p f 己被大量投入使用 因此，在研究高性能a p f 的同时，人们也致力于使有源滤波装置容量降低的无源 一有源混合滤波方案的研究 将p p f 与a p f 组合在一起而构成的混合型滤波器是近年来发展起来的一种经济安 全可靠实用的谐波补偿技术将a p f 与p p f 组合使用，合理分担补偿需求，既能减少a p f 的容量，又能弥补p p f 和a p f 各自的不足，是实现谐波治理最有前途的技术之弋尤其 是对于治理电气化铁路产生的大容量谐波源，能够充分发挥p p f 耐高压大容量实现容易 等特点，以及a p f 所具有的宽谐波抑制范围和自动跟踪等优势就中国的基础工业发展 水平而言，牵引变电所采用无源一有源混合滤波装置用于治理谐波污染，不失为一种投 资适中，技术先进的设计方案 由p p f 和a p f 组成的混合电力滤波器有两种基本联结方式：串联性混合电力滤波 器( s h a p f ) 和并联型混合电力滤波器( p h a p f ) 哺：其中s h a p f 虽然可以实现系统与谐波的 隔离，但它不能调节p p f 支路的负荷，防止p p f 过载；同时a p f 串联在电路中，绝缘 较困难，维修也不方便通过与a p f 串连的无缘网络隔离基波电压的p h a p f ，虽然有效 大连交通大学工学硕七学位论文 缘较困难，维修也不方便。通过与a p f 串连的无缘网络隔离基波电压的p h a p f ，虽然 有效地降低了a p f 的容量，解决了绝缘问题，但因系统与p p f 之间存在谐波通道，当 背景谐波较大时容易使p p f 过载。 a p f 概念提出以来，在主电路拓扑和控制策略方面都取得了极大的进展，并在工程 实践中得到了应用。但是从研发和工程应用来看，a p f 被发达国家垄断的现实基本未改 变，尤其是大容量系统。近年来国内学者在a p f 方面做了很多研究，但是我国自主研 制，投入运行的a p f 还是屈指可数。所以，结合现有理论，从工程应用角度对a p f 进 行细致的研究，为项目开发积累经验成为摆在我们面前的一项紧迫任务。作为高性能的 动态谐波抑制装置，a p f 有着很强的研究价值。但是，目前a p f 的设计和研制成本还 相对较高。所以，针对关键环节，细致的理论分析以及准确的数字仿真仍是设计过程中 的重要手段。 有源电力滤波器的研究与应用，国内远落后于国外，清华、浙大、西安交大、哈工 大、华电等高校正在积极研究，取得了一定成就，但基于d s p 控制全数字式的经济型 a p f 仍未有应用性成果报道，除少数几台a p f 已投入工业试运行外，其它大部分尚处 于研制阶段，但随着我国对电网谐波污染治理日益重视，“绿色电力 的呼声愈来愈高， 有源电力滤波器必然会得到广泛地推广应用。 1 3 本文的主要工作 本课题研究的是适用于牵引变电所的混合电力滤波器。提出一种混合滤波器结构， 该混合电力滤波器将p p f 和a p f 串联后再并联在母线上，这样a p f 能够改善p p f 的滤 波性能，防止p p f 与系统阻抗发生谐振，而且通过控制使a p f 基本不承受基波电压， 从而能大大降低a p f 的容量。a p f 串在p p f 下部有利于保护和降低绝缘等级。本文的 主要工作包括： ( 1 ) 分析了一种经济型有源滤波器的拓扑结构，从理论上推论了其工作原理。 ( 2 ) 通过建立混合电力滤波器的容量优化模型，对其整体容量进行优化设计，并详 细介绍了所研究的并联型有源滤波器的主电路的功率器件选择及直流侧电容选择。 ( 3 ) 用d s p 芯片t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为核心控制芯片，对过程中的硬件和软件进行设 计，包括外围的接口的电路、采样电路、p w m 输出电路的设计。 ( 4 ) 应用m a t l a b 对其进行仿真分析，得到仿真结果。 ( 5 ) 最后，对以后的进一步研究方向提出了设想。 4 第一章绪论 本章小结 本章主要介绍了在科技和经济快速发展的背景下，电气化铁路是我国铁路的发展方 向，而电气化铁路的谐波问题，对电力系统的安全运行产生了负面的影响。为适应形势 的需要，必须提出一种安全、有效、经济的方案对电气化铁道的谐波污染进行治理。因 此，研究牵引供电系统的混合滤波装置具有十分重要的现实意义。 人迎交通人学。l ：学硕十学何论文 第二章混合滤波器结构及原理 2 1 混合滤波器结构的确定 为了克服有源电力滤波器要求容量大这一缺点，可采用有源电力滤波器( a p f ) 与无 源滤波器( p p f ) 结合起来混合使用基本思想是利用l c 滤波器束分担a p f 的部分补偿任 务由于l c 滤波器与a p f 相比，其优点在于结构简单易实现且成本低，而a p f 的优点 是补偿性能妊两者结合同时使用，既可克服a p f 容量大成本高的缺点，又可使整个系 统获得良好的性能 由于在电力牵引负荷中3 次谐波占了很大的比重，所以设计p p f 由357 次协调滤波 支路及高通滤波支路构成 由无源和a p f 构成的混合电力滤波器有两种基本联结方式：并联型混合电力滤波 器( p h a p f ) ( j z l j 图2 1 ) 和串联型混合电力滤波器( s h a p f ) ( j z i 图2 2 ) m j os h a p f 是将a p f 串 联入系统和p p f 之问，它需要的有源装置容量小，运行效率高，可以实现系统与谐波的 隔离，有利于消除系统与p p f 的谐振，抑制“背景谐波”对滤波系统造成的危害但这种 结构的混合电力滤波器由于a p f 串联在电路中，保护绝缘及维护都较困难，而且必须 对电网进行改造，所以工程上实现较困难 2 1 1a p f 和p p f 并联后再并联接入电网 图2 1 所示的两种结构己被用于工业现场其中图2 1 ( a ) 所示的方案采用a p f 与p p f 并行联结的方式a p f 与l c 滤波器均与谐波源并联接入电网，两者共同承担补偿谐波的 任务，l c 滤波器主要补偿较高次的谐波，是一个高通滤波器( h p f ) ，这个高通滤波器， 一方面用于消除补偿电流中因主电路中器件通断而引起的谐波，另一方面可滤除补偿对 象中次数较高的谐波，从而使得对a p f 主电路中器件开关频率的要求可以有所降低这 种方式中，由于l c 滤波器只分担了少部分补偿谐波的任务，故对降低a p f 的容量起不 到很明显的作用但因对a p f 主电路中器件的开关频率要求不高，故实现大容量相对容 易些 图2 1 ( b ) 为a p f 与l c 并联后再并联接入电网的另一种方式，在这种方式中，l c 滤波器包括多组单调谐滤波器及高通滤波器，承担了绝大部分补偿谐波和无功的任务 a p f 的作用是改善整个系统的性能，其所需的容量与单独使用的a p f 方式相比可大幅 度降低 当然，只要在电路中使用l c 滤波器就会存在与电网阻抗发生谐振的可能，所以在 a p f 与l c 滤波器并联使用时，需对a p f 进行有效地控制，以抑制可能发生的谐振 6 第二章混台滤波器结构及原理 a ( a p f 负载l 1，一 h p f 图a a p f 和p p f 并联后再并联接入电网方式之一 f i g at h ef i r s tm e t h o do fa c t i v ep o w e rf i l t e ra n dp a s s i v ep o w e rf i l t e rp a r a l l e lu s e di np o w e rg r i d a c a p f 图b a p f 与p p f 并联后再并联接入电网方式之二 f i g bt h es e c o n dm e t h o do fa c t i v ep o w e rf i l t e ra n dp a s s i v ep o w e rf i l t e rp a r a l l e lu s e di np o w e rg r i d 图2 1a p f 和p p f 并联后再并联接入电网方式 f i g 2 1m e t h o do f a c t i v ep o w e rf i l t e ra n dp a s s i v ep o w e rf i l t e rp a r a l l e lu s e di np o w e rg r i d 这两种方法存在以下缺点： ( 1 ) 电源与p p f 之间存在谐波通道，当背景谐波较大时容易使p p f 过载 ( 2 ) a p f 与p p f 之间存在谐波通道，可能导致流入p p f 的谐波电流又注入a p f ，这 将增大a p f 的容量 7 大连交通大学工学硕士学位论文 2 1 2a p f 和p p f 串联后再并联接入电网 图2 2 采用a p f 与p p f 串接的方式，比较适合用于我国电气化铁道谐波治理。a p f 能够改善p p f 的滤波特性弥补p p f 滤波能力的不足，防止p p f 与电网阻抗发生谐振， 而且可以通过控制使a p f 基本不承受基波电压，从而能大大降低a p f 所需的容量( 约为 补偿对象的3 - 5 ) 。a p f 串在p p f 下部有利于保护和降低绝缘等级。为了进一步降 低a p f 的电压等级，还可以用耦合变压器将p p f 和a p f 联接起来 3 。另外，为了防止 对电网造成新的污染，必须采用低通输出滤波器彻底滤除逆变器的开关频率分量。 a p f 按其逆变器采用直流电源的性质可以分为电流型和电压型两类。电压型a p f 的逆变器直流侧电压在正常工作时可保持不变。电流型a p f 的逆变器的直流侧电流在 正常工作时可保持不变。电压型a p f 损耗较小、效率高，技术较为成熟，在目前实际 应用的a p f 中，9 0 以上都是电压型的。所以，我们滤波方案中的a p f 选用电压型的 逆变器。 图2 2 所示为a p f 与l c 滤波器串联后再并联接入电网方式的原理图。在该方式中， 谐波和无功功率主要由l c 滤波器补偿，而a p f 的作用是改善l c 滤波器的滤波特性， 克服l c 滤波器易受电网阻抗的影响、易与电网阻抗发生谐振等缺点。这种方式中，a p f 不承受交流电源的基波电压，因此装置容量小。 _ - r 1 、 一c l h f =： 图2 2 a p f 和p f 串联后再并联接入电网原理图 f i g 2 2t h ep r i n c i p l ec h a r to f a c t i v ep o w e rf i l t e ra n dp o w e rf i l t e rs e r i e su s e di np o w e r 鲥d 8 第二章混合滤波器结构及原理 2 2 混合电力滤波器安装位置的确定 混合滤波器应该靠近“排污口”还是“污染源”，这是一个问题。在牵引变电所原 边装设混合滤波器存在以下几方面的不利因素： ( 1 ) 混合电力滤波器的电压等级上升，成本也就随之上升。 ( 2 ) a p f 输出滤波装置及混合变压器各增加两套。 ( 3 ) 混合滤波器的结构更为复杂( 由一套设备变为三套) 。 ( 4 ) 由于少了牵引变压器的阻碍，背景谐波将更容易影响装置。 综上所述，在牵引变电所次边安装混合滤波器，对谐波进行就地补偿的方案更为合 珲。 图2 3 混合电力滤波器安装示意图 f i g 2 3t h es c h e m a t i cd r a w i n go f h y b r i dp o w e rf i l t e r 2 3 有源滤波器滤波原理 图2 4 所示为最基本的有源电力滤波器系统构成的原理图m 1 ，e 。表示交流电源，负 载为谐波源，它产生谐波并消耗无功功率。有源电力滤波器系统由两大部分组成，即指 令电流运算电路和补偿电流发生电路( 由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部 分构成) 。其中指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流 分量，因此有时也称之为谐波和无功电流检测电路。补偿电流发生电路的作用是根掘指 9 大连交通大学t 学硕士学位论文 令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流。主电路目前均采用 p w m 变流器。 图2 4 有源滤波器系统构成原理图 f i g 2 4t h ep r i n c i p l ec h a r to fa c t i v ep o w e rf i l t e rs y s t e m 有源电力滤波器的基本原理是：检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路 计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿 电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流阳1 。 简单说明一下，当需要补偿负载产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出补偿对 象负载电流f 。的谐波分量么，将其反极性后作为补偿电流的指令信号i 二，由补偿电流发 生电路产生的补偿电流誓即与负载电流中的谐波分量f ，。大小相等、方向相反，因而两者 互相抵消，使得电源电流t 中只含基波，不含谐波。这样就达到了抑制电源电流中谐波 的目的。 上述原理可用如下的一组公式描述： = t + 如 i l = i 吁+ i l h 之= 吨 c = 屯+ 七= 0 其中0 为负载电流的基波分量。 l o ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 第二章混合滤波器结构及原理 如果要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时，补偿负载的无功功率，则只要求在补 偿电流的指令信号中增加与负载电流基波无功分量反极性的成分即可。这样，补偿电流 与负载电流中的谐波及无功成分相抵消，电源电流等于负载电流的基波有功分量。 图2 5 牵引供电系统有源滤波器装置的系统坌占构 f i g 2 5t h es y s t e mo f t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e ma c t i v ef i l t e r 本章小结 本章就牵引变电所混合电力滤波器的结构进行了讨论，得到的结论是：混合电力滤 波器采用p p f 和a p f 串联后并联在牵引变电所次边的母线上的结构具有成本低，实现 方便，便于绝缘和保护等优点，同时阐述了有源滤波器的滤波原理。 人连交通火! 学t 学硕十学伊论文 第三章混合电力滤波器的参数设计 金州牵引变电所，采用单相一单相阻抗匹配平衡界限变压器，牵引变压器容量为 2 x 5 0 m v a ，一主一备，变比为2 2 0 2 7 5 k v ，牵引变压器短路电压均为1 0 5 ，牵引变 压器进线最大、最小运行方式下的单相短路容量分别为5 9 4 m v a 和1 0 6 m v a 。2 0 0 8 年 1 0 月1 3 日1 5 日，对金州变电所进行了2 4 小时的电能质量连续测试。测得变电所牵 引端一供电臂的功率因数为o 7 7 1 4 ，变电所牵引端各端口电流如表3 1 所示。 表3 1 牵引端一端口电流9 5 概率最火不超过值( a ) t a b l e3 1o n et r a c t i o ns i d et h ep r o b a b i l i t yo f t h ep o r tc u r r e n to f n om o r et h a nt h em a x i m u m s9 5 ( a 1 次数基波 35791 1 1 3 1 51 71 9 电流 3 9 8 28 0 9 54 1 3 52 5 71 5 5 91 1 69 66 46 55 3 为了使补偿方案有较好的经济性和安全性，应该在设计混合电力滤波器的参数6 ，j 对 p p f 和a p f 的滤波任务进行合理的分配。 根据国际标准的要求和金州牵引变电所的实测数据可对p p f 和a p f 的任务进行一 下分配：p p f 滤除负荷中的5 0 以上的奇次谐波，a p f 通过前馈控制( 以牵引负荷电流 为输入) 滤除3 1 5 次奇次剩余谐波的5 0 ，同时a p f 通过反馈控制( 以系统电流为输入) 对包括偶次谐波的各次系统电流谐波进行控制，达到抑制谐振，保证混合电力滤波器安 全，进一步增强混合电力滤波器的滤波能力的目的。 3 1 无源电力滤波器的容量计算模型 如第一章所述，采用阻抗匹配平衡变压器的牵引变电所两供电臂牵引负荷有相对独 立性，可以对其中一个供电臂单独研究并联混合电力滤波器的特性，忽略另一个供电臂 的影响。等值电路如图3 1 所示引。图中，以表示系统等值电压；z 盯表示系统及变压 器阻抗，u 层表示母线电压，乙阡表示p p f 的阻抗，“f 、阡分别表示a p f 的电压和 电流，f 。、f ，分别表示系统和端口负荷电流。 第三章混合电力滤波器的参数设计 图3 1 混合电力滤波器等值电路 f i g 3 1e q u i v a l e n tc i r c u i to f h y b r i dp o w e rf i l t e r 百先定义以卜儿个参数： ( 1 ) 单调谐滤波支路的调谐系数，。 仁筹杀嘉 ， 式中，础为_ 7 次单调谐滤波支路基波感抗( q ) ；掣2 为此单调谐波之路基波容抗 ( q ) ；8 f 为考虑了设备制造安装、运行误差和电网频率偏移等因素的等效频偏，一般 有6 厂1 。 ( 2 ) 无源滤波后的谐波残余度h e r 瑚b - l 焘i 2 ， 式中，刀为谐波次数，z 为p p f 第刀次谐波的等值阻抗( q ) ( 3 ) p p f 的滤波率t 1 。 ”f 焘i 3 ， ( 4 ) 无功补偿度k ，并联补偿装置基波( 容性) 无功功率 ，= 一 一 牵引负荷( 感性) 无功功率 实际应用中，k 往往由原功率因数c o s t 9 。和补偿后的功率因数c o s t p ，确定，即 大连交通大学丁学硕十学位论文 k = 1 一 ( 3 4 ) g = k c q r 式中，c o s q o 。、c o s q o 。分别为各端1 2 1 补偿前、补偿后牵引负荷功率因数，q ，表示次 边端口的牵引负荷感性无功功率，皱为此端口的无功补偿量。 在设计多次p p f 支路的参数时，可以通过优化分配各端口中各p p f 支路的无功功 率，使得在满足一定滤波效果指标的前提下，p h a p f 的设备总投资为最小。以下分别 构造单调谐滤波器和高通滤波器的容量计算模型。 单调谐滤波器 对于某一固定的次边端口，刀次单调谐滤波支路的m 次谐波阻抗为： z ( n m ) 面1 西+ j r m a - 厶+ 面1 石n = 3 , 5 , 7 ) ( 3 5 ) 式中，q 为单调谐滤波支路的品质因数。 次单调谐滤波支路的电容器组和串联电抗器容量分别为： 鲜= 鳓+ 残曼 _ ( 搿蝙+ 酗俐 ( 3 6 ) 饼= 鳓+ 缆 = ( 普) 2 壶+ 酗惨h 鬻蟹胁厶 7 ， 式中，叫表示母线基波电压，昭表示刀次背景谐波电压，c 、厶分别为”次单 调谐滤波支路的电容和电感值，乙：是a p f 通过反馈控制呈现出的等效电阻。 高通滤波器 高通滤波器的m 次谐波阻抗为： z c ，) = 竺! 生坠一， ! m p r m p + j h 嫡l l m p j t o o ) 、c 叩 1 4 第二章混合电力滤波器的参数设计 一 生! 竺! ：竺i 生!+ ，f墨盏! 竺苎竺 2 砾i 而+ j 【瓦百面耵尺：p + ( ，彻1 。妒) 二。i 尺纛+ ( ，7 ( i ) l 厶妒) 二 ，砌f 巴 ( 3 8 ) 式中，e 驴、l 。妒、r ，驴分别为高通滤波器的电容、电感、电阻值。可用两个参数描 述其特征，即： 肛面1 石，乃= 丧 ( 3 9 ) 式中，磊成为截止频率。厅是与品质因数直接相关的参数，其值一般在0 5 - 2 之间 选取。于是高通滤波器的电阻和电感可以表示为： 2 力：f o c , p( 2 r c f o ) ! c 卵 高通滤波器的电容器、电抗器、电阻的计算容量为： - = 一- + 铆 一r 盟、2 气俐 、c m 。 q m p l = q 叫 七q m 咖 鲩，= ( u 岔 ) 2 一o m p r = q m 热+ q 哪胁 式中： = ( 硼 z r | | l 2 1 9 厂 + l 矽 m 。l c a ) i k z t l ；j ? z = 1 9l + j m = 3 l ，2 巧1 + 酗 2舢l c 搿+ o 5 z i , 7 , 1 + z k ! z 脊1 + z ：蒜+ z k ! 础+ o 5 z 跚+ z k 2 搿+ z 僻+ z k 2 r m p + j i l m ， k s m r h q 丽 1 5 z j 懒i l m n z l t 强 j m 、l m n ( 3 1 0 ) 、2 m l o l 1 、2 lr 叩( 3 11 ) 1 堡丝黔 堕亿 盟掣 勉础 大连交通大学- t 学硕十学位论文 3 2 有源电力滤波器的容量计算模型 为了达到理想的滤波效果，应有： u 撩= 一z 罱? i ? 【腮= 璐 ( 3 1 2 ) 式中： 一z 胛p p l m ) = 1 1 j 1 t 可+ 虿+ 可+ 虿 为了完成滤波任务，应有： 略= - 0 5 z ( m ) ( l m + 乙2 f ” 略- 0 刮n 乙：l 燕p 牡牡i 糍筠警p 流过a p f 的总电流为： a p f 的端口电压： a p f 的计算容量： 1 9 l 阡= 腮 肘= l 1 5 = 州p f m = 2 ( 3 1 4 ) ( 3 1 5 ) ( 3 1 6 ) s a p f = u 月尸f ，j t p f ( 3 1 7 ) 3 3 混合电力滤波器的最小投资优化模型 在满足一定的滤波率和各端口总基波无功补偿量不变的前提下，通过对滤波支路补 偿无功的合理分配使得包括电容器组、串联电抗器、电阻器及a p f 的费用总投资最小。 在进行优化计算时首先确定各单调谐滤波器的调谐系数、品质因数以及高通滤波器的截 止频率f o 和h 值，然后以各种滤波支路电容参数为寻优变量，按一定的约束条件和约束 目标利用优化程序就能得到混合电力滤波器总投资最小的优化参数。在设计单调谐滤波 1 6 第二章混合电力滤波器的参数设计 支路时取等效频偏6 厂= 0 0 2 ，3 、5 、7 次单调谐滤波支路的调谐系数分别为= 0 1 2 2 4 ， t ；= 0 0 4 5 5 ，t ，= 0 0 2 2 0 。为了不影响单调谐滤波支路的滤波特性，取厶= 4 0 0 h z ，考 虑h 越小滤波器的损耗越小，因此，h 耿0 5 “_ 。 对a p f 及p p