（载运工具运用工程专业论文）牵引供电网络谐波抑制关键技术的研究.pdf

摘要 摘要 电力牵引供电系统具有速度快、运输能力强、供电距离长、节约能源与造 价、牵引性能好等优点，具有广阔的发展前景，是世界及我国铁路的发展方向。 电力牵引供电系统由一次供电系统、牵引供电系统、电力机车和电动车组等部 分组成。由于电力机车为非线性整流负荷，其产生的谐波经牵引网传输至供电 臂首端叠加后注入牵引变压器馈入电力电网，严重污染电网质量。因此，对电 力牵引供电系统的谐波进行抑制，具有十分重要的意义。 电力牵引供电系统的谐波抑制方法主要有采用无源滤波器、有源电力滤波 器以及混合有源电力滤波器进行滤波以改善电力牵引供电系统的电能质量。由 于无源滤波器体积大且容易与系统发生谐振，而有源电力滤波器则受电网阻抗 影响小、能够动态跟踪、抑制系统谐波，得到越来越广泛的应用。但是，由于 谐波的特性、滤波器的结构、控制系统的设计等因素都对有源滤波器的滤波性 能产生很大的影响，有必要对牵引供电系统谐波抑制中的关键技术问题进行研 究。 对电力牵引供电系统畸变电流的实时检测是有源电力滤波器解决电网无功 和谐波问题的前提，因此对补偿电流检测方法的研究具有重大的意义。如何准 确、实时地从畸变的电流电压中分离出基波、谐波分量，是有源电力滤波器对 电网畸变电流进行精确补偿的关键。基于小波变换的谐波特性分析可以将高次 谐波与基波分离，使我们对谐波的特性有更清晰的认识。而基于自适应干扰对 消原理的自适应谐波检测方法能够克服其它谐波检测方法中存在的问题，是一 种性能较好，检测精度较高的检测方法。本文通过理论分析和仿真试验对自适 应谐波检测方法的性能及检测效果进行了研究。 控制系统性能的优劣很大程度上决定了有源电力滤波器的补偿性能，因此 设计良好的控制模块，选用合适的控制策略是提高滤波器性能的关键。为了提 高牵引供电系统谐波抑制的效果，本文结合电力牵引供电系统的凿波特点，对 混合型滤波器采用滞坏比较跟踪控制方法对牵引供电系统的谐波电流抑制进行 了研究。 由于采用滞环比较的控制方式跟踪电流变化的方法，使得有源滤波器的输 出电流带有大量的毛刺，这直接影响到系统滤波的陆能。为减少滞环控制产生 摘要 的毛刺，提高牵引供电系统谐波抑制的效果，本文在传统的有源滤波器的基础 上增加了小波降噪环节，设计出新型的混合型有源电力滤波器。该滤波器利用 小波降噪对输出信号进行降噪处理，从而提高了系统的滤波性能。 关键词：电力牵引供电系统，谐波，自适应谐波检测，滞环控制，小波降噪 a b s t r a c t a b s t r a c t t h et r a c t i o np o w e rs y s t e mh a sv a s td e v e l o p m e n tf o r e g r o u n db e c a u s ei ti sh a s t h ev i r t u e so fh i g hs p e e d ，p o w e r f u lt r a n s p o a ，l o n gp o w e rs u p p l y ，e c o n o m i z ee n e r g y a n dp r i c e ，b e t t e rt r a c t i o na b i l i t ya n ds oo n b e i n gn o n 1 i n e a r i t yl o a d ，t h eh a r m o n i c s p r o d u c e db yt h ee l e c t r i c a ll o c o m o t i v ea r et r a n s f e r r e dt op o w e rs y s t e ma f e rp l u sa t p o w e rs u p p l yh e a dt h r o u g ht r a c t i o nt r a n s f o r m e rb yt r a c t i o np o w e rs y s t e m ，w h i c hd o g r e a th a r mt ot h eq u a l i t i e so ft h ep o w e rs y s t e m t h e r e f o r e ，i ti sv e r ym e a n i n g f u lt o r e s t r a i nt h eh a r m o n i c so ft r a c t i o np o w e r s y s t e m p a s s i v ef i l t e r , a c t i v ef i l t e ra n dh y b r i df i l t e ra r e m a i n l yu s e d t of i l t e rt h e h a r m o n i c si no r d e rt o i m p r o v et h eq u a l i t yo fp o w e re n e r g y p a s s i v ef i l t e rm a y r e s o n a n c ew i t hs y s t e m ，b u ta c t i v ef i l t e rn o t s oa c t i v ef i l t e r sa r eu s e dw i d e l yd u et o i t sm e r i t so fs m a l la f f e c ta n dd y n a m i cs l o ta n df i l t e rh a r m o n i c s o nt h eo t h e rh a n d ， t h ec h a r a c t e r i s t i c so fh a r m o n i ct r a i ta n df i l t e rc o n s t r u c t e ra n dc o n t r o ls y s t e md e s i g n w i l li n f l u e n c et h ec o m p e n s a t ep e r f o r m a n c e ，t h e r e f o r ei ti si m p o r t a n tt os t u d yt h ek e y t e c h n o l o g yo ft r a c t i o np o w e rs y s t e m i no r d e rt od e t e c tt h ed i s t o r t e dc u r r e n to ft r a c t i o np o w e r s y s t e m ，i ti sm e a n i n g f u l t os t u d yt h ec u r r e n td e t e c tm e t h o d h o wt od e t e c tt h ed i s t o r t e dc u r r e n tp r e c i s e l ya n d r e a l t i m e l yi sak e yw o r d w a v e l e tb a s e dh a r m o n i cc h a r a c t e r i s t i ca n a l y s i sm a k eu s k n o wt h eh a r m o n i cc h a r a c t e r i s t i cc l e a r o nt h es a m et i m e ，s e l f - a d a p td i s t u r be l i m i n a t e t h e o r yb a s e ds e l f - a d a p t i v eh a r m o n i cm e a s u r ei sab e t t e rm e t h o dw i t hh i g h e rp r e c i s i o n c h a r a c t e r i s t i c sa n de f f e c to fs e l f - a d a p t i v eh a r m o n i cm e a s u r ew a s s t u d yt h r o u g h t h e o r ya n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n a g o o dc o n t r o l l e ra n daf i t t f u ls t r a t e g yc a nd e c i d et h ef i l t e rc h a r a c t e r i s t i c s b e c a u s ec o n t r o ls y s t e mv a r yt h ec o m p e n s a t ep e r f o r m a n c e c o m b i n e dt h eh a r m o n i c c h a r a c t e r i s t i c so ft r a c t i o np o w e rs y s t e m ，h y b r i df i l t e rw i t hd e l a yc o m p a r ew a s s t u d y i nt h i sd i s s e r t a t i o n d e l a yc o m p a r e dc o n t r o lm e t h o db r i n gal o to fb u r ri no u t p u tc u r r e n t ，w h i c h a f f e c tt h es y s t e mf i l t e rp e r f o r m a n c e f o rt h es a k eo fd e c r e a s et h eb u r ra n de n b a n c e a b s t r a c t t h ef i l t e rp e r f o r m a n c e ，w a v e l e td e n o i s ew a su s e do nt h et r a d i t i o n a la c t i v ef i l t e ra n da n e wc o n s t r u c to fh y b r i df i l t e rw a sd e s i g n e d t h ef i l t e ru s ew a v e l e t d e - n o i s et o d e n o i s et h eb u r ro fo u t p u tc u r r e n t ，w h i c hi m p r o v e dt h es y s t e mf i l t e rp e r f o r m a n c e k e yw o r d s ：t r a c t i o np o w e rs y s t e m ，h a r m o n i c ，s e l f - a d a p t i v eh a r m o n i cm e a s u r e ，d e l a y l o o pc o n t r o l ，w a v e l e td e n o i s e i v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 昆睁歪 上仇石年t oy 8 - e i 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：柳五 2 锄缉to 月驴日 第1 章引言 1 1 目的和意义 第1 章引言 近年来，随着现代工业技术的发展，电力系统中非线性负荷大量增加。各 种非线性和时变性电子装置如逆变器、整流器及各种开关电源等大规模地应用， 其负面效应也日益明显：电力电子装置的开关动作向电网中注入了大量的谐波 和次谐波分量，导致了交流电网中电压和电流波形的严重失真，从而替代了传 统的变压器等铁磁材料的非线形引起的谐波，成为最主要的谐波源。它们对电 力设备、电能质量和通讯线路等带来有害的影响。 目前工矿企业和运输部门中，非线性荷大量增加。首先是硅整流和换流技 术的发展，例如化工部门在电解中广泛采用硅整流：电气铁道中采用单相交流 整流供电的机车；冶金和矿山部门大量用可控硅( s c r ) 整流电源作拖动；高压直 流输电( n v d c ，d c ) q b 的换流站；家用电器( 如电视机、可调灯) 中广泛采用硅整 流等等乜儿叫h 1 。其次是冶金、机械工业的发展使电弧炼钢炉容量不断扩大，单台 容量由过去几吨发展到3 0 0 4 0 0 吨，相应的电炉变压器容量也由几个m v a 发展 到1 0 0 2 0 0 m v a 。此外，工业中广泛使用的电弧焊和接融焊设备、矿热炉、硅铁 炉、高频炉等均属非线性负荷。电力变压器容量在不断增大，由于经济工作点 的选择，也成为电力系统的一个重要的非线性负荷1 。随着科技的发展，非线 性负荷还将不断增加。 非线性负荷从电网中吸收非正弦电流，引起电网电压波形畸变，因此通称 为谐波源n 叫。不对称的波动谐波源( 如电力牵引负荷) 还引起电压波动、闪变和 负序分量，使电能质量严重恶化，危及电力系统安全和经济运行，并影响某些 用户的正常生产瞄1 。目前国际上公认，谐波的“污染”是电力系统的公害，必须 采取措施加以限制o 。小“比3 。 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，从而破越来越广泛地运用到现代铁路运输中。在 我国，自从5 0 年代木、6 0 年代初建成第一条( 段) 电气化铁道以来，电气化铁路 发展迅速，截止2 0 0 1 年。我国己建成3 8 条i 也气化铁路f ( 支) 线，电气化铁路 第1 章引言 总里程达到1 7 4 0 0 k i n ，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、可靠的优势依赖子给其供电的的强大供电网电力系统。但是由于电 气化铁道的供电系统采用a c d c 整流型能量交换方式，其谐波含量大的问题 尤为突出。我国现行的交直型电路机车的牵引负荷是波动性很大的大功率单相 整流负荷，其功率因素偏低，含有较丰富的奇次谐波，在电力系统中产生负序 潮流。 电气化铁道电力机车负荷是波动性非常大的大功率单相整流负荷。由于其 不对称性，将在供电系统中产生负序分量：由于其非线性，将在供电系统中产 生高次谐波；由于其波动性，将使供电系统电压波动。当有谐波和负序分量进 入电网时，不仅会造成供电质量下降，还会对电力系统造成危害哺9 1 。由无功补 偿电容器组引起的谐振或谐波电流放大会造成电容器的损坏；变压器保护误动 跳闸；线路继电保护的误动作；电动机因过热而大批损坏；延缓输电线路潜供 电流的熄灭：导致单相重合闸失败或不能采取较短时间的自动重合闸等。另外， 谐波电流在电网中流动时会产生有功功率的损耗，使供电系统网损增加。而且 谐波和负序电流产生的综合危害曾引起大容量发电机的跳闸，谐波干扰也曾造 成2 2 0 k v 线路保护误动作跳闸而引起大面积的停电。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。 与传统的蒸汽机车、内燃机车不同的是，电气化铁路需要在电力机车的牵 引下，经过整流装置向机车供电，同时通过牵引变压器与电网相连。由于机车 负荷的流动性大，其幅值、相角、谐波含量等都会随机车型号、数量、分布和 运行工况而有较大的变化，因此，电铁谐波与其它非线性负荷的谐波相比，又 具有以下特点口h 埔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。 2 随机波动性。谐波电流随基波负荷剧烈波动，范围很大。 3 相位分缸广泛。谐波向量可在复平面四个象限上出现。 4 稳念奇次性。单相整流负荷在稳念运行时只产生奇次谐波。 5 高压渗透性。电气化铁道是为数不多的高爪用户，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，我国的电气化铁道存牵引 第1 章引言 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已经成为影响电力系统经济与安全可靠运行的 不良因素。概括而言，谐波污染对电力系统的危害归纳起来主要有。h 儿1 2 引n 2 引n 舢3 ： 1 对旋转电机( 发电机和电动机) 产生附加功率损耗和发热，并引起振动。 2 对无功补偿电容器组引起谐振或谐波电流的放大，从而导致电容器因过 负荷或过电压而损坏，对电力电缆也会造成电缆的过负荷或过电压击穿。 3 增加变压器和电网的损耗，当发生谐振现象时，损耗可达到相当大的程 度。 4 对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰和造成误动作。尤其是一 些衰减时间较长的暂态过程，如变压器合闸涌流中的谐波分量，由于其幅值和 含量都很大，更容易引起继电保护的误动作。 5 造成电能计量的误差。一方面是增加电度表本身的误差，另一方面是谐 波源负荷从系统中吸收基波功率而向系统送出谐波功率。这样受害的用户既从 系统中吸收基波功率，又从谐波源吸收无用的谐波功率，其后果是谐波源负荷 用户少付电费，而受害的用户多付电费。 6 谐波电流在高压架空线路上的流动除增加线损外，还将对相邻通讯线路 产生干扰影响。 电气化铁道对于电力系统而言，属于大宗工业用户，因此，电气化铁道的 谐波问题引起了电力部门的高度重视阳。 1 2 谐波标准及抑制措施 1 2 1 谐波标准 谐波问题不仅关系到供电系统的供电质量和供电安全，而且还关系到广大 电力用户和电气设备制造厂的切身利益。剐州。作为谐波含量高的电力牵引供 电系统，对电力系统的影响更为严重m m 咖。为减少电力( 牵引) 供电系统的谐 波问题，应该从管理上和技术上采取对策。1 9 9 8 年1 2 月1 4r ，我国发布了国 家标准g b l 7 6 2 5 1 1 9 9 8 低压电气及电子设备发出的谐波电流限值( 设备每相 输入f u 流s1 6 a ) u “。，其在技术内容e 与国际标准致，等效- j - _ i e c 6 1 0 0 0 3 2 ： 3 第1 章引言 1 9 9 5 。g b l 7 6 2 5 1 1 9 9 8 规定了准备接入公用低压配电系统中的电气、电子设备 ( 每相输入电流s1 6 a ) 可能产生谐波的限值。只有经过试验证实符合该标准限 值要求的设备才能接入配电系统中67 1 。这样，就可以对低压电气及电子产品注 入供电系统的总体谐波电流水平加以限制口7 副h 蜘“吲。 鉴于家电领域电力污染的严重性以及适应加入w t o 后的出口需要，2 0 0 1 年1 2 月7 日，国家认证认可监督管理委员会适时地制定了强制性产品认证管 理规定，这是我国在谐波治理法规方面的又一重大举措。 1 2 2 谐波抑制的措施 消除电网谐波，过去较多地使用无源滤波器( p f ，p a s s i v ef i l t e ) ，它虽然具 有结构简单、对谐波消除效果明显等优点，但一般只适用于静态条件下工作， 而且只能针对某些次谐波进行补偿n 叫n 吲。当电网阻抗及系统结构发生变化时， 会严重影响其滤波性能，并可能引发过载、串并联谐振等不利现象h 引。解决谐 波问题的思路主要有两条：一是集中补偿，设计无源滤波器或有源电力滤波器 ( a p f ，a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 抑制或消除非线性功率装置产生的谐波污染；二是 就地补偿，使用高功率因数装置作为现有电力电子装置的前级电路，抑制或消 除产生电力谐波的根源。坶1 。 集中补偿是针对某一区域的电力负载产生的谐波电流和无功电流集中在电 网接入端进行补偿，使得电网输入电流中不含谐波成分或无功成分。目前，采 用的方法有静止无功补偿器( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ，s v c ) 、静止无功发生器 ( s t a t i c v a r g e n e r a t o r ，s v g ) 和有源电力滤波器等扣h 4 13 。就地补偿一般采用高功 率因数整流技术，或采取合适的有源、无源滤波技术，使其尽量不产生谐波电 流，提高输入电流位移因数和波形系数，使输入功率因数接近于1 。 从主动与被动方面看，滤波技术包括有源滤波和无源滤波。从接入方式来 看，滤波技术包括并联方式、串联方式和串并联方式。从输入相数来看，滤波 技术包括单相滤波和三相滤波。从滤波是否完全柬看，滤波技术包括完全滤波 和部分滤波“。 目日，j 为止，谐波的抑制技术越来越得到人们的广泛和深入研究，如何以较 小的经济投入获得较好的滤波效果是人们的关注重点。 1 3 谐波的研究现状及发展趋势 4 第1 章引言 有关谐波的数学分析在1 8 世纪和1 9 世纪已经奠定了良好的基础晡制。傅立 叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。电力系统的谐波问题早在2 0 世 纪2 0 年代和3 0 年代就引起了人们的注意，当时德国科学家就已提出了静止换 流器( 汞弧换流器) 所产生的电压、电流波形畸变问题。1 9 4 5 年j c r e a d 发表的 有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文秘1 。到2 0 世纪5 0 年代和 6 0 年代，由于高压直流输电技术的发展，对变流器引起电力系统谐波问题的研 究有大量文章发表。e w ：k i m b a r k 在其著作中对此进行了总结归。7 0 年代以来， 由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及 家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日益严重。 我国从8 0 年代开始大量采用硅整流设备，尤其是铁路电气化的迅速发展， 推动了硅整流技术的发展和应用。电气化铁道具有牵引重量大、速度高、节约 能源、乘务员劳动条件好、对环境污染小等优点，电力牵引已经成为我国铁路 动力改造的主要方向。目前，非线性负荷的大量增加，使我国不少电网的谐波 成分已大大超过了有关标准，并出现了一些危及电网安全、经济运行的问题。 谐波问题的日益严重，受到了世界各国经济、行政管理部门的重视，国际 上召开了多次有关谐波的学术会议，不少国家已先后制定出适合本国国情的限 制电力系统谐波的标准。国际电工委员会( i e c ) 、国际大电网会i ，3 ( ( c i g r e 3 6 0 5 ) 、 国际供电会议( c i r e d ) 和美国电气和电子工程师协会( i e e et a s kf o r c eo n h a r m o n i c s ) 等国际性学术机构，也相继成立了专门的电力系统谐波工作组，在世 界范围内开展包括标准制订和定期召开国际性学术会议等项内容的工作。i e e e 组织的两年一度的国际电力谐波和电能质量会议( i c h q p ，i n t e r n a t i o n a l c o n f e r e n c eo nh a r m o n i c sa n dq u a l i t yo fp o w e r ) 及其前身国际电力系统谐波 会议i c h p s ( i n t e m a t i o n a lc o n f e r e n c eo nh a r m o n i c so fp o w e rs y s t e m ) 为促进谐波 研究交流作了大量工作阳3 。 目前，谐波研究主要集中在下列几个方面： 1 有关的功率定义和功率理论的研究1 。当电压或电流中含有谐波时，如 何定义各种功率是一个至今尚未得到圆满解决的问题。如何使定义科学严谨， 又丹云俩, 4 4 - 足各种工程和管理的需要，还有许多问题需要研究。 2 与谐波源有关的谐波源模型及其精度研究州。主要包括变k 器、同步电 机、异步i 乜机、换流器、电弧炉、电力机车等人容量谐波产生装置，f 乜视机、 空调器、允电机( 器) 等集总负荷的谐波分析。变压器、电机、电容器、输电线 第1 章引言 路和线性负荷，均有精确的谐波数学模型；非线性负荷的谐波阻抗目前只有粗 略的模型，更准确的模型尚在探讨中。 3 谐波电流和电压的分析计算以及谐波影响和危害的分析n 引。谐波电流和 电压的分析计算大致分成线性分析、非线性领域分析和非线性时域仿真三种方 法。显然，系统各部分元件的数学模型直接影响到计算值的误差。目前对负荷 的模型还研究得很不够，背景谐波对远离谐波源线路的影响也不可忽略；出于 元件谐波阻抗的复杂性，加上谐波源的多样性和多变性，给谐波分析工作带来 一定的困难；谐波的危害主要表现在对电力设备运行的影响；对继电保护和自 动装置的影响；对通讯的干扰；对电度计量及常用仪表指示的影晌；对电网损 耗的影响哺7 删。 4 谐波测量问题n u ，即如何利用先进的理论和信号分析设备、数字仪表、 智能仪器等，实现谐波信号( 幅值、相位、成份) 的快速、准确提取。谐波测量 装置不同于传统的数值测量设备，它是一种波形测量设备，对测量数据的实时 性和测量精度要求很高。提高谐波测量精度的关键在于提高谐波分析方法的精 度并放宽对信号采样频率的限制。长期以来，谐波测量主要采用离散傅立叶变 换作分析工具，这对进一步提高谐波测量设备的精度是不利的。奇异值分解具 有较高的计算效率和稳定性，可能替代离散傅立叶变换而成为另一种有效的谐 波分析工具 5 抑制谐波的措施n5 1 ，即利用电力电子技术的最新进展，研究治理谐波污 染的实用方案。谐波治理一般通过两种方式进行：补偿和抑制。前者主要通过 在输电线路上叠加谐波电压或在母线上注入附加的谐波电流而实现，具体措施 就是装设有源、无源或混合型电力滤波器( h a p f ，h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ) 。 后者主要通过采用新型的控制方式，降低电力电子装置的谐波产生效应。其中， 最有影响力的是研制具有工业应用日订景的谐波补偿装置，如有源滤波器、混合 型无源一有源滤波器等。 6 其它基本概念的研究n ，如谐波标准、管理法规等，也都属于谐波研究 的范围。1 9 8 4 年，原水电部颁发了电力系统谐波管理暂行规定，1 9 9 3 年国 家技术监督局批准并颁发了电能质量一公用电网谐波g b t - 1 4 5 4 9 9 3 ( 以f 简称“困际”) ，促使电力部门和电力用户采取措施，把电网的谐波水平拧制在 允许范围内，保让e 供电质量，防止谐波危害，以获得良好的社会经济效益。 第1 章引言 1 4 小波分析及其在电力系统谐波分析中的应用 1 4 1 小波分析 小波分析( w a v e l e ta n a l y s i s ) 是2 0 世纪数学研究成果中最杰出的代表之一。 它作为数学学科的一个分支，汲取了现代分析学中诸如泛函分析、数值分析、 傅立叶分析( f o u r i e r a n a l y s i s ，简称傅氏分析) 、样条分析、调和分析等众多分支 的精华。由于小波分析在理论上的完美性以及在应用上的广泛性，在短短的几 年中，受到了科学界、工程界的高度重视，并且在信号处理、图像处理、模式 识别、量子场论、天体识别、地震预报、矿产勘测、流体湍流、故障诊断、状 态监视、电子对抗、机器视觉、c t 成像、话音识别、彩色复印、数字电视、音 乐合成、雷达扫描、刑事侦破等十几个学科领域中得到( 或即将得到) 广泛的应 用【1 0 7 1 1 2 6 1 4 9 1 。小波分析为2 0 世纪现代分析学作了完美的总结。 小波分析是一种时域一频域分析，介于纯时域的方波分析和纯频域的传统 傅氏分析之间。它在时域和频域同时具有良好的局部化性质( 1 0 c a l i z a t i o n n a t u r e ) 。它可以根据信号的不同频率成分，在时域或频域自动调节取样的疏密： 频率高时，则密：频率低时，则疏。由于对频率成分采用逐渐精细的时域或频 域取样步长，因此可以聚焦到对象( 函数、信号、图像等) 的任意细节，并加以 分析。从这个意义上讲，小波分析被誉为数学显微镜( m a t h e m a t i c a lm i c r o s c o p e ) 。 因此，它在信号的分解与重构( d e c o m p o s i t i o na n dr e c o n s t r u c t i o n ) 、信号和噪声分 离技术0 e c h n i q u eo fs e p a r a t i o n n o i s ef r o ms i g n a l s ) 、特征提取( c h a r a c t e r i s t i c e x t r a c t i o n ) 、数据压缩( d a t ac o m p r e s s i o n ) 等工程实际应用中，显示出巨大的优越性。 而这些正是近2 0 0 年来大量应用于诸多工程领域的傅氏分析所无法做到的。 小波分析方法的提出，可以追溯到2 0 世纪初，但作为一种比较成熟的理论， 则是在2 0 世纪8 0 年代中叶才逐步形成和f j 臻完善的，特别是现代小波理论的 奠基者一y m e y e r 、i d a u b e c h i e s 等人做出了重大的贡献。小波分析的理论发 展和工程应用是紧密地联系在一起的，并且是相互促进的。小波理论指导下的 每一次成功的应用，又反过来促进小波理论的上升和发展。1 9 9 0 年，i d a u b e c h i e s 在美国作了关于小波分析的系列讲座著名的“小波十讲”( t e nl e c t u r e so n w a v e l e t s ) ，极大地推动了小波理论研究和工程应用的发展。 小波分析在国内外引起了极人的关注，特别在一些：1 ：业幽家尤为重视。关 第1 章引言 国数学学科委员会( c o m m i t t e eo fm a t h e m a t i c a ls c i e n c e ) 对小波理论的重要性予 以高度评价，并把小波列为9 0 年代美国应用数学8 个前沿课题之一；美国国防 部认为小波变换将对未来国防关键技术中的信号处理产生重要影响，因此把小 波列为美国国防关键技术计划：英国皇家数学会也将小波分析列为9 0 年代重点 发展十大方向之一；法、德两国也投人大量人力和奖金来进行研究。 国内的小波分析开始于8 0 年代后期，当时大多是消化吸收国外的小波理论， 所进行的主要是基础理论研究。进人9 0 年代以来，国内一些高等院校相继开展 了小波理论的工程应用研究，而且发展很快，先后在电子技术、机械工程、信 息科学、计算机科学、采矿工程、电力系统工程等领域开展了研究，取得了一 批研究成果。中国国家自然科学基金委员会也非常重视小波分析的研究工作。 除了给小波分析的基础研究予以支持外，9 0 年代以来，也对小波分析在多个学 科领域的工程应用，给予有力的支持。 从以上小波分析的发展历程，可以看出，小波分析的历史是数学家和工程 师共同创造的。是理论和实践紧密结合的范例和典型。小波理论在工程实际应 用中，得到了印证和升华；工程实际问题又是在小波理论的指导下，获得圆满 的解决，形成了良性循环。这也是小波分析在短短的几年中，在那么多国家， 在那么多学科领域受到如此重视的一个主要原因。 1 4 2 小波分析在电力系统中的应用 现代电力系统集发电、变电、输电、配电和用电于一体，涉及的范围广， 且元件繁多，结构复杂。为了确保电力系统的安全、可靠、经济运行，以及一 旦发生故障后，能快速的消除或隔离故障，尽快恢复正常运行，在电力系统中 需要大量的高新技术。因此，小波分析在电力系统的下列诸方面具有无比广阔 的应用前景：电力设备状态监视和故障诊断、电力系统谐波分析、电力系统暂 态稳定、电力系统动态安全分析、神经网络和专家系统、抗电磁干扰、电力系 统继电保护、输电线路故障定位、电力系统短期负荷预测、高压直流输电系统 故障检测等 2 2 h 删。 由于小波分析在时域和频域上同时具有良好的局部化性质，能对不同的频 率成分采用逐渐精细的采样步长，聚焦到信号的任意细节，这对于检测高频和 低频信号均很有效，特别适用于分析奇异信号，并能分辨奇异的大小。小波分 第1 章引言 析还能准确地反映故障发生的时间、位置等信息，因此能对设备或整个系统进 行实时、有效的状态监视和故障诊断。此外小波分析在信号的分解和重构技术、 特征提取技术、信号和噪声分离技术等方面的优异特点，也决定了它在电力系 统谐波分析、神经网络和专家系统、输电线路故障定位、电力系统短期负荷预 测等领域，具有重要的工程应用价值脚卜脚1 。 随着电力系统的不断发展，特别是电力电子设备的引入，使得电力系统的谐 波危害同益严重。电力系统在正常运行和发生故障时，都伴随着产生各次谐波。 在高压直流输电系统中，换流站的换相以及故障也将产生大量的谐波。谐波不 仅给用户和终端设备造成不良的影响，而且增加线路损耗，降低线路的传输能 力，干扰通讯信号等。为了避免这些谐波的不良影响，有必要对其进行分析和 抑制。因此，对电力系统的谐波进行有效的治理，具有明显的社会经济效益。 对电力系统的谐波治理的方法有许多，有硬件方面的，也有软件方面的。由 于硬件方面要受到资金和场地的限制，因而寻求有效的软件方面的谐波治理方 法，具有十分重要的意义。电力系统谐波是一个不容忽视的问题，而且日益严 重。研究表明谐波不仅对电力系统中运行设备有危害，而且对通讯系统和计算 机系统也有较大的影响。正是因为谐波的危害很大，世界各国都十分重视。 由于小波分析采用变窗口的分析方法，将信号变换投影到不同的尺度上， 会明显地表现出这些具有高频、奇异性高次谐波信号的特性，特别是小波包具 有将频率空间进一步细分的特性。运用小波分析理论进行谐波分析，有较高的 精度和分辨率，为更好地分析和抑制谐波，提供了可靠的依据。此外，小波分 析为电力系统非整次谐波的分析和研究，创造了有利条件n 0 7 ，但这方面的工作 还处在探索阶段。 1 5 本文的主要工作 从前面的介绍可以看出，谐波研究是一个规模浩大的系统工程，对研究人 员的整体素质要求较高，不是某个人或课题组能够单独完成的。本课题选择具 有现实意义的电力牵引供电系统谐波抑制中的关键技术问题进行研究。 本文的：、e 要工作有以下几个方面： 1 牵引供电系统谐波的小波分析 小波分机克服了傅立叶分析的在频域完全局部化mj 祚卅f 域，e 伞无局部化的 o 第1 章引言 缺点，是一种变窗口的时一频分析方法，它同时具有时间局部性和频域局部性。 即对于高频信号采用窄窗口函数，对于低频信号则采用宽窗口函数。小波分析 能将各种交织在一起的不同频率组成的混合信号分解成不同频率的块信号。 电气化铁道具有速度快、运输能力强、供电距离长、节约能源与造价、牵 引性能好等优点，因而具有广阔的发展前景，是世界以及我国铁路的发展方向。 由于电力机车为非线性整流负荷，其产生的谐波经牵引网传输至供电臂首端叠 加后注入牵引变压器馈入电力电网，严重污染电网质量。因此，用小波变换对 电力牵引供电系统的谐波进行分析，具有十分重要的意义。 本文根据电力牵引供电系统谐波的特征，利用m a t l a b 小波工具箱的小波变 换对电力牵引供电系统的谐波信号进行小波分析和小波包分析。 2 自适应谐波电流检测在电力牵引供电系统谐波检测中的应用 对电力牵引供电系统畸变电流的实时检测是有源电力滤波器解决电网无功 和谐波问题的前提，因此对补偿电流检测方法的研究具有重大的意义。如何准 确、实时地从畸变的电流电压中分离出基波、谐波分量，是有源电力滤波器对 电网畸变电流进行精确补偿的关键。基于小波变换的谐波特性分析可以将高次 谐波与基波分离，使我们对谐波的特性有更清晰的认识，而基于自适应干扰对 消原理的自适应谐波检测方法能够克服其它谐波检测方法中存在的问题，是一 种性能较好，检测精度较高的检测方法。本文通过理论分析和仿真试验对自适 应谐波检测方法的性能及检测效果进行了研究。 3 滞环比较控制方式及其性能影响因素 由于并联型有源电力滤波器产生的补偿电流应实时跟随其指令电流信号的 变化，要求补偿电流发生器有很好的实时性，因此电流控制采用跟踪型p w m 控 制方式。为了提高牵引供电系统谐波抑制的效果，本文结合电力牵引供电系统 的谐波特点，对混合型滤波器采用滞环比较跟踪、控制谐波电流的方法进行了 研究及仿真。 在滞环比较控制方式的影响因素中，滞环的宽度对补偿电流的跟随性能有 较大的影响。为了提高对补偿电流的跟踪性能，本文通过对滞环坏宽为不同值 时采用滞不比较控制时实际电流对补偿电流信号的跟踪性能进行仿真对其结 果进行分折片从中选择；i j 性能最优的环宽值。 第1 章引言 4 小波降噪在有源电力滤波器补偿电流中的降噪 小波分析的重要应用之一就是用于信号降噪。小波降噪就是通过对信号降 噪处理，使信号中的噪声减少甚至消除，从而提取出有用信号的过程。 由于采用滞环比较的控制方式跟踪电流变化的方法，使得有源滤波器的输 出电流带有大量的毛刺，这直接影响到系统滤波的性能。为减少滞环控制产生 的毛刺，提高牵引供电系统谐波抑制的效果，本文结合牵引供电系统谐波的特 点，在混合型有源电力滤波器中增加了小波降噪环节，利用小波降噪对输出信 号进行降噪处理，降低牵引供电系统谐波信号中谐波的含量，从而提高了系统 的滤波性能。 5 新型混合型有源电力滤波器的设计 随着我国电气化铁路的迅速发展，电力机车产生的谐波将成为电力系统的 主要谐波源之一。要消除牵引供电系统的谐波对电网的影响，应当采取综合动 态的治理方法。综合考虑性能和成本，合理可行的方案是在电力牵引供电系统 现有的已装设的无源电力滤波器的基础上，采用有源电力滤波器与之混合使用， 构成混合式滤波器，既可以减少有源电力滤波器的容量、降低系统的成本，可 以又充分发挥有源电力滤波器的滤波性能，达到良好的补偿效果，具有很好的 经济价值和推广价值。 本文根据有源滤波器的原理及各种连接方式的特点和滤波性能，结合电力 牵引供电系统的谐波特性，设计采用无源滤波器和有源滤波器结合的并联型混 合有源滤波器对电力机车产生的谐波进行抑制，并在传统的有源滤波器的基础 上增加了小波降噪环节，设计出新型的混合型有源电力滤波器。 1 6 本文内容概述 本文通过大量的文献阅读，对牵引供电系统谐波抑制的目的和意义、谐波 的标准及抑制措施、谐波的研究现状及发展趋势、小波分析及其在电力系统谐 波分析中的应用进行了综述。 第2 章以s s 。型电力机车为例，对其电路模型进行分析。通过对s s 。型电力 机车主电路的分析，得出电力机车的谐波特征：本章还重点分析了电力机车牵 引供电网经以j - 几种牵引7 贬爪器输入供电系统的三相不平衡营波模掣，通过对 第1 章引言 牵引变压器谐波模型的分析，得出电气化铁道牵引供电系统经y ，d 1 1 接线、v ， v 接线、t 接牵引变压器输入电力系统的三相谐波电流的特点。 第3 章对谐波电流的快速检测方法的原理、特点进行了分析。这些方法包括 基于快速傅立叶变换的数字分析法、基于瞬时无功功率的谐波测量、基于小波 变换的谐波测量、基于神经网络的自适应谐波测量等。本章还对有源电力滤波 器的自适应谐波电流检测方法进行了分析，并根据有源电力滤波器谐波电流检 测设想，将基于神经网络的自适应谐波电流检测方法应用于电力牵引供电系统 谐波电流的检测，为第7 章的新型混合型有源滤波器的谐波检测的仿真作好了 准备。 第4 章对小波变换和小波包变换进行了详细的介绍。小波分析克服了傅立 叶分析的在频域完全局部化而在时域完全无局部化的缺点，是一种变窗口的时 一频分析方法，它同时具有时间局部性和频域局部性。小波包分析方法是多分 辨率小波分析的推广，它提供了更为丰富的信号分析方法。通过小波包分解和 重构，可以得到由尺度函数组成的子空间和谐波函数组成的子空间，小波包的 分解提高了对信号高频成分的分辨率。本章最后结合电力牵引供电系统谐波的 特征，应用小波变换和小波包变换对牵引供电系统的谐波信号进行了分析和仿 真研究。 第5 章对有源电力滤波器的基本原理、主电路拓扑结构、系统构成、特点及 应用场合等作了详细的介绍，并对串联型有源电力滤波器与并联型有源电力滤 波器的系统构成、基本原理、适用场合、工作条件和补偿特性进行了比较。本 章还根据有源滤波器的原理及各种连接方式的特点和滤波性能，结合电力牵引 供电系统的谐波特性，设计采用无源滤波器和有源滤波器结合的并联型混合型 有源滤波器对电力机车产生的谐波进行抑制。 第6 章根据第5 章分析的混合型有源滤波器的结构特点及补偿特性，结合 电力牵引供电系统及电力机车负荷的特点，创新性地设计了一种对牵引网的谐 波进行补偿的新型并联混合型有源电力滤波器的系统结构。该结构既可以减少 无源滤波器的组数、体积，又可以降低有源滤波器的容量，达到降低投资成本， 改善牵引网电能质量的 j 的，具有很好的工程应用价值；对信号的小波降噤原 理、噪声存小波分解下的特性、小波降噪的步骤和方法进行了详细的分析：对 所设计的新型混合型有源电) 滤波器的系统的控制系统及其影响冈素进行了研 究：创新性地任所设计l | ，j 混合犁仃源滤波器系统中增加了小波降噪的数据处理 第1 章引言 模块，为第7 章的系统仿真打下了基础。 第7 章利用m a t l a b s i m u l i