（电力电子与电力传动专业论文）适于牵引供电系统的混合有源滤波器的研究.pdf

6 t 一 声明尸明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文适于牵引供电系统的混合有 源滤波器的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进 行的研究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢 之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 华北电力大学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了谢意。 学位论文作者签名：i 垒! 壶 日期： 塑丝：星 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、 缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借 阅；学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用 不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：签垒 日期： 趋 ! ：至：星 导师签名： 车l - a 华北电力大学硕士学位论文摘要 摘要 随着电气化铁路的快速发展，电力牵引负荷由于其自身的特点对电力系统 的供电质量造成了较大影响，因此对牵引供电系统进行谐波治理具有重要意义。 本文首先对单相并联型有源电力滤波器的拓扑结构进行比较，给出适用于牵引 供电系统谐波治理的方案。其次，在分析现有有源电力滤波器谐波电流检测方 法的基础上，从检测精度和动态响应速度两方面考虑，给出适合于电气化铁路 的谐波检测方法。然后分析了混合型有源电力滤波器的控制问题，包括有源电 力滤波器的控制策略、电流跟踪控制电路的控制方式、直流侧电容电压的控制 等，给出了适合的控制方法。最后建立了含有混合型有源电力滤波器的牵引供 电系统的仿真模型，通过仿真验证了本文提出的滤波方案能够有效地改善牵引 供电系统的电能质量。 关键词：混合型有源电力滤波器，牵引供电系统，谐波抑制，仿真 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe l e c t r i f i e dr a i l w a y s ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t r a c t i o nl o a di n f l u e n c ep o w e rq u a l i t yo fe l e c t r i c p o w e rs y s t e m ，s oh a r m o n i c s r e s t r a i n to ft r a c t i o np o w e rs y s t e mh a si m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e t h i sp a p e rf i r s t l y c o m p a r e st h et o p o l o g i c a ls t r u c t u r e so fa p f , a n dg i v e st h es c h e m es u i t a b l e f o r t r a c t i o np o w e rs y s t e m s e c o n d l y , b a s e do nt h ea n a l y s i so fe x i s t i n ga p fh a r m o n i c c u r r e n td e t e c t i o nm e t h o d s ，t w of a c t o r ss h o u l db ec o n s i d e r e d ：t h ed y n a m i cr e s p o n s e s p e e da n dp r e c i s i o n ，a n dg i v e s t h ed e t e c t i o nm e t h o d ss u i t a b l ef o re l e c t r i f i e d r a i l w a y s t h e ni ta n a l y s e st h ec o n t r o lp r o b l e mo fa p f , i n c l u d i n gt h ec o n t r o ls t r a t e g y o fa p f , t h ec o n t r o lm o d eo fc u r r e n tt r a c k i n gc o n t r o lc i r c u i ta n dc o n t r o lm e t h o do f t h ed cc a p a c i t o rv o l t a g e ，a n dg i v e st h es u i t a b l ec o n t r o lm e t h o d s f i n a l l y , t h e s i m u l a n t i o nm o d e lo ft r a c t i o np o w e rs y s t e mi n c l u d i n gh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e ri s b u i l tt ov e i l f yt h a tt h ef i l t e rs o l u t i o nc a ne f f e c t i v e l yi m p r o v ep o w e rq u a l i t yo ft h e t r a c t i o np o w e rs y s t e m l iw e i ( p o w e re l e c t r o n i c sa n dp o w e rd r i v e r s ) d i r e c t e db y p r o f z h ul i n g k e y w o r d s ：h a p f ，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 sr e s t r a i n t ，s i m u l a t i o n 一 - _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ - _ _ 一 3 3 2 改进的有功电流分离法2 4 致谢 在学期间发表的学术论文和参加科研情况 n 5 3 华北电力大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 谐波是指电压、电流波形发生畸变，这主要是负荷的非线性造成的，随着电力 电子装置的广泛使用以及计算机和空调等电器的普及，电网中的谐波含量也不断上 升，谐波污染对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在的威胁，给周围电气环境 带来极大影响，被公认为电网的一大公害【1 1 。 电力系统稳态运行方式下的谐波，都来自各种谐波源。所谓“谐波源 ，通常 是指各类特定的用电设备，即非线性用电设备，或称非线性电力负荷。它们是电力 系统中某些地区或网络出现严重谐波影响的主要原因。因为谐波源是电网中谐波问 题的根源，所以为了监测、分析和治理谐波，需要掌握有关谐波源的特性。而电气 化铁路的谐波，通常是所连接的供电网中较大的谐波源。 。 铁路运输采用电力机车牵引，比蒸汽机牵引和内燃机牵引有较大的优越性。许 多发达国家的铁路电气化率上升较快，尤其在欧洲，例如瑞典的铁路电气化率在8 0 年代初已达到6 2 。我国的电气化铁路长度和用电量在1 9 9 5 年达到1 3 0 0 0 k m 和1 2 0 亿k w h ，各为1 9 9 0 年的1 8 7 倍和3 1 7 倍；到2 0 0 0 年达到1 7 5 0 0 k a n 和2 1 0 亿k w h ， 使铁路电气化率达到2 5 ，并承担铁路总货物周转量的5 0 以上【2 】；目前，我国电 气化铁路已达近2 6 0 0 0 1 0 n ，居世界第二位，预计到2 0 2 0 年我国铁路营业里程将达 到1 2 0 0 0 0 k i n 以上，其中铁路电气化率将达到6 0 。 电力机车是单相大功率整流负荷，在投运时产生大量的谐波和负序分量注入电 力系统，影响全网，波及其他用户。由于电力机车沿铁路移动用电，其产生的危害 程度比起其他类型的谐波源设备要严重得多。据不完全统计，自电气化铁路投运多 年以来，在电网结构薄弱地区，电气化铁路谐波与负序已引发过2 0 0 m w 发电机跳 闸，山西、河南、贵州、西昌等电网大面积停电或系统解列，电网产生局部谐振， 发电机转子损坏，继电保护非正常频繁启动，用户电动机和电容器大量烧坏，小火 电厂不能就近并网等一系列的危害，使电力部门和广大用户蒙受了巨大的经济损 失。可见电气化铁路在给国民经济带来巨大经济效益的同时，也对供电系统和相邻 近的广大电力用户带来较大的、甚至是严重的谐波干扰和其他不利影响，因此针对 电力机车对电力系统的影响须有足够的重视并且采取应对措施【3 1 。 1 2 电气化铁路的特点及谐波危害 电气化铁路牵引供电系统由牵引变电站和牵引网组成，如图1 1 所示。牵引变 电站的作用是将电力系统供应的电能转变为适于电力牵引及其供电方式的电能，其 l ( 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。 ( 5 ) 高压渗透性。电气化铁路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。 铁路谐波是电气化铁路引起的严重问题之一，并已对国民经济造成了严重危 害。电气化铁路谐波在电网中造成的危害主要体现在以下几个方面： 其一，当谐波电流沿牵引网返回系统时，由于牵引网对地分布电容和回路电感 的影响，可能构成某次谐波的谐振回路，造成牵引负荷谐波电流的谐振放大，危及 系统安全。 2 j 华北电力大学硕士学位论文 其二，谐波电流流过牵引变压器，会产生谐波电压降，引起附加铁损和铜损， 使变压器容量减小，效率降低。 此外，高次谐波影响继电保护误动，威胁电网安全运行。还对发电机、电气测 量仪表、电气设备绝缘以及自动控制装置等产生不良影响。 因此。鉴于电气化铁路谐波对电网造成的危害，我们应该有针对性地采取措 施，消除或减少电力系统中的谐波含量，才能保证电力系统的安全运行和接入电网 的各种用电设备的可靠工作【5 1 。 1 3 牵引供电系统谐波抑制和无功补偿技术研究现状 有源电力滤波器( a p f ) 是目前性能最好的谐波补偿装置，代表了谐波补偿装置 的发展方向。目前投入应用的a p f 大多为并联型，且多为三相。实际上单相电路谐 波的抑制也是人们所关心的问题 6 - 7 】，其中包括电气化铁路的谐波治理问题。 牵引供电系统对电力机车产生的谐波及无功问题的解决主要有两个途径，如图 1 2 。一是在电力机车完成自身主要功能任务的同时，对电力机车本身进行改造，使 其不产生谐波，并根据需要对其功率因数进行校正，如有源功率因数校正技术和各 种p w m 整流技术的应用，使其功率因数达到0 9 及以上的要求；二是对谐波、无 功进行就地补偿，如设置各种无源、有源电力滤波和无功补偿装置来抑制谐波，提 高功率因数，这两种方法各有优点和适用范围，近年来都得到了较快的发展。但是， 由于受机车空间限制及机车型号、数量、改造成本的制约，实践中主要采用第二种 途径，即在牵引变电所2 7 5 k v 母线上装设并联谐波抑制及无功补偿装置，进行谐波、 无功的集中治理。 电气化铁路的谐波 及无功治理 对机车本身进行 改造 装设谐波滤除及 无功补偿装置 交直交电 力机车 有源电力 滤波系统 无源电力 滤波系统 单独使用的有源 电力滤波器 混合使用的有源 电力滤波器 真空开关投切无 源电力滤波器 晶闸管投切无源 电力滤波器 图1 - 2 电气化铁路谐波及无功治理方法的分类 无源电力滤波器( p p f ) 与需补偿的非线性负载并联，为谐波提供一个低阻通 3 华北电力大学硕士学位论文 路的同时也提供负载所需要的无功功率。虽然无源滤波器具有简单、方便的优点， 但是只能补偿固定频率的谐波，而且补偿特性易受电网阻抗和运行状态的影响，容 易与系统发生谐振。针对无源滤波技术的缺点，有人提出了有源电力滤波器技术。 有源滤波器( a p f ) 的补偿特性受电网阻抗和频率变化的影响不大，不容易与电网阻 抗发生谐振，可对频率和大小都变化的谐波及无功功率进行补偿，对补偿对象的变 化有极快的响应，有很好的滤波特性。 2 0 世纪8 0 年代末至今，有源电力滤波器一直是电力电子技术领域的研究热点 之一，关于有源电力滤波器研究的论文在国际刊物和国际学术会议上不断发表，这 些论文从有源电力滤波器的主电路结构、谐波电流检测、电流跟踪控制等方面进行 研究和改进，标志着该领域的研究持续发展，不断深入。为适应不同的补偿对象和 实现补偿的多功能化，人们先后提出了并联型、串联型和混合型等结构。 有源电力滤波器在国外已经进入工业实用化阶段。世界上有源电力滤波器的主 要生产厂家有日本三菱电机公司、美国西屋电气公司、德国西门子公司等。其中有 源电力滤波器技术在日本已经成熟，自2 0 世纪8 0 年代以来，已有1 0 0 0 多台有源 电力滤波器投入市场，其容量越来越大，已经发展到m v a 等级，功能也越来越丰 富，除补偿谐波电流外，还可补偿基波无功、平衡三相电压，抑制电压闪变等功能。 我国在有源电力滤波器的研究方面起步较晚，直到2 0 世纪8 0 年代末才有相关 论文发表。2 0 世纪9 0 年代以来一些高等院校和科研机构开始进行有源电力滤波器 的研究，但其研究主要以理论研究和实验为主，虽然在理论上取得了一些进展，但 由于多方面条件的限制，有源电力滤波器未能在我国工业领域得到广泛应用。随着 电力电子及相关技术的发展以及电力市场的需求，电能质量问题已越来越引起人们 的关注，因此有源电力滤波器有着良好的发展前景和潜在的技术经济效益【8 l 。 谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器，但由于单独使用的有源电力 滤波器容量大、成本高，限制了其实际应用混合型有源滤波装置由于兼顾了无源 滤波器和有源滤波器的优点，是实用化程度较高的新型谐波治理方案，也是有源滤 波技术研究的热点【9 。引有源滤波器与无源滤波器混合使用可以有效的克服无源滤 波器的缺点，已在日本电气化铁路应用中取得了良好的效果。就中国的基础工业发 展水平而言，牵引供电系统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。 1 4 论文的主要工作 本文针对电力牵引负荷对电力系统的影响，将混合型有源电力滤波器应用于电 气化铁路的谐波治理，并就其拓扑结构、谐波检测、控制策略以及补偿效果等方面 的问题进行理论分析与仿真研究。主要工作如下： 4 华北电力大学硕士学位论文 ( 1 ) 对单相并联型有源电力滤波器的拓扑结构进行比较研究，给出适用于电 气化铁路谐波治理的方案，并对其进行理论分析和仿真验证； ( 2 ) 对各种谐波电流检测方法进行了理论分析和仿真研究，从检测精度和动 态响应速度两方面考虑，给出适用于单相并联型有源电力滤波器的谐波电流检测方 法： ( 3 ) 对混合型有源电力滤波器的控制问题进行了分析，包括有源电力滤波器 的控制策略、电流跟踪控制电路的控制方式、直流侧电容电压的稳定控制等，并通 过仿真进行了分析比较，给出了适合的控制方法： ( 4 ) 建立了牵引供电系统的仿真模型，并将上述研究的混合型有源电力滤波 器应用于牵引供电系统，通过仿真验证其补偿效果及可行性。 5 并联型a p f 相当于一个谐波电流发生器，目的在于跟踪负载电流中的谐波分 量，产生与之相反的谐波电流，从而抵消线路中的谐波电流，最终得到期望的电源 6 华北电力大学硕士学位论文 电流。通过不同的控制方法，并联型a p f 还可以对负载无功和不平衡等进行动态补 偿。多个并联型a p f 还可并联使用，用于补偿大容量的谐波电流。因其功能较多， 连接方便，故其应用范围比较广泛。 单独使用的并联型a p f 缺点是：电源电压直接加在逆变器上，对开关器件电压 等级要求较高；当负载谐波电流含量较高时，其装置的容量也必须很大，成本较高。 因此在补偿容量较大且补偿频带较宽时其具体实现比较困难，通常采用混合型的接 线方式。 2 1 2 并联混合型有源电力滤波器 根据无源滤波器( p p f ) 接入方式的不同，并联混合型a p f 主要有以下两种： ( 1 ) a p f 和p p f 并联后接入电网 图2 3a p f 和p p f 两者并联后接入电网 拓扑结构如图2 3 所示，其主要缺点是由于a p f 和p p f 两者并联接入电网， 因此无源滤波器对有源滤波器发出的谐波电流有分流作用，结果一方面加大了有源 滤波器的谐波容量，另一方面，如果无源滤波器的谐波阻抗很低，在无源滤波器和 有源滤波器之间很容易产生较大的环流，造成较大的损耗并使有源滤波器过载。 ( 2 ) a p f 经耦合变压器与p p f 串联后接入电网 拓扑结构如图2 4 所示。该方式中谐波主要由无源滤波器滤除，而有源电力滤 波器的作用是改善无源滤波器的滤波特性，克服无源滤波器易受电网阻抗的影响、 可能与电网阻抗发生谐振等缺点。 在这种方式中，有源滤波器不直接承受系统基波电压作用，因此装置容量较小， 耦合变压器不仅起到电气隔离的作用，在变比选取合适时，还可以降低有源滤波器 的电压等级。 7 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 4a p f 和p p f 串联后再并联接入电同 注入式有源电力滤波器 入式a p f 是利用l c 谐振电路，使有源滤波器不承受或只承受较小的基波电 而减小逆交器容量、缩小体积和降低成本。通常采用的注入电路有两种：串 注入式和并联谐振注入式 1 ) 串联谐振注入式 扑结构如图2 5 所示。由于串联l c 谐振电路谐振于基波频率，其基波阻抗 0 ，相当于基波电流的短路通道，所以流入注入支路的基波电流大部分流入 路，很少的基波电流流入a p f ，因此a p f 的容量只需满足谐波分量的容量即 其容量大大降低，其特点是只由无源部分补偿无功功率而有源部分和无源 同抑制谐波。 图2 5 串联谐振注入式a p f ( 2 ) 并联谐振注入式 拓扑结构如图2 - 6 所示，由于并联谐振电路谐振于基波频率，基波电压绝大部 分都加在此谐振电路上，使a p f 与l 2 一样只承受其余很小一部分基波电压但其 缺点是由于并联谐振电路对基波的阻抗很大，因此该电路不具有无功功率补偿能 力，只能进行谐波抑制。 华北电力大学硕士学位论文 图2 - 6 并联谐振注入式 p f 2 2 适于牵引供电系统的混合型有源电力滤波器 采用混合型有源电力滤波器，谐波和无功功率可以主要由无源滤波器补偿，而 有源滤波器的作用是改善无源滤波器的滤波特性，克服无源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。因而有源电力滤波器能以相对较低的容量应 用于大容量场合，提高了系统的性价比。从满足电气化铁路高电压、大容量谐波抑 制，并且兼具一定容量无功补偿的工程要求出发，分析表明采用并联混合型电力滤 波器或注入式混合型有源电力滤波器可以很好地解决上述问题。下面就上述两种混 合型有源电力滤波器的工作原理进行分析。 2 2 1 并联混合型有源电力滤波器 如图2 7 所示，无源电力滤波器与有源电力滤波器通过耦合变压器相串联起来。 其中p p f 由3 、5 、7 次单调谐滤波器组成，滤除3 、5 、7 次谐波，承担着大部分的 低次谐波滤波任务，使有源滤波器的容量减小很多。a p f 采用单相逆变桥，并在输 出端设置低通滤波器，以滤除逆变器的开关高频分量，a p f 主要改善p p f 的滤波效 果。耦合变压器t 可以降低a p f 的电压等级，并起电气隔离的作用： 图2 7 并联混合型有源电力滤波器 9 华北电力大学硕士学位论文 将图2 - 7 中电压型逆变器等效为受控电压源“一胛，负载等效为电流源屯，设耦 合变压器为理想变压器，其电压变比为n ：l ( 网侧电压：阀侧电压) ，可以得到图2 - 8 所示等效电路。乜、分别是流入a p f 的g 、厶支路折算到网侧的电流，删胛是 a p f 折算到网侧的等效电压源，u r 是负载电压( 即接入点电压) ；是p p f 的等效 阻抗；n 2 z c o 、刀2 死分别是c o 、厶折算到网侧的阻抗。 + 略 - + + 以“工p ， (a)(b) 图2 - 8 单相并联混合型有源电力滤波器的等效电路图 z f + l 巾 - 为了便于分析，由戴维南定理对图2 - 8 ( a ) a p f 支路进行等效变换得到图2 8 ( b ) 图中，混合有源滤波器等效阻抗z ，；z 知+ 等冬争；等效电压= 竽譬字丘、乞的 工口t 厶i 白凸t 正工 阻抗远远小于p p f 的阻抗，即输出滤波器对a p f 的影响可以忽略，此时，磊铝z 胛、 即。觥脚。图中有三个电源：蚝、屯、即，均含有基波成分和谐波成分。如图2 - 9 所示，分别是混合有源滤波器的谐波等效电路和基波等效电路，其中谐波成分用下 标h 表示，基波成分用下标1 表示，下面分别讨论。 + 吩 一 n + + 吩l f 。 图2 - 9 单相并联型有源电力滤波器的谐波、基波等效图 由图可得，当仅有p p f 作用时= o ，此时系统谐波电流“为： 。丽1 + 两z f h 么 ( 2 - 1 ) 由( 2 1 ) 式可知，p p f 的滤波效果受系统阻抗的影响较大，而且在发生频率偏 移时在某些频段可能出现z , h + = 0 的情况，从而发生谐振，导致谐波放大现象， i o 华北电力大学硕士学位论文 这样流入电源的谐波电流比负载谐波电流还要大。 当a p f 加入滤波后，由、分别作用，然后根据叠加定理可以得到 系统谐波电流为： 锄= 瓦酝1 + 惫么一i 焉1 “丹 ( 2 2 ) 适当控制“，7 i ，可以使得电网谐波电流锄很小或完全消除，同时避免 + z f h = o ，从而达到p p f 的滤波效果。 2 2 2 注入式混合型有源电力滤波器 注入式混合有源滤波器的拓扑结构如图2 1 0 所示。主要由有源部分、输出滤波 器、耦合变压器、基波串联谐振电路和5 、7 次单调谐无源滤波器部分组成。此种结 构通过添加基波谐振支路从而旁路基波电流，大幅度降低了系统中有源滤波器部分 的基波分压，降低有源部分的容量。 图2 1 0 注入式混合有源滤波器的拓扑结构 有源部分为智能功率模块构成的电压型逆变器，在逆变器的直流端接有大电容 饼通过电网整流的方式向其充电以提供必需的直流侧电压，交流端接有输出滤波 器厶、e 以滤除开关器件通断所产生的高频毛刺，基波串联谐振电路由厶和q 组 成，考虑到电力机车引起的谐波主要是3 、5 、7 次，使厶、q 和单调谐在3 次特 征谐波处，l c 无源滤波器调谐在5 次和7 次谐波处，以滤除这3 种电铁特征谐波，耦 合变压器t 实现有源部分和无源部分的电气隔离，并可根据有源和无源部分的电压、 电流等级来选择合适的变比。 考虑到电网所带的电力机车为冲击负荷，当经过牵引变电站时会产生较大的谐 波电流和谐波电压，此时系统的谐波域单相等效电路如图2 1 l 所示。图中以为在变 压器副边等效的逆变器输出谐波电压；“曲为电力机车所引起的谐波电压；“为电 l l 华北电力大学硕士学位论文 力机车引起的谐波电流；概为注入支路的谐波电流；z j 为电网电源侧内阻抗；磊为 注入电容的阻抗；z p p 为5 、7 次无源滤波支路的阻抗：z o 为输出滤波器在耦合变压 器原边等效的阻抗；z l 为注入支路基波谐振部分的阻抗。 s + “ 图2 1 l 注入式混合型有源电力滤波器谐波等效图 由图2 1 l ，根据基尔霍夫电流和电压定理，有： = 锄乙+ 概z ，+ 毛z i = 如乙+ i p 卿z p f 缸= 么+ 编+ k 蝻= f c + 矗 u o = 毛z i 一z ： ( 2 3 ) 将逆变器输出电压控制为虬- 砜，由式( 2 - 3 ) 可以解得， i h = 【z l ( z 靠+ 磊+ z o ) + z ( z p v + 磊) + 【z l ( z ，+ z ) + z o 邵 i l h z 户f ，肌 ( z , z f + z 匆z r + z , z p , r ) z o + 【z s ( z _ + z 即+ z 0 ) + z p f ( z f + z ：+ k ) 】z l 、。 考虑到z o 表示输出滤波器在隔离变压器原边等效的阻抗，一般有z 口z l ， z o z f ，z o z p p ，因此由式( 2 4 ) 化简得到 锄：髦笛堕丝虻垡血 ( 2 - 5 ) ” z l z s z f + z , z , z p f + k z p f z l j 根据式( 2 5 ) 可看出，在、“一定的情况下，k 越大，“就越小，当足值 取得足够大时，大部分负载谐波将被滤除掉，将取得很好的滤波效果。此外，由于 乙和z f 、z p e 分别是感抗和容抗，k 值也可以阻尼互和z f 、z l 和z e f 的串联谐振， 克服无源滤波器容易与电网阻抗产生谐振的问题。 2 3 仿真分析 图2 1 2 与图2 1 3 分别为混合有源电力滤波器和注入式混合型有源电力滤波器 的仿真模型，图2 1 4 为滤波前电网电流波形及谐波含量，图2 1 5 为采用混合型有 源电力滤波器的仿真结果，图2 1 6 为采用注入式混合型有源电力滤波器的仿真结 果。可以看出，采用混合有源电力滤波器后，电网电流总畸变率由滤波前的3 7 8 3 1 2 华北电力大学硕士学位论文 下降为滤波后的7 9 3 ，滤波效果明显。采用注入式混合型有源电力滤波器后，电 网电流总畸变率由滤波前的3 7 8 3 下降为滤波后的7 8 6 ，滤波效果与前者相当， 可见，两种拓扑结构的混合型有源电力滤波器均能对非线性负载进行谐波抑制。 图2 1 2 混合型a p f 仿真模型 图2 1 3 注入式a p f 仿真模型 1 3 华北电力大学硕士学位论文 2 4 本章小结 s e l e c t e ds i g n a l ：1 2 5c y c l e s t i m e ( s ) f u n d a m e n t a i ( 5 0 h z ) - 1 8 1 7 1 1 虻净7 8 6 图2 1 6 采用注入式a p f 滤波后电网电流波形及谐波分析 本章在对有源电力滤波器进行分类、拓扑结构介绍及其原理分析的基础上，讨 论了各种形式的优缺点。就目前技术水平而言，混合型有源电力滤波器具有较好的 应用前景，重点对a p f 与p p f 串联后再并联接入电网方式的混合型a p f 和注入式 a p f 进行了理论分析并搭建了仿真模型，通过仿真对两种拓扑结构的补偿效果进行 了比较研究。针对电气化铁路的特点且由于注入式a p f 结构及参数匹配的复杂性， 本文进一步将采用混合型a p f 对牵引供电系统的谐波治理进行研究。 1 5 -嚣t-墨卫、正-口口e苴z 华北电力大学硕士学位论文 第三章谐波电流检测方法的研究 实现对谐波电流快速而准确的检测是十分重要的，这将在很大程度上决定有源 滤波器的工作性能。谐波检测方法有基于瞬时无功功率理论的检测法【“以7 1 、基于神 经网络的检测法 1 8 - 1 9 l 、利用小波分析的检测法 2 0 - 2 l 等。本章着重对基于瞬时无功功 率理论的检测法、自适应检测法、有功电流分离法及其改进方法等几种应用于单相 电路的谐波检测方法进行分析和仿真研究。 3 1 基于瞬时无功功率理论的检测方法 基于瞬时无功理论的谐波电流检测方法，实质上是将三相电压、电流变换到正 交的两相系统中，分别计算出p 和口的瞬时值，从它们的构成中去除要补偿的成分， 经过反变换得到指令电流。由于本文是对单相电路谐波电流检测方法进行研究，所 以对上述方法进行简化，构造一相电流比实际电流滞后t 4 ( r 为工频周期) 。直接 形成假设的两相坐标系信号【2 2 1 。下面对基于瞬时无功功率理论的朋检测法、一 检测法进行分析。 3 i 1p 1 检测法 该检测方法的原理如图3 1 所示设实际电流为将其滞后t 4 构造出声相 信号珏，得到假想的口、两相信号，将电网电压略滞后t 4 得到印。根据瞬时 无功功率理论计算出p 、q ，经过低通滤波器l p f 滤波后得到p 、q 的直流分量p 、q 。 电网电压无畸变时，p 为基波有功电流与电压作用所产生，g 为基波无功电流与电 压作用产生。于是，由p 、q 即可检测出电流的基波分量厂，将屯，与相减， 得出的谐波分量屯j i 。电网电压畸变时，此法会出现检测误差。图3 1 中： = 巴 图3 - 1p q 检测法原理图 1 6 ( 3 1 ) 华北电力大学硕士学位论文 3 1 2 一检测法 该检测方法的原理图如图3 2 所示。此法中需要用到与电网电压同相位的正弦 信号s i n t o t 和对应的余弦信号一c o s ( o t ，它们由一个锁相环( p l l ) 和一个正、余弦信号 发生器得到。与p g 法同理，根据瞬时无功功率理论计算出i p 、毛，经过低通滤波 器l p f 滤波后得到f p 、岛的直流分量i 、i 。于是，由f ：、i 即可检测出电流乞的 基波分量乞，将屯r 与乞相减，得出乞的谐波分量| i i 。由于此法在运算过程中畸 变电压的谐波含量并不出现，因此检测结果不受电网电压畸变的影响。图3 2 中： c=一sincat-一cos耐cotcoscots l l l l 一一耐i 3 1 3 仿真分析 图3 - 2 一检测法原理图 ( 3 - 2 ) p _ 口检测法与一乇检测法的仿真模型分别如图3 - 3 与图3 4 所示。在仿真中假 设畸变电流为方波且在0 1 s 后幅值增加一倍，如图3 5 所示。仿真时间设置为o 2 s ， 其中低通滤波器截止频率设置为2 0 h z 。 囤 ，_ - - 口 图3 - 3 少g 检测法的仿真模型 1 7 华北电力大学硕士学位论文 图3 - 4 一检测法的仿真模型 图3 5 畸变电流波形 ( 1 ) 电网电压无畸变条件下的仿真 仿真结果如图3 - 6 、图3 7 所示。比较可见，检测精度方面，经过f f t 分析， p g 检测法下检测的基波电流总畸变率为o 4 0 ：一检测法下的基波电流总畸变 率为0 4 4 ，可见两者的检测精度都比较高；动态响应速度方面，两者均能在畸变 电流突变后一个周期内跟踪上电流的变化。 1 8 图3 - 6p - q 检测法下畸变电流的基波分量和谐波分量 图3 7 一检测法下畸变电流的基波分量和谐波分量 ( 2 ) 电网电压畸变条件下的仿真 假设电网电压产生畸变，含有3 次谐波分量，p g 检测法的仿真结果如图3 8 要要：幺二检测法的仿真结果没有变化，仍如图3 7 所示。经过f f t 分析，p - 垡检 竺差三警竺竺基波电流的总畸变率达到8 7 8 ，可见电阿电压畸变条件下，一乏检 测法的检测精度明显优于p g 检测法。 图3 8 p g 检测法下畸变电流的基波分量和谐波分量 华北电力大学硕士学位论文 3 2 自适应检测法 3 2 1 自适应干扰对消原理 自适应检测法，是根据信号处理技术中的自适应干扰对消的原理发展而来。自 适应干扰对消的概念由w i d r o wb 提出【2 3 1 ，文献 2 4 2 6 详细分析了自适应检测法， 检测原理如图3 - 9 所示该方法可以把一个信号墨从加性噪声峋中分离出来，该系 统有两个输入端，原始输入j + ，l o 和参考输入端，i i 。j 与，1 0 是不相关的，与n l 也是 不相关的，但伽与伪是相关的噪声。自适应滤波器对伪自适应的滤波，自动调整自 身响应，使得误差信号口达到最小值，使得滤波器输出n o * 无限接近于噪声信号峋， 从而可以抵消，l d 。 图3 - 9 自适应干扰对消原理图 有源电力滤波器的谐波电流检测可以借用上述自适应干扰对消法的原理。将负 荷电流i l 作为原始输入，把其中谐波电流如看作要检测出来的信号，而把基波电流厂 看作噪声，而如与，是不相关的，把幅值衰减后的电源电压“作为参考输入，这样 0 与j ，具有相同频率，二者相关。经过自适应滤波器处理后，其输出厂在幅值和 相位上逼近，再与原始输入屯相减后，系统输出的就是谐波电流，从而实现了 有源电力滤波器的谐波电流检测。 3 2 2 自适应谐波电流检测电路 根据自适应干扰对消原理，可得自适应谐波电流检测电路如图3 1 0 所示。当检 测到输出电流i o ( t ) 中含有与曷0 ) 相同的干扰成分时，i o ( t ) 通过反馈支路中的乘法器 m 与局( f ) 作乘法运算，只有与曷( f ) 同频率的干扰成分与其相乘后才能产生直流分 量。这个直流分量经积分器的累积放大，其输出产生一逐步增长的直流分量( f ) ， 再经乘法器m l 后得到与马( f 同相或反相的反馈量，1 ( f ) ，以抵消作为原始输入的负 载电流i l ( t ) 中与局( f ) 同相或反相的干扰分量，直到输出i ( f ) 的干扰为零。 毫 华北电力大学硕士学位论文 弘：q 图3 1 0 自适应谐波电流检测电路 设参考信号幅度为d ，即置o ) = d s i n c o r t ，恐o ) = d c o s c o r t 。其中啤为基波角频率， 且积分器的积分增益为k ，可以得到自适应检测法的传递函数为： 国：d 2 k ( 3 3 ) 由式( 3 - 3 ) 可知： ( 1 ) 当国= t a r 时，传递函数1 日( 扣) i = o ，说明系统对基波频率产生无限大的衰 减，等效于一个二阶陷波器，且系统的中心频率唯一取决于参考输入的频率，这样 的系统对元件参数的依赖性就不大，能保证良好滤波效果。 ( 2 ) 当c 0 0c o t 或t a 0q 时i 瞰扣) l 岛l ，这就保证了谐波信号顺利通过。 ( 3 ) 此二阶滤波器的带宽a c o = d z k ，可以通过改变这两个参数来调节带宽， 以达到需要的检测精度和动态响应速度，在下面的仿真中，为了验证k 的变化对检 测系统性能的影响，设d = 1 。 3 2 3 仿真分析 自适应谐波检测的仿真模型如图3 1 l 所示，畸变电流波形如图3 5 所示。不同 积分增益的仿真结果如图3 1 2 图3 1 4 所示。 图3 1 1 自适应检测法仿真模型 2 l 图3 - 1 4 积分增益k = 3 0 0 时的基波分量和谐波分量 比较图3 1 2 、图3 1 3 和图3 = 1 4 可发现，积分增益的取值对检测精度和动态响 应影响较大。当积分增益k 分别取1 0 0 、2 0 0 、3 0 0 时，在检测精度方面经过f f t 分 析可得，检测的基波电流总畸变率分别为4 3 0 、8 3 5 、1 2 1 7 ，可见积分增益越 小时检测精度越高；在动态响应速度方面，则积分增益越小时响应速度越慢。可见 华北电力大学硕士学位论文 动态响应性能是以牺牲检测精度为代价的，因此实际应用中积分增益的选取需综合 加以考虑。 3 3 有功电流分离法及其改进法 3 3 1 有功电流分离法 设电源电压为正弦咋( d = 芝d s i n 研，式中秒为电压有效值，负荷畸变电流f d 经傅立叶分解为： 易= 弘s 嘶删+ ) = s i n ( c o t + 识) + n = 2 皿s i n ( 删+ 刚 ( 3 4 ) = 墨c o s 仍咖纠+ 也s i n 仍c o s 研+ 强s i n ( 删+ 纯) = 1 p ( 力+ ( d + 1 0 f ) 式中：五、仍分别为基波电流的有效值和相位角； 、仍分别为n 次谐波电流的有效值和相位角，以为正整数； i j p ( t ) = ls i n 研为基波有功电流分量； l 。l q ( f ) = lc o s r o t 为基波无功电流分量； 厶( f ) = 皿s 域刀研+ 纯) 为谐波电流分量； n = 2 l = 2 五c o s 仍为基波有功电流最大值； 厶= 4 2 i , s i n 仍l 为基波无功电流最大值。 如果确定了和的值即可确定p ( f ) 和，o ) 。为此，在式( 3 4 ) 两端同乘以 s i n r o t ，同时利用三角恒等式可得： i n ( t ) s i n c o t “p s i n 2c o t + c o s c o t s i n r o t + z 、( 2 , s i n ( n c o t + r , o ) s i n c o t = 主( 1 一c o s 2 + 吉s i i l 2 彩r ( 3 - 5 ) + 去弘 一c o s 【( ，z + 1 ) 国f + 纯卜c o s 【( 甩一1 ) 国f + 织】) 由式( 3 5 ) 可得基波有功电流幅值的一半，利用低通滤波器滤波，将增益扩大一倍， 再与s i i l 耐相乘，从而得到p ( f ) 。 同理，在式( 3 4 ) 两端同乘以c o s m t 有： 华北电力大学硕士学位论文 易0 0 0 s 甜= 0 0 s 甜血甜嵋耐以+ 乏弛献似+ 弦) 0 0 b 甜 = 昙( 1 + 麟刎弓面沏2 弓主皿 酬伽+ 驷坛】+ 叫国一驷坛】；。剐 由式( 3 - 6 ) 我们可得基波无功电流幅值的一半，利用低逶滤波器滤波，将增益扩大一 倍，再与c o s c o t 相 ，从而得到( f ) 。进而可得谐波电流：i k ( t ) = i o ( t ) - i l p ( t ) - i k c t ) 综上所述，可得谐波检测原理图如图3 1 5 所示。 图3 1 5 有功电流分离法原理图 3 3 2 改进的有功电流分离法 改进的有功电流分离法如图3 1 6 所示，与图3 1 5 相比增加了反馈环节。以检 测谐波电流和无功电流为例，当基波有功电流增大时，由于低通滤波器的延时作用， 检测出的基波电流不能迅速跟踪实际值，在一段时间内，基波的检测结果要比实际 值小。这样，输出的谐波及无功电流中含有与系统基波有功电流同相位的成分，反 馈到输入端，将使得检测出的基波有功分量有所增大，从而补偿了过渡过程中的检 测误差，加快了动态响应速度。同样，当基波有功电流减小时，过渡过程中输出的 谐波及无功电流中含有与系统基波有功电流反相位的成分，因此使检测出的基波有 功分量迅速衰减，补偿了低通滤波器的延时【2 7 。2 引。反馈参数k 的设置可通过仿真实 验加以确定。 图3 1 6 改进的有功电流分离法原理图 华北电力大学硕士学位论文 3 3 3 仿真分析 有功电流分离法及其改进方法的仿真模型如图3 1 7 、图3 1 8 所示。畸变电流波 形如图3 5 所示。仿真结果如图3 1 9 、图3 2 0 所示。 囤 p a w e r 口 瓦碉 i _ j 州州 图3 1 7 有功电流分离法仿真模型 l 图3 1 8 改进的有功电流分离法仿真模型 华北电力大学硕士学位论文 图3 1 9 有功电流分离法下的基波分量和谐波分量 图3 2 0 改进的有功电流分离法下的基波分量和谐波分量 比较图3 - 1 9 和图3 2 0 可见，在检测精度方面，经过f f t 分析，有功电流分离 法下检测的基波电流的总畸变率为1 8 5 ，改进检测法下检测的基波电流总畸变率 为2 9 7 ，明显前者的检测精度高于后者；动态响应速度方面，有功电流分离法能 在畸变电流突变后一个周期内跟踪上电流的变化，而改进检测法能在3 4 周期内跟 踪上电流的变化，后者响应速度更快。 3 4 本章小结 本章依次分析了基于瞬时无功功率理论的两种谐波电流检测方法( 即p - q 法与 一法) 、自适应检测法、有功电流分离法及其改进方法的基本原理及各自的特点， 并分别对上述各种检测方法建立了仿真模型，通过仿真结果对每种检测方法的检测 精度和动态响应特性进行了分析。考虑到一法的检测精度和动态响应速度均较 好，所以本文选取一法作为有源滤波器的谐波检测方法。 华北电力大学硕士学位论文 第四章并联型有源电力滤波器控制问题的研究 4 1 并联型有源电力滤波器的控制策略 为了使有源电力滤波器得到理想的补偿效果，必须对其进行适当的控制。以下 对并联型有源电力滤波器的三种控制策略进行分析和仿真。 4 1 1 检测负载电流控制策略 检测负载电流控制方式原理图如图4 1 所示。指令电流运算电路的输入信号来 自负载电流，这是一种最基本的控制方式。在这种方式中，补偿电流能够较好地跟 踪指令电流。但是，在主电路电力半导体器件高频通断的过程中，会产生一些高次 谐波。因此为了滤除这些高次谐波，需在有源电力滤波器系统中设置由电感、电阻、 电容组成的高通滤波器( h p f ) 。 图4 1 检测负载电流控制方式原理图 并联型有源电力滤波器的单相等效电路如图4 - 2 所示。图中，乙= 足+ 以为线 路阻抗，z n z , f 为高通滤波器的阻抗。负载电流屯与a p f 电流屯之和也可以看作电 流源。 十屯 图4 - 2 并联型有源电力滤波器的单相等效电路 2 7 有源电力滤波器的作用主要是补偿谐波，最终使电源电流成为正弦波。因此可 考虑检测电源电流，而不检测负载电流l ，用指令电流运算电路求出中的谐波， 反极性后作为指令电流对补偿电流发生器进行控制。检测电源电流控制方式的原理 如图4 4 所示。由于检测的是电源电流，从而构成了闭环控制系统。 华北电力大学硕士学