（电力系统及其自动化专业论文）基于dfacts的电牵引负荷谐波抑制.pdf

基于d f a c i s 的电牵引负荷谐波抑制 h a r m o n i cs u p p r e s s i o no ft h ee l e c t r i ct r a c t i o nl o a db a s e do nd f a c t s a b s t r a c t e n e r g y - s a v i n g i so n eo ft h eb a s i cn a t i o n a lp o l i c i e so fo u rc o u n t r yf o rb u i l d i n ge c o n o m i c a l s o c i e t y w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r i f i e dr a i l w a y ，t h ee l e c t r i ct r a c t i o nl o a dh a s b e e no n eo ft h em o s ti m p o r t a n tl o a d si nt h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e m a tp r e s e n t ，t h em a j o r i t yo f t h ee l p e t r i el o c o m o t i v e sa r es t i l la d o p t i n ga c d cd r i v em o d e ，t h e s ee l e c t r i ct r a c t i o nl o a d sw i l l g e n e r a t el o t so fh a r m o n i cc u r r e n t sw h i c he n t e ri n t ot h ee l e c t r i cn e t w o r kt h r o u g ht h et r a c t i o n p o w e rs u p p l ys y s t e m ，s e r i o u s l yt h r e a t e nt h es a f e t ya n d n o r m a lo p e r a t i o no f t h ee l e c t r i cn e t w o r k a n do t h e rd e v i c e s a tt h es a m et i m e ，t l l e yc o s te n o r m o u se c o n o m i cl o s s e st ot h er a i l w a y d e p a r t m e n t t os l o v et h ep r o b l e ma b o v e ，t h eh a r m o n i cc h a r a c t e r i s t i co fs s 4 ge l g c t r i cl o c o m o t i v ei s s t u d i e dd e e p l y t h ea c t i v ep o w e rf i l t e rb a s e do nd f a c t sw h i c hi sd e s i g n e df o rs s 4 ge l e c t r i c l o c o m o t i v ei sp r o p o s e dc o m b i n e dw i t h 百n e e r i n ga p p l i c a t i o n n ee n e r g yl o s si sd e c r e a s e d b ys u p p r e s s i n gt h eh a r m o n i cc u r r e n t s ，w h i c hr e a l i z e st h ep u r p o s eo fe n e r g y s a v i n g f i r s t l y , e l e c t r i c a ls t r u c t u r e ，w o r k i n gm e c h a n i s ma n dc o n t r o lc h a r a c t e r i s t i co fs s 4 g e l e c t r i cl o c o m o t i v ea r es t u d i e dd e e p l yi nt h i sp a p e l t h es i m u l a t i o nm o d e lo fi t sm a i nc i r c u i t i sb u i l ta n da n a l y z e db ym a t l a b s i m u l i n ks o f t ，t h eh a r m o n i cc h a r a c t e r i s t i ca n de n e r g y c o n s u m p t i o no fs s 4 ge l e c t r i cl o c o m o t i v ea r em a i n l ys t u d i e d s e c o n d l y t h es 仃u c t u r es c h e m eo ft h ea c t i v ep o w e rf i l t e ra p p l i e dt os s 4 ge l e c t r i c l o c o m o t i v ei sp r o p o s e d t h em e t h o d so fh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o na n dc o n t r o lw h i c ha r e s u i t a b l ef o rs i n g l e p h a s ec i r c u i ta r es t u d i e d t h es i m u l a t i o nm o d e l so ft h ea c t i v ep o w e rf i l t e r a d o p t i n gt h r e ec o n t r o la p p r o a c h e sa r e b u i l ta n ds i m u l a t e d ，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 e h y b r i dc o n t r o la p p r o a c hh a st h eb e s te f f e c t f i n a l l y t h es y s t e mm o d e lo ft h ea c t i v ep o w e rf i l t e ra p p l i e dt os s 4 ge l e c t r i cl o c o m o t i v e i sb u i l t ，t h es i m u l a t i o ne x p e r i m e n ti sm a d eb ym a t l a b s i m u l i n ks o f t t h eh a r m o n i c c h a r a c t e r i s t i ca n de n e r g yc o n s u m p t i o no fs s 4 ge l e c t r i cl o c o m o t i v eb e f o r ea n da f t e rf i l t e r i n g a r ec o m p a r e da n da n a l y z e dt h r o u g hs i m u l a t i o ne x p e r i m e n t 1 1 1 er e s u l t ss h o w t h eh a r m o n i c c u r r e n t so ft h ee l e c t r i ct r a c t i o nl o a dd e c r e a s es u b s t a n t i a l l ya f t e rf i l t e r i n gb ya d o p t i n gt h e a c t i v ep o w e rf i l t e rd e s i g n e di nt h i sp a p e r , a n dt h ee n e r g yl o s sa l s or e d u c e ，w h i c hp r o v e st h a t t h em e t h o dp r o p o s e di nt h i sp a p e ri se f f e c t i v ea n de c o n o m i c a l i i 大连理t 大学硕十学位论文 k e yw o r d s ：e l e c t r i ct r a c t i o nl o a d ；d f a c t s ；h a r m o n i cs u p p r e s s i o n ； e n e r g y - s a v i n g i i l 人连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：茎盘逝眶盔鱼立壹盖l 鱼查谐过煎壁l 作者签名： 生玉立 日期：迦!年l 月立l 日 导师签名： 墨兰芝冬 日期： 区盟3 年l 月上l 日 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 墓盎蓝i s 佥皇。垒塾鱼查谐i 连煎宣! 作者签名： 盐玉复 日期：函! 年l 月l 日 人连理i ：人学硕十学位论文 1绪论 1 1 电力机车的发展 1 8 9 7 年5 月3 1 日，在德国柏林举行的世界贸易博览会上，西门子公司和哈尔斯克 公司展出了世界第一条电气化铁路以来，迄今已经历了一百多年。在此期间，电力牵引 和电力机车得到了飞速发展。 1 1 1 国外电力机车的发展 从主电路系统的特点来看电力机车近几十年来的发展过程【l 】。2 0 世纪7 0 年代以前， 直流电力机车普遍采用直流牵引电动机和高压侧调压开关调压系统；低频交流电力机车 几乎全部采用单相交流整流器牵引电动机和高压侧调压开关系统；工频交流电力机车主 要采用水银整流器或硅整流器与脉流牵引电机和高压侧或低压侧调压开关调压系统。 自2 0 世纪7 0 年代，随着大功率晶闸管及电力电子技术的发展，直流电力机车逐渐 采用斩波调压；单相工频整流器电力机车逐步被晶闸管相控电力机车取代；在采用低频 交流制的国家中，瑞典和奥地利着重发展晶闸管相控电力机车，而德国和瑞士在使用少 量相控机车的同时，着力发展三相交流传动电力机车。 在8 0 年代，一方面，直流斩波机车和交流相控机车技术得到进一步地发展与完善。 另一方面，以1 9 7 9 年问世的第一台e 1 2 0 型交流传动电力机车( 原联邦德国b b c 公司 制造) 为转机，三相交流传动电力机车在德国等一些国家投入运营并得到迅速发展。 从8 0 年代末9 0 年代初开始，世界上特别是西欧和同本，随着既有电力机车的更新 换代和高速铁路的蓬勃发展，电力机车的研制迅速转向交流传动。目前，这些国家早己 停止了用于本国的直流传动和交直传动电力机车的生产。 随着现代电力电子技术的迅猛发展，新型电力电子器件的不断问世，交流传动有了 坚实的物质基础。在历经技术准备期( 1 9 7 0 - - 1 9 7 9 ) 年、技术成熟期( 1 9 8 0 - 1 9 8 7 ) 年、 品质提升期( 1 9 8 8 年以后) 之后，西方发达国家已将牵引动力转向交流传动。2 0 多年 来，交流传动电力机车从德国发展到整个欧洲，再扩展到亚洲和非洲，构成了世界电力 机车发展的总趋势。 1 1 2 我国电力机车的发展 白1 9 6 1 年8 月1 5 日，我国开通了第一条电气化铁路宝鸡一凤州段以来，至今 已有近五十年的时间。五十年间，中国电力机车经历了从无到有的发展过程，前后共经 基于d f a c t s 的电牵引负荷谐波抑制 历了三个阶段，开发了四代产品，取得了世人瞩目的成就。其发展历程和国外相似，即 由直流电传动到交直电传动再到交流电传动的发展t i 】【2 】【3 1 。 第一阶段( 1 9 5 6 1 9 6 8 年) ：中国电力机车早期引进仿制阶段。1 9 5 6 年，中国政 府提出要迅速地、有步骤地研制使用电力机车。1 9 5 7 年，参照前苏联h 6 0 型单相引燃 管整流器电力机车，开始研究设计电力机车。1 9 5 8 年仿制出第一台电力机车，即6 y 1 型电力机车，此后经过多次改进，至1 9 6 8 年，6 y 1 型改名为s s l 型，成为我国第一代 电力机车，开始小批量生产。 第二阶段( 1 9 6 8 - - - , 1 9 8 5 年) ：中国电力机车艰难成长阶段。在此期间，跳出了照搬 国外电力机车的模式，走上了自我发展的道路。第一代产品s s l 型开始成批生产，并自 主研制成功第一代电力机车s s 2 型，第二代电力机车s s 3 型，第三代电力机车s s 4 型。 其中，s s 4 型电力机车是根据“六五 国家重点科研攻关计划于1 9 8 1 年开始研制 设计的，1 9 8 5 年研制成功。该车持续牵引功率6 4 0 0 k w ，最高速度1 0 0 k m h ，电阻制动 功率5 5 7 0 k w ，主要适用于繁忙干线、山区和晋煤外运线等重要通道，是我国铁路干线 牵引机车功率最大的机车，也是我国铁路干线第一个重载货运的专用车型，它消化吸收 了当时国际上最先进的相控机车技术，集中体现了我国近3 0 年研制电力机车的经验和 技术。它的研制成功，标志着我国大功率半导体技术和电力电子技术已进入实用阶段， 电力机车发展达到了一个新的水平【3 】。 第三阶段( 1 9 8 4 , - - - , 至今) ：中国电力机车迅速发展阶段。此阶段我国第三代电力机 车发展形成多机型系列，基本形成了较为完整的4 、6 、8 轴货运、客运系列。1 9 8 6 年中 国铁路牵引动力政策改为“大力发展电力牵引，合理发展内燃牵引 以及发展“重载高 速机车。此期间株洲电力机车工厂等工厂和株洲电力机车研究所等科研单位得以大规 模改造，新增很多先进专用设备和试验检测设备，引进大量先进技术。1 9 8 5 年和1 9 8 6 年进口8 k 和6 k 机车的同时，引进了大量先进技术。经过消化吸收，结合中国电力机 车实际和优秀的传统结构，先后自主研制成功第三代机车1 1 种。 第四代电力机车则是已“a c 4 0 0 0 为标志的我国第一台交流传动机车的诞生。该 车的研制成功，是我国电力机车事业发展史上的一个重要里程碑，是我国铁路电传动 领域的一次重大革命，标志着我国电传动机车开始跨入交流传动机车的发展时期。 人连理i ：大学硕士学位论文 1 2 电牵引负荷的谐波问题 1 2 1电牵引负荷的特点及其产生的危害 电牵引负荷是移动着的、幅值变化大而又频繁的特殊负荷。无论是分析国内实测资 料，还是参考国外文献，电铁牵引负荷日波动的特征是非常明显的。引起这种日波动的 原因与线路条件、机车类型、牵引重量及其运行状态( 如加速度、正常运转、滑行与制 动) 等多种因素有关，而这些影响因素又具有随机特性。因此，电牵引负荷不同于一般 的持续电力负荷，它属于典型的日波动负荷，具有短时冲击特性【4 】。 现阶段，运行于我国电气化铁路的电力机车仍以传统的交直型电传动机车为主，此 类电力机车在其牵引运行过程中，整流调压电路会产生大量的谐波电流，交流侧的电流 波形与横轴成镜对称，整流电路在整流过程中交流电压每一周期内直流侧整流电压的脉 动数为2 ，故其产生的特征谐波次数为h = 2 k 1 ，k = l ，2 ，3 。因此电力机车属于电 流源型谐波源，其所产生的谐波电流取决于谐波源本身特性，与牵引网参数基本无判5 1 。 与电力系统的其它谐波相比，电牵引负荷谐波的特点是【6 1 ： ( 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，可以认为是单相多段全波或桥式整流负荷； ( 2 ) 随机波动性。电力牵引机车随路况的不同，其负荷发生随机波动，造成负荷电流 的波动，引起供电系统的电压波动，并且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； ( 5 ) 高压渗透性。电铁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。 由于电牵引负荷及其产生的谐波的上述特点，将会对公用电网的安全、可靠运行产 生了十分不利的影响。谐波对公用电网和其它系统的危害大致有以下几方面【| 7 】： 谐波对电气设备的影响和危害。就后果来说可以分为两类：第一类是对电力设备 的影响，它可以造成设备损坏、减少设备寿命，或降低出力等；第二类是对计算机、继 电保护、控制器或系统、仪表以及视听设施的影响，它可以造成设备的工作失误或性能 劣化。国内外经验表明，电工设备因谐波影响而损坏的以电力电容器数量最多，这和电 容器容易吸收谐波、放大谐波，以至引起谐波震荡有关。 谐波对电机的影响。主要是引起附加损耗，其次是产生机械振动、噪声和谐波过 电压。谐波对电机可引起附加损耗，从而产生附加温升。 基于d f a c t s 的电牵引负荷谐波抑制 谐波对变压器的影响。正常情况下变压器激磁电流中含有谐波，该谐波电流一般 不大于变压器的额定电流的1 或( 对小配电变压器) 3 ，其作用是使变压器铁芯中的磁 通趋于正弦波形，所以它并不引起变压器本身的铁损和发热增大。变压器刚通电时，激 磁涌流中的谐波电流能达到和超过变压器的额定电流，但历时很短，正常情况下才不会 构成对该变压器本身的危害。但在变压器谐波谐振下( 这时变压的外电路的谐波阻抗呈 容性) ，这种谐波电流能够危害变压器本身。对于全星形接法的变压器，正常时每相绕 组电压的3 次谐波含有率可能达到相当大的数值，若绕组中性点接地，且该侧电网中分 布电容较大或装有中性点接地的并联电容器组时，可能构成接近于3 次谐波谐振的条件， 因而使3 次谐波电压和谐波电流增大，附加损耗大增，严重影响变压器的可靠性。因此 有许多国家规定：不得采用全星形接法的单相变压器组和不制造大容量的全星形接法的 三相变压器。在我国不少电网中采用了全星形接法的变压器，对它们的谐波问题需要给 予十分注意。谐波源造成的流经变压器的谐波电流，在谐振的条件下也能损害变压器。 谐波电流引起变压器绕组附加损耗外，也引起外壳、外层硅钢片和某些紧固件发热，并 且有可能引起局部的严重过热。 谐波对电缆的影响。由于电缆的分布电容对谐波电流有放大作用，在电网低谷负 荷下当电网电压上升而使谐波电压也升高的时刻，电缆更容易出现故障。谐波引起电缆 损坏的主要原因是，浸渍绝缘的局部放电、介损和温升的增大。电缆的额定电压等级愈 高，谐波引起的上述危害也愈大。 谐波对通信线路干扰。其物理机制包括： ( 1 ) 电容耦合。电力网的交流电压通过电力线路和电话线路之间的分布电容耦合到 电话线上； ( 2 ) 电磁感应。电力线路的交流电流产生围绕导线的交变磁场而感应到邻近的电话 线路上； ( 3 ) 电气传导。若电力系统的中性点直接接地或有利用大地返流的线路如二相一地 制系统，则对通常利用大地作参考电位的通信线路，将会引起电阻压降对参考电位的影 响。 谐波对通信线路的干扰，不但可能损害通话的清晰度，而且在谐波和基波的综合作 用下曾发生多次触发电话铃响的情况，甚至在极端情况下，威胁通信设备和人员的安全， 这些对于卫星的发射都会造成严重的影响。 大连理t 大学硕士学位论文 1 2 2 谐波限值国家标准 1 9 8 4 年原水利电力部颁发了电力系统谐波管理暂行规定，编号为s d l 2 6 - - 1 9 8 4 ， 以加强对我国公用电网谐波的管理。经过近十年来的执行和努力，我国电网在谐波管理 上前进了一大步，1 9 9 3 年7 月3 1 日由国家技术监督局出面颁布了关于谐波方面的国家 标准，即中华人民共和国国家标准g b t 1 4 5 4 9 - - - 1 9 9 3 电能质量公用电网谐波，并 于1 9 9 4 年3 月1 日实施【8 1 。 ( 1 ) 国标的谐波电压限值 对于不同电压等级的公用电网，允许电压谐波畸变率也不相同。电压等级越高，谐 波限制越严。偶次谐波的限制要严于对奇次谐波的限制。表1 1 为公用电网谐波电压限 值。 表1 1 谐波电压限值 t a b 1 1l i m i tv a l u e so f t h eh a r m o n i cv o l t a g e s ( 2 ) 国标的谐波电流限值 公用连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量( 均方根值) 不应超过表1 2 中 规定的允许值。当公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量时，表1 2 中的谐 波电流允许值应经过一定的换算。换算公式为： r 厶= 子i ( 1 1 ) o j 式中，s ，实际短路容量( m v a ) ： s i 基准短路容量( m v a ) ； i h 公共连接点的各次谐波电流允许限值( a ) ； i g b 一基准短路容量下的公共连接点各次谐波电流允许值( a ) 。 基于d f a c t s 的电牵引负荷谐波抑制 表1 2 注入公共连接点的谐波电流允许值 t a b 1 2l i m i tv a l u e so ft h eh a r m o n i cc u r r e n t so fp c c 1 2 3 电牵引负荷谐波抑制的发展与现状 电牵引负荷谐波抑制的方法主要有如下几种，如图1 1 所示： 图1 1 电牵引负荷谐波抑制的方法 f i g 1 1 m e t h o d sa b o u th a r m o n i cs u p p r e s s i o no ft h ee l e c t r i ct r a c t i o nl o a d 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 采用交直交型传动机车。 此种传动方式的电力机车，由于其电源侧采用了四象限脉冲变流器，逆变器采用了 对称的脉宽调制控制，提高了机车用电的功率因数( o 9 5 以上) 、降低了注入系统的谐 波( 谐波电流总畸变率小于5 ) ，从而减少了接触网的电压降、电压波动和注入系统 的谐波电流，综合用电效益明显【9 】。 ( 2 ) 装设谐波补偿装置。 在牵引变电所装设谐波补偿装置，可以通过加装无源或有源的滤波装置进行谐波 抑制。无源滤波方式主要通过断路器或晶闸管投切电容器组的方式动态调节补偿电容， 同时在投切电容器回路中采用滤波电抗器，能有效吸收大部分谐波电流，减少谐波电流 逆反主变压器，从而达到无功补偿、谐波抑制、提高电压稳定性的目的；有源滤波方式 则主要通过在牵引变电所内安装单独的有源电力滤波器或采用无源滤波器与有源电力 滤波器串并联等方式【l o 】，达到抑制谐波的目的。 在电力机车上装设谐波补偿装置。通过在机车上直接安装无功补偿装置，在补偿 无功的同时，调谐至3 次或5 次谐波附近抑制谐波，从源头上改善电能质量。机车上一 般多采用晶闸管开关投切滤波器的方式来实现动态补偿。 例如，针对s s 4 型电力机车存在的谐波电流较大，功率因数较低以及其它一些问题， 株洲电力机车厂与株洲电力机车研究所对s s 4 型电力机车作了重大改进，于1 9 9 3 年设 计试制成功s s 4 改型电力机车，并于同年开始批量生产。其中一项重要改进即是在该车 的主电路上设置了四组完全相同的p f c ( p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ) ，即功率因数补偿装 置。该装置是通过滤波电容和滤波电抗的串联谐振电路，以降低机车的三次谐波分量， 提高机车的功率因数【2 】【l l 】。 在公共连接点上装设谐波补偿装置。通过在牵引变电所一次侧并联接入有源电力 滤波器，以抵消电牵引负荷产生的谐波电流。 ( 3 ) 研究新型供电技术。 如文献【9 】中提到的，通过改变现有的供电技术，采用同相供电、高压直流供电等方 式，也能达到抑制电牵引负荷谐波的效果。 1 3 基于d f a c t s 技术的有源电力滤波器的发展 1 3 1 f a c t s 与d f a c t s 技术的一般概念 f a c t s ( f l e x i b l ea l t e r n a t i v ec u r r e n tt r a n s m i s s i o ns y s t e m s ) ，即柔性交流输电系统， 又被称为灵活交流输电系统，这一概念最早是由美国电力科学院( e p r i ) 的著名电力专 家n g h i n g o r a i 博士于1 9 8 8 年提出的【1 2 邺1 。1 9 9 7 年i e e e 电力工程学会冬季会议上， 基y - d f a c t s 的电牵引负荷谐波抑制 将f a c t s 定义为：装有电力电子型或其它静止型控制器以加强系统可控性和增加功率 传输能力的交流输电系统。它的核心是f a c t s 控制器，包括移相器、静止无功补偿器、 动态制动器、可控串联电容、带载调压器、故障电流限制器以及其它有待发明的控制器。 将f a c t s 技术应用到配电系统中，即有了d f a c t s ( d i s t r i b u t i o nf a c t s ) 技术【l 引。 d f a c t s 技术又称为c u s t o mp o w e r 技术，即用户电力技术或定制电力技术，已成为改 善电能质量尤其是解决动态电能质量问题的有力工具。目前主要的d f a c t s 装置利1 2 j ： 有源电力滤波器( a p f ) 、动态电压调节器( d t ) 、配电系统用静止无功补偿器 ( d s t a t c o m ) 等。而其中的有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ，a p f ) 作为一种主 要的d f a c t s 装置，已被广泛的应用于谐波的动态补偿。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，从而达到了抑制谐波电流的目的。 1 3 2 有源电力滤波器的发展 有源电力滤波器的思想最早出现于1 9 6 9 年b m b i r d 和j f m a r s h 的论文中i ”j 。文 中描述了通过向交流电源注入三次谐波电流以减少电源中的谐波，改善电源电流波形的 新方法。文中所述的方法被认为是有源电力滤波器思想的诞生。1 9 7 1 年，同本h s a s a k i 和t m a c h i d a 完整描述了有源电力滤波器的基本原理【l6 1 。1 9 7 6 年美国西屋电气公司的 l g y u g y i 和e c s t r y c u l a 提出了采用脉冲宽度调制( p w m ：p u l s ew i d t h m o d u l a t i o n ) 控制的有源电力滤波器，确定了主电路的基本拓扑结构和控制方法，从原理上阐明了有 源电力滤波器是一种理想的谐波电流发生器，并讨论了实现方法和相应的控制原理，奠 定了有源电力滤波器的基础【1 7 】。然而，在2 0 世纪7 0 年代由于缺少大功率可关断器件， 有源电力滤波器除了少数的实验室研究外，几乎没有任何进展。进入2 0 世纪8 0 年代以 来，新型电力半导体器件的出现，p w m 技术的发展，尤其是1 9 8 3 年日本的h a k a g i 【l 副 等人提出了“三相电路瞬时无功功率理论”，以该理论为基础的谐波和无功电流检测方 法在三相有源电力滤波器中得到了成功的应用，极大地促进了有源电力滤波器的发展。 目前，有源滤波技术已在日本、美国等少数工业发达国家得到应用，有工业装置投 入运行，其装置容量最高可达2 0 m v a ；国内对有源电力滤波器的研究尚处于起步阶段。 有源电力滤波器发展至今，其种类已有很多，见图1 2 【1 3 】。不同的类型结构，其工 作原理、特性也各有其特点。根据有源电力滤波器的供电类型不同，可分为交流有源电 力滤波器和直流有源电力滤波器；根据与负载的连接方式，可以分为并联型、串联型、 串并联混合型等；根据补偿对象的相数分类，可以分为单相和三相两种；根据有源电力 滤波器的主电路中p w m 变流器直流侧储能元件的不同，分为电压型有源电力滤波器( 储 大连理工大学硕士学位论文 能元件为电容) 和电流型有源电力滤波器( 储能元件为电感) ；根据主电路形式的不同， 又可分为单个主电路形式和多重化的主电路形式。 图1 2 有源电力滤波器的分类 f i g 。1 2 c l a s s i f i c a t i o no fa p f 1 3 3 有源电力滤波器的主电路形式 图1 3 、图1 4 分别为应用于单相系统的电压型和电流型两种主电路形式。电压型 p w m 变流器在工作时需对直流侧电容电压控制，使直流侧电压维持不变，因而变流器 交流侧输出为p w m 电压波；而电流型p w m 变流器在工作时需对直流侧电感电流进行 控制，使直流侧电流维持不变，因而变流器交流侧输出为p w m 电流波。 基t - d f a c t s 的电牵引负荷谐波抑制 e s 图1 3 单相电压型p w m 交流器 f i g 1 3s i n g l e - p h a s ev o l t a g es o u i c cp w m c o n v e r t e r 图1 4 单相电流型p w m 变流器 f i g 1 4s i n g l e - p h a s ec u r r e n ts o u r c ep w m c o n v e r t e r u c 对于电压型p w m 变流器，它的优点是用电容器储存能量，其损耗较少，效率高， 但它不能直接控制输出补偿电流，而是通过控制电压间接控制电流。而电流型p w m 变 流器能够直接输出补偿电流，不仅可以补偿正常的谐波，还可以补偿分数次谐波和超高 次谐波，并且不会由于主电路开关器件的直通而发生短路故障，因而在可靠性和保护上 占有较大的优势。但是，电流型p w m 变流器直流侧大电感上始终有电流流过，该电流 将在大电感的内阻上产生较大的损耗，因此目前较少使用。根据调查，电压型p w m 变 流器是目前国内外绝大多数p w m 变流器采用的主电路结构，其比例约占9 0 左右i l 9 1 。 大连理t 大学硕士学位论文 随着对超导贮能磁体研究的进展，一旦超导贮能磁体实用化，必可大幅度降低电感上的 功耗，促使电流型p w m 变流器的应用增多。 当应用单个p w m 变流器不能满足容量需要时，可采用多重化的主电路形式。所谓 多重化技术，就是以多个小功率变流器在其输入或( 和) 输出端通过变压器串联或并联， 各个变流器以相同频率不同相位工作，从而达到系统的高功率运行和输入、输出谐波改 善的目的。有源电力滤波器多重化主电路形式有以下几种【1 3 】： ( 1 ) 串联电抗器多重化方式。这种方式的工作原理如图1 5 所示，在这种方式中， 直接将各个有源电力滤波器通过其交流侧的电感并联起来，它是最容易实现的一种接线 形式。 图1 5 串联电抗器多重化方式 f i g 1 5 m a i nc i r c u i to fm u l t i p l ep e r f o r m a n c ea d o p t i n gs e r i e sr e a c t o r s ( 2 ) 采用平衡电抗器的多重化方式。这种方式的工作原理如图1 6 所示，这种方式 中，在各个有源电力滤波器之间加入平衡电抗器，抑制有源电力滤波器之间的环流。当 有源电力滤波器的开关频率较低时，会有较大的环流，因而这种方式适用于开关频率较 高的情况。 图1 6 平衡电抗器多重化方式 f i g 1 6 m a i nc i r c u i to f m u l t i p l ep e r f o r m a n c ea d o p t i n gb a l a n c e dr e a c t o r s ( 3 ) 使用变压器的串联多重化方式。这种方式的工作原理如图1 7 所示，在这种方 式中，通过变压器二次绕组将有源电力滤波器的输出串联起来。但是变压器必须采用二 基于d f a c t s 的电牵引负荷谐波抑制 次侧为多绕组的特殊形式。此外，由于有源电力滤波器输出的p w m 波直接经过变压器 叠加，使得变压器会有较大的铁损耗。 电抗器 图1 7 变压器多重化方式 f i g 1 7 m a i nc i r c u i to f m u l t i p l ep e r f o r m a n c ea d o p t i n gt r a n s f o r m e r s 由于多重化的主电路形式可以提高整个电路的等效开关频率，因而受到各国研究工 作者的重视。它在实现大容量的同时又提高了有源电力滤波器的等效开关频率，使系统 最后得到的开关频率数倍于电力电子器件自身所允许的开关频率，从而改善了补偿电流 的跟随性能；再者，由于等效开关频率的提高又可以降低单个器件的工作频率，这不仅 降低了对器件工作频率的要求，而且减小了器件的开关损耗；另外，多重化的主电路在 满足容量要求的同时，控制电路也可以只用一套，在经济上也比较合理。 由交直型电力机车和它产生的谐波的特点看以看出，此类电牵引负荷为典型的谐波 电流源。对于这种电流源性质的谐波源，适宜采用并联型有源电力滤波器进行补偿。由 于本文设计的滤波装置将直接安装在电力机车上，以从源头上对电牵引负荷产生的谐波 电流进行就地补偿。而交直型电力机车整流调压电路的特点是电压值相对较低，电流值 则很大，这样就会使滤波装置的电压等级相对较低，而其需要提供的补偿电流幅值相对 很大。受电力半导体器件容量的限制，单个p w m 主电路结构无法满足本文的设计要求， 为此，本文将采用双重化的并联型有源电力滤波器。 1 3 4 有源电力滤波器控制技术的发展 ( 1 ) 补偿电流的检测方法 谐波及无功电流的检测是有源滤波控制系统的核心部分之一，由于这一环节需要对 数据进行大量的处理和运算，且其结果直接影响到整个装置的性能，所以选用适当的算 人连理一j ：大学硕十学位论文 法加以实现，是目前有源电力滤波器研究的重点之一。根据检测原理不同，主要有以下 几种方法【2 0 】【2 i 】。 提取基波分量法：这是最早被采用的谐波检测方法，即采用模拟陷波器将基波电 流分量滤除，得到谐波分量；或采用带通滤波器提取出基波分量，它与原信号之差即为 所需补偿的谐波分量。这种方法存在设计难、误差大、对电网频率波动和电路元件参数 较敏感等缺点，目前已极少采用。 频率分析法：该方法的基础是傅里叶级数分析，将检测到的畸变电流或电压进行 傅里叶变换，分解为高次谐波代数和的形式，再将其合成为总的补偿电流。由于傅里叶 变换需要进行大量的运算，当要求消除的谐波次数很高时，微机的适时计算有困难，不 适合实际控制。 基于f r y z e 传统功率定义的谐波检测法：其原理是将负载电流分解为两个正交分 量，与电网电压波形一致的分量称为有功电流分量，负载电流与有功电流的差值称为广 义无功电流分量( 包含基波无功和谐波) 。用该方法计算出广义无功电流瞬时值至少有 一个周期以上的时间延迟，实时性不好，故不适用于频繁变化负载的补偿，而且这种方 法无法将基波无功和谐波电流从基波电流中分离出来，故只适用于全补偿的场合。 瞬时空间矢量法：这是目前有源电力滤波器中应用最广的一种检测方法，其最早 是由日本学者h a k a g i 于1 9 8 4 年提出的。该方法的理论基础是瞬时无功功率理论，经 过不断改进，现在包括p q 法，站i q 法以及d - q 法。其中，p q 法适用于电网电压对称且 无畸变情况下谐波电流的检测；i p - i 口法不仅在电网电压畸变时适用，在电网电压不对称 时也同样有效；而基于同步旋转坐标变换的d q 法可在电网电压不对称、畸变情况下精 确地检测出谐波电流，其优点是当电网电压对称且无畸变时，各电流分量的检测电路比 较简单。但这种方法使用了大量的模拟乘法器，计算量相对较大，调整困难，参数依赖 性很大，很难保证设计的计算精度。 基于现代控制理论的方法：最早应用的有基于p i 控制器的方法，因p i 控制器的 特性不能适应负载及电网的变化，后来又提出了滑模控制及模糊控制等现代控制方法， 它们都是直接根据逆变器直流侧的电压或电流，求出所需的电网电流的基波有功分量幅 值，从而求出所需的补偿电流的指令值。 自适应检测法：该方法基于自适应滤波中的自适应干扰抵消原理，从负载电流中 消去基波有功分量，从而得到需补偿的电流值。该方法的优点是对电网电压畸变、频偏 及电网参数变化有较好的自适应能力，但其动态响应较慢。 上述方法中，瞬时空间矢量法无疑是发展最为成熟，应用最广泛的检测补偿电流的 方法，实践证明它在三相三线制电路中已得到成功的应用。但是，对于本文设计的单相 基于d f a c t s 的电牵引负荷谐波抑制 滤波电路，若使用该方法进行检测，其算法相对来说比三相瞬时谐波检测法复杂，不易 实现。为此，本文将采用一种更加适合单相电路的检测方法，即基于基波电流分离法的 检测方法【2 2 1 ，该检测方法的算法更为简单可靠，且有利于硬件实现。具体原理将在论文 第四章中进行讨论。 ( 2 ) 补偿电流的控制方法 有源电力滤波器控制技术的关键就是变流器的脉冲宽度调制( p w m ) 技术。为了 获得更为优越的有源电力滤波器输出特性，国内外科学工作者对有源电力滤波器的控制 进行了大量卓有成效的研究，提出了许多新的脉冲宽度调制技术。以下对已出现的控制 技术的研究及其进展做一些简要介绍【1 3 j 2 3 1 。 ( 1 ) - z 角载波线性控制：是一种最简单的控制方法，通过将检测环节得到电流实际值 与参考值之间的偏差与高频三角载波相比较，得到的矩形脉冲作为逆变器各开关元件的 控制信号，从而在逆变器输出端获得所需的波形。此方法开关频率恒定、实现电路简单、 稳定性好，缺点是输出波形中含有与三角波相同频率的高频畸变分量，开关损耗较大， 在大功率应用中受到限制。 ( 2 ) 滞环控制：是目前在有源电力滤波器控制中应用最成功的一种技术。该方法是给 定一个允许容差带，只要高次谐波的大小超过这个容差带，逆变器开关动作。但开关频 率、损耗以及控制的精度受容差带宽度的影响，容差带宽度越小，控制的精度就越高， 同时开关频率和开关损耗也加大了。一般说来，滞环控制可获得较好的控制性能，它兼 有快速响应，开关频率不太高和简单易行的特点，因而被广泛使用。 ( 3 ) 无差拍控n - 它实际上是一种预前控制，其基本思想是根据在第k 个采样时刻 所检测的负载电流和补偿电流，计算第k + i 时刻的指令电流值及各种可能开关状态下补 偿电流的预测值，然后计算某种特定的目标函数( 一般为指令值和预测值的累计误差) ， 选择目标函数最小的开关状态作为k + l 时刻的开关依据。尽管这种方法作为逆变器 p w m 的控制手段被提出来，但用于有源滤波器还是很少。 ( 4 ) 自适应控制：它的目标是使控制系统对参数的变化，以及对未建模的动态部分不 敏感。当过程动态变化时，自适应系统试图感受这一变化并实时地调节控制器的参数或 控制策略。自适应系统主要有模型参考自适应控制m r a c 和自校正控制s t r 系统两大 类。m r a c 主要在有源电力滤波器中用于谐波的检测和指令参考信号的修正，并取得了 良好的效果。目前，自适应控制在有源电力滤波器中的应用还处于初级阶段，但由于它 对过程参数的变化以及对未建模部分的动态过程不敏感、对动态过程变化的自适应性的 优点，必将越来越多地应用到有源电力滤波器研究中。 大连理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 滑模控制：又称变结构控制，其本质是一种开关型控制，它要求频繁、快速地切 换系统的控制状态。由于有源电力滤波器中有开关器件的存在，其本身就是一个变结构 的系统，所以引入滑模控制到有源电力滤波器控制中有其本质上的互通性，因此滑模控 制在确定有源电力滤波器的开关模式、改造闭环跟踪控制性能和提高系统的鲁棒性有较 好的应用，具有良好的瞬态响应。 ( 6 ) 无源性控制：该技术的研究主要集中在两个方面：利用无源性理论获得补偿 电流的指令信号，无源性控制能保证系统的稳定性，在负载未知的情况下，能够实现选 择谐波的完全补偿。利用无源性理论获得调制的占空比值为系统的控制信号。利用无 源性方法可以充分利用物理系统本身的结构特点，从“能量守衡这一全新的角度去解 决系统的鲁棒性和稳定性，能保证有源电力滤波器控制系统中的稳定性。 ( 7 ) 模糊控制：它主要包括模糊化、模糊推理、模糊判决和知识库四部分，其最大特 点是将专家经验和知识表示成语言控制规律，然后用这些规律去控制系统。模糊控制在 有源电力滤波器中主要用于电压跟踪控制和优化占空比上。对于有源电力滤波器这样非 线性系统而言，建立精确的数学模型十分困难又没有很好的解决问题的方法，采用模糊 控制能避开建立精确数学模型与复杂系统