（电力系统及其自动化专业论文）有源滤波器控制系统研究.pdf

ar e s e a r c ho nc o n t r o ls y s t e mo fa c t i v ep o w e rf i l t e r a b s t r a c t t h i sp a p e ra n a l y z e 8t h ep r o b l e m se x i s t i n gi nt h ep o w e r s y s t e m so f e l e c t r i f i e dr a i l w a ya n dd i s c u s s e sas o l u t i o n , w h i c hi san o v e lt r a c t i o n p o w e rs u p p l ys y s t e mb a s e do na c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) t h ea p f a d o p t st h ev o l t a g e - s o u r c e4 q sc o n v e r t e ra n dc a r tb eu s e dt o e l i m i n a t e h a r m o n i c c u l t o n t s ，b a l a n c e n e g a t i v ep h a s es e q u e n c e c u r r e n t sa n d c o m p e n s a t er e a c t i v ep o w e rp r o d u c e db ys i n g l e - p h a s et r a c t i o nl o a d s t h e d e s i g no f ad o u b l e - c p uc o n t r o ls y s t e mo fa p fi sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r t h ec o n t r o l s y s t e mi sm a i n l yc o m p o s e do fs i g n a ld e t e c t i n gu n i t ，a d c o n v e r s i o nm o d u l e ，s i g n a l p r o c e s s i n gu n i t , p w mg e n e r a t i o n u n i ta n d p o w e r d e v i c ed r i v ec i r c u i t s d s p ( t m s 3 2 0 c 3 x ) i st h eg o r eo ft h es y s t e m a n dt a k e so na l lt h er e a lt i m e s i g n a lp r o c e s s i n g , w h i l e 8 0 c 1 9 6 m c g e n e r a t e st h eo n - o f fs i g n a lf o rt h es w i t c h i n gd e v i c e so ft h ea p fm a i n c i r c u i t as u b s i d i a r y8 0 c 51b o a r di su s e dt o s u p e r v i s et h eo p e r a t i o no f t h ew h o l es y s t e m t h ep r o g r a m m i n go fs o f t w a r e ，w h i c hi n c l u d e st h e m a i np r o g r a m ，a di n t e r r u p ts e r v i c es u b r o u t i n e ，b o o tl o a d e rs u b r o u t i n e ， f f t s u b r o u t i n e ， c o m m u n i c a t i o ns u b r o u t i n e sb e t w e e nd s pa n d 8 0 c 1 9 6 m c ，8 0 c 5 1 ，i sd i s c u s s e dw i t hf l o wc h a r t s i nt h ee n d ，d i f f e r e n t c e n t r e is t r a t c g i e so fa p fa r ec o m p a r e da c c o r d i n gt os i m u l a t i o nr e s u l t s k e y w o r d s ：a c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) ，c o n t r o ls y s t e m ，h a r d w a r ed e s i g n ， d s p , p r o g r a m m i n g 北方交通大学硕士学位论文第1 页 1 概述 1 1 现有电气化铁路牵引供电系统存在的问题 交流电气化铁路供电系统主要采用单相工频制，如图1 1 所示。 电力系统的三相电源，经牵引变电所( s s ) 降压后，向牵引网及电 力机车提供单相电源。牵引变电所主要由牵引变压器构成，牵引变 压器可以采取不同的接线方式，如y 一1 t 接线、纯单相接线和v v 接线等。 图1 1 现有的铁路牵引供电系统 牵引网采用的单相供电方式与三相供电方式相比，具有成本低、 易于实施和维护的优点。但作为电力系统的一种单相大功率负载， 加之电力机车负荷的特殊性，现有电铁牵引供电系统不可避免地对 电力系统造成以下不良影响【1 、2 、3 、4 、5 】： 1 负序由于牵引变压器对电力机车的不对称供电方式，将在 电力系统中产生负序电流，引起电力系统的三相不平衡。即使采用 相序轮换技术，由于牵引负荷的数量、分布和运行工况等的随机性 都很大，仍会有相当一部分随机波动的、未被平衡的剩余负序电流 进入电力系统。 负序电流在电力系统中会造成一些不良影响：如使发电机转于 产生附加损耗，破坏转子的机械强度及因温升过高而影响励磁绕组 的绝缘强度；使发电机组产生振动并伴有噪声；使电动机损耗增加， 局部过热并降低电动机的出力和过载能力；负序电流占有系统设备 的容量。限制系统设备出力；使电网损耗增大；引起以负序分量为 启动元件的继电保护装置误动作，从而引发供电系统故障。 2 谐波现行电力机车多为交一直( a c d c ) 整流型机车，属 北方交通大学硕士学位论文 第2 页 非线性负荷。正常运行时，牵引电流的波形一般介于方波和三角波 之间，明显含有谐波成分。由于呈镜象对称，只含奇次谐波。牵引 负荷谐波具有幅值波动大、相位分布广的特点，并且可以直接通达 牵引变电所进入电力系统。 牵引负荷谐波在电力系统中的流通会额外占有系统及设备的容 量，引起附加损耗；在电机中引起高频脉动磁场并产生脉动转矩， 引起电机振动，降低电机的机械可靠度；使变压器噪声加大；若无 有效滤波手段，有可能引起测控装置( 如继电保护远动装置、计量 仪表等) 的不正常工作；加速绝缘介质老化，降低寿命；单相供电 系统的谐波直接在接触网与轨、地之间传输，谐波电流在周围空间 产生的磁场会在邻近通信线上耦合杂音干扰。 3 无功由于电力电子装置在机车上的广泛应用，牵引供电系 统的功率因数很低，无功含量很大。另外，由于列车在运行过程中 的加速、恒速、惰行、制动等各种工况以及运行中坡道、弯道、站 场、道岔、自然气候、司机操作过程等影响，使牵引负荷随机波动。 一般电力机车的取流很难保持3 0 秒平稳不变，有时还会在更短的时 问内突然由0 变到满负荷或者相反。 无功的存在和牵引负荷的波动性使牵引供变所及牵引网上的电 压发生波动，对接在系统中的用电设备带来不良影响，供电质量变 差。 4 功率大，分布广，对供电系统的影响严重。 电铁牵引供电系统产生的负序、谐波和无功分量除了严重影响 电网的电能质量外，对其自身也带来了很大的危害。首先，它降低 了牵引变压器的容量利用率，例如，一般牵引变压嚣的容量利用率 在2 0 左右，明显低于电力系统变压器的利用率，从而使设计阶段 的投资加大；其次，在运行中增大了变压器自身的损耗，尤其是铜 耗；第三，由于功率因数低于电力部门规定的标准t c o s 妒= 0 9 ) ，每 年都要为此支付大量罚款，蒙受很大的经济损失；第四，由于谐波 问题严重，已引起电力部门的高度重视，并制定了国标，所以谐波 问题的治理已迫在眉睫。第五。前面提到。牵引变压器可以采取不 同的接线方式。当牵引变压器采用y ，一1 l 接线，纯单相接线或v v 北方交通大学硕士学位论文第3 页 接线方式时，相邻牵引变电所所在原边需经过相序轮换来减轻负序 对电力系统的影响，从而存在电分相区。列车通过分相绝缘器时， 需减速运行，不利于列车的高速运行。 综上所述，有必要对于电铁牵引负荷产生的负序、谐波和无功 分量进行补偿，以减小对电网的不良影响，并提高牵引变电所的技 术经济指标。国内外对此都进行了大量的研究，并取得了一些成果。 如：牵引变电所采用相序轮换技术、牵引变压器采用三相一两相平 衡接线来解决负序问题，但因为牵引负荷的随机波动性，并不能真 正使三相平衡，仍有一定的剩余负序电流流入电力系统；采用无源 滤波装置滤除谐波，但只能滤除某次谐波，对其它次谐波则有可能 起放大作用，同时还要兼顾无功补偿和调压，使滤波效果大打折扣。 由于牵引供电系统的特殊性，目前采取的措施都只是针对其中的某 个环节、解决部分问题，因此效果都不够理想。 为综合解决现有供电系统存在的谐波、负序、无功及电分相区 等问题，文献【1 】提出了基于三单相平衡变换的新型铁路牵引供电 系统的解决方案。基本思路是将单相牵引负荷平衡地变换到电力系 统三相侧，对负荷中的谐波和无功进行补偿，而电力系统仅供给与 电源电压同相位的电流，使牵引供电系统成为电力系统的功率因数 为l 的、纯阻性的三相对称负载。 1 2 三单相平衡变换的新型铁路牵引供电系统 采用三单相平衡变换技术的牵引供电系统如图1 2 所示。 图1 2 三单相平衡变换的供电系统示意图 由图1 2 可以看出，电力系统三相电源通过三单相变换装置向 铁路牵引网单相供电，三单相变换装置( t d ) 具有如下功能【2 】： ( 1 ) 实现三单相平衡变换，最大程度降低负序影响：输入为电 北方交通大学硕士学位论文 第4 页 力系统三相电压，输出为单相；根据负荷电流的大小，实时调节电 源侧输入电流的大小，维持输入侧三相电流的相位和幅值平衡。 ( 2 ) 消除谐波：由变换装置补偿负载产生的谐波电流，使负载的 谐波电流分量不反映到三相电源侧。 ( 3 ) 补偿无功：提供负载所需的无功成分，提高牵引系统的功率 因数。在单相负荷或三相不平衡负荷的情况下，能够使电力系统仅 提供与电压同相位的平衡的三相正弦电流，使牵引系统的功率因数 为1 。 ( 4 ) 懈决电分相问题：三单相平衡变换的新型铁路供电系统采 用同相供电方式，即每个三单相变换装置t d 都输出同一相电压， 原边相位不再进行相序轮换。为了保持各个t d 调节的独立性，并 消除由于电力系统传输特性造成的相位差的影响，可对供电线路进 行分区。由于各区段电压相位大体相同，幅值也基本一样，牵引变 电所和分区亭处接触网中可以取消分相绝缘器，而代之以分段绝缘 器，从而电力机车可以不断电通过全区段，增强了系统对重载或高 速牵引的适应能力。 另外，由于三单相平衡变换的供电系统采用了同相供电方式， 运行方式也更加灵活，分区亭的断路器可断开实行单边供电，也可 以闭合实现双边乃至多边供电( 即贯通式供电) 。同时，由于全线变 电所结构相同，便于维护和管理。 三单相平衡变换装置t d 以四象限变流器为基础，由牵引变 压器和有源补偿装置构成，是整个系统的核心，相当于现有牵引变 电所的地位。其容量比现有牵引变电所要小，数量与分布可根据负 载情况灵活确定。 1 3 本文主要工作 本文分析了电气化铁路牵引负荷的特性，探讨了有源滤波器的 补偿理论，着重完成了下列工作： 1 有源滤波器控制系统的硬件电路设计； 2 有源滤波嚣控制算法的研究与实现； 3 有源滤波器控制系统的软件设计与调试； 4 有源滤波器控制方案的探讨及仿真结果对比分析。 北方交通大学硕士学位论文第5 页 有源滤波器补偿理论 2 1 有源滤波器的基本原理 有源滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电 子装置，它可克服无源滤波器在谐波抑制和无功补偿方面的缺点。 它能对变化的谐波以及变化的无功进行补偿，对补偿对象的变化有 极快的响应速度；可以同时对谐波和无功进行补偿，且补偿无功功 率的大小可以做到连续调节；即使补偿对象电流过大，有源滤波器 也不会发生过载，并且能正常发挥补偿作用；受电网阻抗的影响不 大，不容易和电网阻抗发生谐振；能跟踪电网频率的变化，补偿性 能不受电网频率变化的影响；既可以对一个谐波和无功源单独补偿， 也可以对多个谐波和无功源进行集中补偿f 6 】。 根据有源滤波器与补偿对象的连接方式不同，可以分为并联型 补偿和串联型补偿两种，实际应用中多采用并联型补偿，其原理接 线如图2 1 所示。这是一种向电网注入补偿电流。以抵消负荷所产生 的谐波电流的滤波装置，主电路由静态功率变流器( 四象限变流器) 构成，因此具有半导体功率变流器的高可控性和快速响应性。对于 有源滤波嚣，为了能与交流侧交换能量以达到补偿目的，四象限变 流嚣的直流侧必须具有储能元件，该储能元件可以是电容器，也可 以是电感器。 图2 1 有源滤波嚣补偿原理接线 在并联型补偿方式中，有源滤波器并联接在系统电源和负荷之 间，控制有源滤波嚣的输出电流f 。，电流i 。与负荷中所含的谐波电 流分量培( 即除有功电流以外的电流分量) 大小相等，相位相反， 北方交通大学硕士学位论文第6 页 即如= 一。f 。注入负荷电流i 。流过的线路中。由于所注入的补偿电 流刚好抵消了负荷电流中的谐波电流，从补偿嚣连接点开始，系统 电源侧仅提供基波分量( 5 0 h z ) 的正弦电流。 、 z l 、 图2 2 谐波电流的补偿原理示意图 ( a ) 负荷电流；( b ) 谐波电流分量；( c ) 有源滤波嚣产生的电流； ( d ) 补偿后电源侧电流 图2 2 是一个典型的补偿谐波电流的例子f 4 、7 】：设负荷电流矗 为如图2 2 ( a ) 所示的方波电流，其中所含的高次谐波分量为瑶( 如图 2 2 ( b ) 所示) 。如果有源滤波器产生一个如图2 2 ( c ) 所示的与图2 2 ( b ) 幅值相等、相位相反的电流f 。，则i c 与龟综合后，电源侧的电流f 。 就变成如图2 2 ( d ) 那样的正弦波。有源滤波器的功能就是根据供电线 路负荷电流中所含的谐波电流的频率及其大小和方向，来产生相应 频率、幅值相等且相位相反的电流并注入到电路中，与之相抵消， 北方交通大学硕士学位论文第7 页 从而使电网只需为负载提供与电网电压同频同相的理想电流。 2 2 有源滤波器构成 分析单相电网和三相电网负荷的能量传输情况可知：如果负荷 中的无功能量不与电网交换，即电网不给负荷提供无功能量缓冲的 地方，而让一个电感或电容来缓冲，则电网就只需给负载提供与电 网电压同频同相的理想电流，从而达到补偿和滤波的双重目的，这 就是有源补偿滤波理论的基本思想。 有源补偿滤波的基本原理决定了有源补偿器应该由电压电流信 号的实时检测单元、指令电流运算单元和产生p w m 脉冲的控制单元 及主电路构成。并联型有源滤波器的结构原理图如图2 3 所示【8 、9 】。 图2 3 有源滤波器的结构图 1 主电路构成 由于四象限变流器可以产生任意形状、任意相位的波形，因此 有源补偿器的主电路一般采用四象限变流器。根据变流器直流侧储 能元件的不同，可以分为电压型( 储能元件为电容) 和电流型( 储 能元件为电抗器) 两种。 电压型变流器的控制方法是：根据要求控制变流器输出相应的 电压，使之与电源电压在变流嚣输入端的电抗器上相互作用，得到 所需要的补偿电流。电压型变流器具有电路结构简单、对半导体器 件反向耐压要求不高、能量消耗小、控制易于实现等优点。但它存 在一个严重的缺点，即：由于直流侧为电容，一旦发生某个桥臂短 北方交通大学硕士学位论文第8 页 路，就会造成贯通短路，因此电压型补偿器的直流贯通短路保护是 一项关键技术。 电流型变流器则直接将直流电流调制成一个脉冲列。再通过交 流输出端上的电容滤波器相互作用而得到所需要的电流。其直流侧 电流应与最大补偿电流相匹配。由于电流型补偿器直流侧的储能元 件为电感，装置短路时，有限制故障电流急剧增加的作用，这是电 流型补偿器的优点。其缺点是：由于在装置中始终有一个与补偿电 流最大峰值相当的电流流通，使得储能元件本身的能耗较大。另外， 由于电流型变流器是对电流进行调制，需要设置滤波器。因此电压 型变流器t e 电流型变流器更适合作为补偿器的主电路。 2 电压电流信号检测单元： 为得到有源滤波器应输出的电流参考值，需对负载电压信号、 负载电流信号、有源滤波器输出电流信号和电源电压信号进行检测， 经a d 转换后送入指令电流运算单元。电压电流检测单元主要由 电压传感器、电流传感器、a d 转换模块及同步信号发生单元构成。 同步信号发生单元产生信号检测和触发脉冲输出的基准信号。 3 指令电流运算及p w m 脉冲产生单元： 本单元根据负荷电流、电源线电压及直流侧电压的检测值，计 算出电源侧应提供的参考电流值。根据基尔霍夫电流定律，将负荷 电流与电源参考电流相减，即可得到有源滤波器的输出电流参考值； 将其与有源滤波器的实际输出电流比较，产生p w m 脉冲，控制主电 路功率器件的通断，使主电路交流侧输出电压脉冲，由电感将其转 换为电流，跟随参考电流的变化，实现系统的目标。本单元主要由 微处理器及其外围设备实现。 2 3 电压型有源滤波嚣的一般控制方法1 5 、l o 】 1 9 8 3 年，日本长冈科技大学的h a k a g i 等人提出了瞬时无功补 偿理论，该理论为电流跟踪控制提供了一个抑制谐波电流的基本算 法。目前，电流跟踪控制法已成为电压型有源滤波器的典型控制方 法。 北方交通大学硕士学位论文 弟9 页 2 3 1 基本理论 根据瞬时功率相等的原则，将三相相电压”。、心和负载电流 f ”l 舭f “分别变换到a e 正交坐标系中 阱店 瞬时功率为 1 1 2 0 压 。 2 拿鲥_ l t a 2 2j l 。t c 2 忆f 拈 括8 l 2 j p t 。u 口x i k + u 8 x i 啦 为了将三相电流分解为有功分量和无功分量 称之为瞬时虚功功率 ( 2 。3 1 ) ( 2 3 2 ) ( 2 3 3 ) 引入一个数学量，并 g = “口“j 一一雄一。j 口 由式( 2 3 3 ) 和( 2 3 4 ) 可以得到 盼匕地 将，。分解为直流分量和交流分量两部分，即 p = 芦十 同样可得 吼= 巩+ 巩 由上述等式可以得到谐波抑制电流的参考值 ( 2 3 4 ) ( 2 3 5 ) ( 2 3 6 ) ( 2 ，3 7 ) 1j 1r。卫 。一：瓶： 一 旧 一 压怄 = ，j 缸 印 r_二一 北方交通大学硕士学位论文第l o 页 玎幽 ( 2 3 8 ) 式中，+ 。和q + 。的取值与有源滤波嚣的补偿目标有关。在仅抑制高 次谐波的系统中 p 2 一， q 2 - q z 在抑制谐波的同时又兼顾补偿无功的系统中 p 2 一， 譬+ = 一( 玩+ 虿) 考虑到有源滤波器的开关损耗 值为 阱 ( 2 3 9 ) ( 2 3 1 0 ) ( 2 3 1 1 ) ( 2 3 1 2 ) 有源滤波器应提供的补偿电流参考 “p 什+ 。j 卸 ( 2 3 1 3 ) 吲口jlq 。j 式中，a p 表示有源滤波器的开关损耗功率。 2 3 2 控制方法 由于有源滤波器输出的补偿电流应该实时跟随其参考电流信号 的变化，即要求有源滤波器有很好的实时性，因此电流控制多采用 电流跟踪型p w m 控制。目前电流跟踪控制主要有两种基本实现方 式，即瞬时值比较控制方式和三角波比较控制方式，其原理示意图 分别如图2 4 、2 5 所示。 、。l。lkjii。r厂。石了后丁 ll一2l一2 一u二二 压恬 0 6 了压了 1 2 一u旧一 压怄 北方交通大学硕士学位论文第1 】页 图2 4 瞬时值比较控制方式( 加边带控制) 图2 5 三角波比较控制方式 1 瞬时值比较控制方式 在瞬时值比较控制方式中，将补偿电流的参考信号f ：与实际的补 偿电流信号t 相比较，根据两者的偏差信号之产生p w m 信号，该 信号通过驱动电路控制主电路开关器件的通断，从而控制补偿电流 跟随参考电流的变化。 2 。三焦波比较控制方式 这种方式将实际补偿电流与参考电流j ：的偏差信号f c 经放大器 放大后与三角波进行比较，得到脉冲宽度调制( p w m ) 信号。其特 点是器件开关频率固定，并且可以预先确定主电路各开关器件的开 关频率，输出电压中所含谐波较少，调整方便，但跟随误差较大， 电流响应速度比瞬时值比较方式慢。 北方交通大学硕士学位论文第1 2 受 3 三单相平衡变换的新型铁路牵引供电系统 3 1 三单相系统之间的功率关系 在讨论参考输出电流的计算方法之前，有必要先分析一下三 单相供电系统之间的功率关系。电力系统三相电源通过三相变压器 给单相负荷l 供电，设牵引变电所内的三相变压器为y a 1 1 接线， 图3 1 为单相供电系统的示意图。假定电网电压为对称平衡的理想正 弦波形。设三相变压器的输出电压为 1 2 0 ) 2 4 0 ) 负载电流为 ：主妇。s i n ( n 倒吨) ( 3 1 1 ) ( 3 1 2 ) 式中，。为负荷电流中n 次谐波电流的有效值；吼为1 1 次谐波电流的 初相角；为电源基波角频率；u 三相电源线电压有效值。 c 图3 1 单相供电系统示意图 单相负载上的瞬时功率为 北方交通大学硕士学位论文第】3 页 p ( f ) = “。6 i 。= 2 u 。献鳓蛳撑耐一吼) n = l 蝴 = u 。 e o s ( n 1 ) 积一见卜o o s ( n + 1 ) d a 一】 n = 1 = u 1c o s g ，l 一讲1c o s ( 2 0 x 一觋) + u 1 c o s ( n 一1 茸一办卜c o s ( n + l k , 膏一妒。】 n f f i 2 = 芦( f ) + 歹( f ) + 虿( f ) = p ( f ) + f ( t ) ( 3 1 3 ) 其中p ( o = u , c 嘴砚一玎lv , o s ( 2 a x 一仍) = 芦( f ) 十o ) ，为负载的瞬时有功 功率，它是电流i ：= _ ，、e o s 魏s i n o x 与电网电压u a b ( f ) = 互u s i i i 甜相作 用的结果；歹( f ) = u l ic o s t , ，为瞬时有功功率p ( f ) 在一个周期内的平 均值，即为单相负载的有功功率；而歹o ) = 一o o s ( 2 0 x 一仍) 为瞬时有 功功率的脉动分量，它在一个周期内的平均值为零；负荷中的各次 谐波电流与基波电压相作用得到的功率 彳( f ) = u 。 c o s ( n - 1 ) o ) t - , p ) 一c o s ( n + 1 ) a l t - 死) 为脉动量，在一个周 月= 2 期内的平均值也为零。 若将上述单相负荷看作是三相电力系统的负载， 统提供给负载的瞬时功率表达式为【1 、2 】 ，( f ) = i o ( t ) “曲( f ) + 毛( f ) “k ( f ) + o ) “翻( f ) 则三相供电系 f 3 i 4 ) 北方交通大学硕士学位论文第1 4 页 其中 ( ) 2 弘) 2 ；荟2 l 衄n o ) - ) ( f ) = 一i l ( f ) = 一：扫。划露“一) ( 3 1 5 ) ( f ) - 一；7 。( f ) _ 一；西。划矗耐一) jj n = l 流分量的相量形式为j 。，设艺、艺和圪分别为a 相基波电流及各 次谐波电流，。o 1 ) 的正序、负序和零序分量；j 二、乇、恐分别为 b 相基波电流及各次谐波电流j 抽伽1 ) 的正序、负序和零序分量； 艺、艺和l o 分别为c 相基波及各次谐波电流，。0 1 ) 的正序、负序 阱f | ( 渊= 恸附圈 1 11 1 比l 2 般蚓 3 1 6 式中口= ”= 一丢+ ，了v i ，0 1 2 = e , 2 a 0 = 一i 1 一，譬，于是有 阱；吲 北方交通大学硕士学位论文第1 5 页 牛滋：牛p l - j a n + 口簪卟” ， i ，。= 彳二+ a2 ，二 ，。= j 。= 圪+ 乞 h z lh#l，hl ，。= 屯= 乇+ 乞 n z im * l”- 1 j 。= ，。= 艺+ 幺 所以三相电流瞬时值表达式又可以写作 ( 3 1 1 0 ) k ( f ) = 2 j a + n 蛳月饼一藏) + 甜二s i n ( n a x 一织) ( f ) = 艺_ ，二蛳一耐一孵一争+ 艺d 二，s 觚疗删一簖+ 等) ( 3 1 1 1 ) f ( f ) ：艺扭二龇以耐一虻一竽) + 芝扫二龇一耐一嫉+ i 4 7 1 ) 【n = 1 j 月；1 j 则三相系统提供给负荷的瞬时功率又可写为 加) = 茎2 w 二【咖删蛳丹耐一+ 龇耐一争蛳乔耐一戎一等) + s 坂一争s i n ( n t o t - 9 ：一争】 北方交埔丈学硕士学位论文第1 6 页 + 霎2 明二，【咖积s 呶珂穰一衍) + 蛳耐一了2 7 ) 8 m ( 一“一织+ 警) + s i n ( c 讲一譬) s j l l ( 删一氟+ 警) 1 jj + = 3 u l o 二o o s ( n 一1 ) 耐一靠卜3 u l 二o o s ( n + 1 ) 耐一织】 n = 1肛1 = 3 u ：, c o s 衍一3 u i ：1c 0 2 耐 幡 一3 o o s ( n + l 一赈】 n = 2 = p ；( f ) + p ；( f ) + 磊( f ) + 也 衍) + 如二e o s ( n - 1 ) 刎以】 n = 2 f 3 1 1 2 ) 其中力( f ) = 3 ：o o s 疗为三相系统负载的正序有功功率，它是电流 ，= 以i ：瞄识s i n 乇= 压，j c 。s 订咖耐一孚) c = d ? c o s 衍豳( 耐一了4 7 f ) f 3 i 1 3 ) 与正弦电网电压作用的结果；万( f ) = 一3 明二o o s ( 2 c o t 一酊) 为三相基波 负序电流与正弦电网电压相作用得到的基波负序功率，其瞬时值不 为零，而是以电网频率的2 倍脉动，但在一周期内的平均值为零； 栅 荔( f ) = 3 己玎二o o s ( n 一1 ) c o t 一簖卜3 u g , o o s ( n + 1 ) c a 一氟】为正序谐渡 h = 2肛2 电流、负序谐波电流分别与正弦电网电压相作用得到的功率之和。 考虑到式( 3 1 8 ) ，比较式( 3 1 3 ) 与式( 3 1 1 2 ) 可知：三相系统负载 的正序有功功率、负序基波功率和谐波功率分别与单相负载的有功 功率、瞬时有功功率的脉动分量和谐波功率相对应。对于三单相 平衡供电系统，为了使电源只提供负载所需的正序有功功率，有源 滤波器应同时提供负载所需的正序无功功率、基波负序功率和谐波 北方交通大学硕士学位论文第1 7 页 功率，即有源滤波器应输出除基波正序有功电流分量以外的所有电 流。 3 2 三单相平街变挟的供电系统总体构成 采用三单相平衡变换技术的供电系统结构框图如图3 2 所示。 萎 图3 2 三单相平衡变换的供电系统结构框图 从上图可以看出：有源滤波器与牵引变压器的输出端相并联。 三相牵引变压器二次侧输出的三相电压分为两路：一路仅用两相( 设 为a 、b 相) 给电铁牵引网供电( a 相接牵引网接触线。b 相接钢轨) ； 另一路与有源滤波器的主电路相连。指令电流运算与p w m 脉冲控制 单元由微处理器( d s p 和8 0 c 1 9 6 m c ) 构成，通过触发与保护电路 对四象限变流器进行控制。 有源滤波器的控制目标是将电气化铁路单相牵引负荷平衡地变 换到三相电源侧，补偿牵引负荷的谐波和无功成分( 无功成分包括 正序无功、负序功率) ，使系统电源侧仅提供负荷所需要的有功电流， 达到功率因数为1 的要求。 系统的工作过程为：通过电压和电流检测单元检测出电源线电 压”。计。负载电流i 。及四象限变流器的直流侧电容电压“。可 以计算出三相变压器二次侧应提供的理想电流值k ，r 。，这 是一组三相对称、与电源电压相位一致的电流信号。即为参考电流。 北方变通大学硕士学位论文第1 8 页 由负载电流k i 。o r 和电源参考电流k ，ko ，r 。可以求出四 象限变流器应输出的参考电流k ，o r ，将变流器实际输出的 电流与参考值进行比较，根据一定的控制规则，产生p w l v l 脉冲，控 制主电路各开关器件的导通与关断，使四象限变流器的实际输出电 流kk r 跟随参考值k ，o 屯，】r 变化，从而实现控制目标。 3 3 四象限变流器的结构 三单相系统中采用电容作为变流器直流侧储能元件，即采用电 压型变流嚣。四象限变流器的结构如图3 3 所示【2 】。 图3 3 电压型四象限变流器结构框图 由图中可以看出，由于现有电力电子器件的耐压限制，采用降 压变压器将电源电压降到l k v 左右。圈中，k 到坎( i g b t ) 构成三 相桥式电路，c 。是直流侧支撑电容，己，和c ，构成二次谐波回路。 3 4 有源滤波器参考电漉的计算方法 在三单相平衡变换的供电系统中，三相电源仅提供单相负荷所 需的有功电流和系统损耗，而由有源滤波器提供负荷所需的除正序 有功电流以外的所有电流，所以首先必须检测出负荷电流t l ( 0 ，并 北方交通大学硕士学位论文第1 9 页 计算出所需有功电流，二者之差即为有源滤波器应输出的参考电流。 具体算法如下： 设负荷电流为f 。( f ) ，且负荷所需的有功功率r 仅由三相电源通 过三相变压器提供。设y ，_ 一1 1 变压器的输出电压为理想的三相对 称正弦波形 “( f ) = 菇s i n 耐 ( f ) = 扫龇埘一等) ( 3 4 1 ) 啪) = v s u s i n ( 积一等) 则负荷消耗的有功功率为 吃= j o r u , , ( 0 j ；( f ) a t ( 3 4 ，2 ) 因为三相电源仅提供负荷所需的有功电流，且功率因数为l ，电源电 流与电源电压具有相同的相位。设电源侧提供的参考相电流和线电 流( y 一l l 变压器次边) 分别为 l a r ( f ) ；x 2 1 s i n ( c o t ) 删= 扫龇耐一了2 7 r ) j c ，( f ) = x 2 1 s i n ( c o t 一等) ( 3 4 3 ) o ( f ) ：压西蛳“一了7 ) o ，( f ) ：压哥s i n ( o x 一孥) t 3 4 4 ) o “归压妇叫耐一萼) 式中，j 为三相电源相电流有效值。电源提供的负荷有功功率为 p = “( r y 。，( f ) 十“k o ) i b ，( f ) + “。( f ) f c ，( t ) ：3 u ! + 2 u l c o s 2 硝+ o o s ( 2 c o t 一等) 十c o s ( 2 c o t 一警) 】 jj = 3 u i 北方变通大学硕士学位论文 第2 0 _ 甍 则有 3 u i = 只= r 嘣桫觯) d r ，= l (345)3u 、。， 将上式带入到线电流的表达式中，可以求出电源侧需提供的线 电流屯，( f ) 、，( f ) 、，( f ) 为 。) = 压以务蛳埘一= 压去喇耐一 r ( f ) = 压石舅蛳似一争= 靠南豳( 甜一詈) ( 3 - 4 6 ) 。( r ) = 压石舅蛳耐一孚) = 拒去酬刎一莩) 若将三相变压器次边电压做一y 等效变换，则星按时的相电压表达 式为 铲压告s i l i ( 积一- ”g ) = 压等s i i i ( 积一詈) ( 3 4 7 ) = 压万u 斌“一萼) 则电源侧线电流表达式又可以写作 。( f ) = 压去咄缸一詈) = 压皂u 华4 3 献甜一吐气 如( d = 压南龇积一- h g - ) = 以鲁箦蛳积一等) = 龟+ ( 3 j 4 8 ) “f ) - 压去蛳研一荨) = 压争等蛳积一荨) = 颤 式中，u 为线电压有效值，向2 笋 ( 3 _ 4 9 p 则由图3 3 及k c l 定律可知，降压变压器一次侧线电流应为 北方交通大学硬士学位论文第2 l 页 f f 。( f ) = f m ( f ) 一i l ( f ) k ( f ) = 岛，( f ) + i 。( f ) ( 3 4 1 0 ) 【o ( f ) = 屯，( f ) 前面在计算孙偿嚣的输出电流参考值时，曾假定电源电压为三 相正弦对称的理想波形。但是在实际中，电网电压波形由于不同的 原因会有一定的畸变，而且这种畸变在一定限度内允许存在。根据 文献【1 4 】的测量结果，电网电压的总谐波畸变率平均已达到2 9 6 , - , 3 ， 在波形畸变严重的时间段。其值更高。因此有必要对电网电压进行 傅立叶分析。提取出基波成分，以减小波形畸变对检测方法及算法 精度的影响。 3 s 直流侧电压的闭环控制 由前面的分析可知，补偿电流的发生电路是并联型有源滤波嚣 的主要组成部分。补偿电流的发生电路由电压型四象限变流器及其 相应的驱动电路和电流跟踪控制电路组成，变流器工作时，其能量 损耗会引起直流侧电容电压的降低，但为了保证其有良好的补偿电 流跟随性能，必须将变流器直流侧电容的电压控制为一个合适的值。 对直流侧电压进行控制的传统方法是，为直流侧的电容再提供 一个单独的直流电源，一般是通过一个二极管整流电路来实现的。 这种方法虽然能够达到控制直流侧电压的目的，但需要另设一套电 路，增加了整个系统的复杂程度，从而增加了系统的成本、损耗等。 在本系统中，对直流侧电压的闭环控制是与补偿电流的闭环控制相 结合实现的，没有采用传统的控制方法，如图3 4 所示。除需对负载 电流、有源滤波器输出电流以及电源电压进行检测外，还必须检测 直流侧电容电压，引入直流侧电压的闭环控制。 北寿变通大学硕士学位论文第2 2 页 k 耻6 。 图3 4 控制系统闭环框图 图3 4 中，u w 为直流侧电压u 。的给定值，【，d = 为直流侧电压的 反馈值，将两者进行比较，并计算出相应的电流调节信号瓯，叠加 到电源侧三相指令电流【f 。，f 。，0 1 r 之上，经运算在有源滤波器总 的参考电流信号k ，f 二，0 r 中包含有一定的基波有功电流，有源 滤渡器根据 二，l d + , r0 r 产生补偿电流f c 注入电网，从而使有源滤 波器的直流侧和交流侧交换能量。将直流侧电压u 。调节至给定值。 当达到稳态时，u d = u 州，得到的调节信号= 0 ；当u d 0 ，电源侧提供的电流增加，有源滤波器 从电源侧得到能量，持续向其直流侧传递，使玑上升；当u 。 ，w 时，希望u 。下降，则需减小电源侧电流，郎瓯 o 。直流侧电容上 能量减少，u 。下降。其中调节信号0 的计算是关键。调节信号加。 的计算方法如下； 根据能量守街定律，对直流侧电压以周期平均值的增减控制， 可以通过增加或减少有源滤波器输入侧的有功电流来实现。设有源 北方交通大学硕士学位论文第2 3 页 滤波器输入侧调节电流的参考方向与补偿电流的参考方向一致，假 定直流侧电容电压的参考值为u 村，反馈值为u 。，则若要使电容电 压等于参考值，则需给电容提供的能量( 当u , t u 村时) 为 形= ；c u b j l c u ；= i c w 。2 一一【，：) ( 3 5 。1 ) 此功率应由电源侧提供，设y a 一1 1 牵引变压器的输出电压如前面 所示，其线电压的有效值为u 。则补偿器输入端的调节电流应与负 载的有功电流具有相同的相位和波形，即与牵引变压器次边线电流 相位一致。设调节电流的有效值为越， , f - a v 。= = 寻( 一田) 即a c 。赢( 嗡川；) ( 3 5 。2 ) 则补偿器输入端的参考调节电流应为 出。r = 压挝c s i n ( c a 一马 o k = 西cs i n ( c a 一警)( 3 5 3 ) o 。= , - 2 ，。s i n ( c a 一争 将调节电流阻。o & 。】r 与电流闭环中得到的补偿电流的 参考值k ，oo r 相叠加，即可得到总的参考电流值 i o ( f ) = o ( f ) 一i 。( f ) + f 。 o 【f ) = l + b l r o ) + i ( 0 + 垃h( 3 5 4 ) l o ( f ) = f d ，( f ) + & 。 l 计算出有源滤波器应输出的总参考电流信号后，根据检测到的 实际补偿电流与总参考电流之间的差异，可以得到控制主电路各个 北方交通大学硕士学位论文第2 4 页 开关器件通断的p w m 信号，控制的结果应保证有源滤波器的输出电 流跟踪总参考电流的变化。 3 6 电压型四象限变流器开关指令的产生 根据式( 3 5 4 ) 及降压变压器的变比，即可以求出有源滤波器 应输出的参考电流蠢、1 t r 、岛。当变流器的输出电流为、式、 时，点x ，y ，z 的电压 甜。o ) = ( f ) 一f r ( f ) r _ 【- l d i 优r ( t ) “，( f ) = 杯s ( f ) 一f 。l - l d i 讲s ( t ) ( 3 6 1 ) “：( f ) ：，( f ) 一( f ) r 一ld i r - - - ( t ) a r l 式中r 。、l 分别为滤波电感l 的电阻和电感值。 p w m 控制器产生频率为矗、峰峰值为的双极性三角波“。， 将h 。，”，”：分别与u 。比较，p w m 脉冲的产生规则为： 如果h ； ”，则v ，导通v 4 关断；否则v i 关断v 4 导通7 如果“， “。，则v 。导通v 。关断；否则v 。关断v 。导通5 如果“。 扯，则vs 导通v2 关断；否则v5 关断v2 导通。 北方交酒大学硕士学位论文第2 5 页 4 有源滤波器控制系统硬件电路的设计 在基于有源滤波器的三单相平衡变换的供电系统中，有源滤 波器的控制系统主要实现以下功能： ( 1 ) 采集系统中的相关电压、电流数据并做相应处理； ( 2 ) 计算出有源滤波器应输出的参考电流，与滤波器的实际电流 进行比较，并根据比较结果给出四象限变流器中各功率器件的通断 信号，使有源滤波器的实际输出电流跟随参考电流的变化，实现补 偿负荷中谐波、负序和无功成分的目的； ( 3 ) 通过对四象限变流器直漉侧电容电压的检测，实现对直流侧 电压的闭环控制，从而调节直流侧电压为给定值，使补偿器直流侧 和交流侧交换能量； ( 4 ) 对有源滤波器的主电路进行一定的软硬件保护：如死区保护、 直流侧电压的过压保护等，提高系统的工作可靠性。 4 1 控制系统的硬件总体构成 在三单相平衡变换的供电系统中，由于要对负载电流、电源电 压等多路采样数据进行大量复杂的实时运算，再加上较为复杂的控 制功能，对控制系统的信号处理速度以及整个系统的动态性能都有 较高的要求。若采用模拟电路来实现，则必然线路复杂、调试困难； 并且由于模拟电路本身的原因，也很难保证计算精度。采用数字电 路实现时，可以保证较高的计算精度，尤其是采用单片机控制时， 调试和改变控制参数或控制方法都非常方便。但8 0 c 5 1 及9 6 系列等 普逶单片机难以胜任如此大量的实时计算和控制要求，必须采用专 用的数字信号处理芯片。本系统的核心采用t i 公司的t m s 3 2 0 c 3 x 系列浮点型d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s i n g ) 高速计算型单片机，而 采用8 0 c 1 9 6 m c 芯片做一些对实时性要求不强的工作，并对主电路 进行定的保护。 图4 1 为三单相平衡变换的供电系统的控制系统硬件结构框 图。由图中可以看出，控制系统的硬件由以下几部分组成： ( 1 ) 控制系统的核心 北方交通大学硕士学位论文第2 6 页 ( 2 ) p w m 脉冲产生单元 ( 3 ) 电压电流信号检测单元 ( 4 ) a d 转换模块 ( 5 ) 实时波形显示单元 ( 6 ) 程序和数据存储单元 在后面几节中将分别介绍控制系统的核心、p w m 脉冲产生单 元、电压电流检测单元、a d 转换模块及波形显示单元。 图4 1 控制系统的硬件结构框图 4 2 控制系统核心 4 ，2 1d s p 芯片简介 t m s 3 2 0 c 3 x 数字信号处理器( d s p ) 是t m 5 3 2 0 族单片数字信 号处理嚣中的一种商性能c m o s 3 2 位器件，其强大的指令系统、高 速数据处理能力及创新的结构已使其成为工业标准及理想的d s p 应 用器件。作为3 2 位浮点型数字信号处理芯片，t m s 3 2 0 c 3 1 具有如 下的特点： ( 1 ) 具有超高速的数字信号处理能力：每秒钟能完成3 3 0