（电气工程专业论文）基于混合有源滤波器的电力牵引系统电能质量改善方法研究.pdf

中文摘要 摘要 近年寒，由于电力机车牵引以功率大、过载熊力强、运蓠费用低、便予实现 鑫动像、不污染环凌等爨熹悉备受毒辣，麸瑟被越来越广泛圭| 羹逡蔫弱瑷谴铁鼹运 输中。我蹦普遍采用的鼹交- 直流型电力机车，采用多段全波或桥式整流型能量变 换方式，其产生的谐波电流、基波负序和无功电流对电力系统的电能污染较严重。 毫气豫铁逶牵孕| 受芬是大宗瓣工受爝邀邦门，嚣鼹它是鬯力系绶重要豹电黪污染 源。电力系统电能质爨的下降，使得系统中的输、配、嗣电设备过热、产鸯振动 和噪声，并使电气设备的绝缘老化，严重时会损坏电气设备。对电气化铁道牵引 供电系统的怠能质量进行改善，对撼离整个电力系绞的电能震撼具有十分黧要的 意义。 改善电能质量的方法主要有无源电力滤波、有源电力滤波以及混合有源电力 滤波技术。与无源电力滤波技术相比，有源电力滤波技术具有受电网阻抗影响小、 能够动态鼹踪、综台馨傣毫裁矮量等毯煮，在浚壤供逛系统毫麓污染方嚣发箨圭 导作用。但是，电力机车是大功率单相整流负荷，而有源电力滤波器的成本与容 量成正比，单独采用有源电力滤波器改善电力机车牵引供电系统的屯能质量不经 济。因诧本文提出一秸麓子混合有源电力滤波爨的毫能臻量 偿系统，利弼无源 补偿装嚣豹低成本，易予提供大容羹的无功和请波补偿电流的特点这虱台瑷减小 有源电力滤波器的容量，并充分发挥有源电力滤波器的动态、跟踪补偿功能，使 得既节省了投资，又能遮到较好的补偿效果的目的。 准确、实时建裣溅滋毫力系统审瓣惫交馥豹骧嶷毫滚，是滋台毒滚毫力滤波 器动态、躐踪补偿电力系统电能质量的关键。本文在分析三相瞬时无功功率检测 理论的基础上，提出了通过单相电路参数构造等效的两相系统，从而将三相瞬时 无功率检测理论瘟用于纂掬静电力极车牵弓 供电系统，实融、漆确建硷测爨系统 的畸变电流，为混合育深电力滤波器提供指令电滚信号。自予瓣对无功功率捡溺 法用到较移的乘法器，运算速度成为制约实时、准确地检测畸变电流的关键因素， 因此本文采用数字信号处l 里嚣( d i g i t a ts i g n a lp r o c e s s o r , d s p ) 来提商控制系统数攒 楚瑾与运雾速度，鼠露撬蔫混合鸯深惫力滤波器改善牵孳| 貘毫系统电能震鬣的凌 能。 关键词：毫气毽铁遵，零萼l 供毫系统，邀力辊车，逛旋矮量，嚣源电力滤波爨， 有源电力滤波器，混合有源奄力滤波器，瞬时功率理论，数字信号处瓒 英文摘要 a b s t r a c 罩 i nr e c e n ty e a r s , e l e c t r i cl o c o m o t i v e sa r em o r ea n dm o r ee m p l o y e di nm o d e m r a i l w a y , f o re l e c t r i cl o c o m o t i v e sh a v es u c hm e r i t sa sh a v i n gl a r g et r a c t i v ep o w e r , l a r g e o v e r l o a dc a p a c i t y , l o wm r m i n gc o s t o p e r a t i n gc o s t ，p u r i n gi n t oe f f e c ta u t o m a t i o n e a s i l ya n dp r o d u c i n gn oe n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o nd a m a g e i no u rc o u n t r y , w eu s u a l l y e m p l o yt h ea cc o n v e n i n gd ce l e c t r i cl o c o m o t i v e sw h o s ec o n v e r t e r sa r es t e pw i n d i n g f u l l - w a v eo rb r i d g er e c t i f i e r sw h i c he o n v e f tt h ea ce n e r g yt ot h ed c e n e r g yt od r i v et h e d cp u l l i n gm o t o ri nt h ee l e c t r i cl o c o m o t i v e ，a n dt h es t e pw i n d i n gf u l l w a v eo rb r i d g e r e c t i f i e r sw i l lp r o d u c er e l a t i v el a r g eh a r m o n i cc u r r e n t ，f u n d a m e n t a lw a v en e g a t i v e - s e q u e n c ec u r r e n ta n dr e a c t i v ec u r r e n tw h i c hs e v e r e l yp o l l u t et h ep o w e rs u p p l ys y s t e m 。 e l e c t r i f i e dr a i l w a y st r a c t i o nl o a di su s u a l l yt h eb i gc o n s u m e rf o rt h ee l e c t r i cp o w e r s y s t e m ，s oe l e c t r i f i e dr a i l w a y st r a c t i o nl o a di st h em a i np o w e rq u a l i t yp o l l u t i o ns o u r c e t h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e m st r a n s m i s s i o nn e t w o r k t r a n s m i s s i o ne q u i p m e n t s ， d i s t r i b u t i o ne q u i p m e n t sa n dp o w e re q u i p m e n t sw i l lc o m et o s u p e r h e a t ，p r o d u c e v i b r a t i o na n dw o r s e nt h ei n s u l a t o ro ft h ee q u i p m e n t sw h e nt h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e m s p o w e rq u a l i t yi sd e t e r i o r a t i v e ，w h a t sm o r ei tw i l lm a k et h ee q u i p m e n t ss p o i l e di ft h e p o w e rq u a l i t yd e t e r i o r a t et os o m ee x t e n d t h e r e f o r e ，i no r d e rt oi m p r o v et h ew h o l e p o w e rs u p p l ys y s t e mi no u rc o u n t r y , t oi m p r o v et h ep o w e rq u a l i t yo f t h et r a c t i o np o w e r s u p p l ys y s t e mi sv e r yv i t a l t h e r e8 糟t t w e et e c h n o l o g i e st oi m p r o v et h ep o w e rq u a l i t yo ft h ep o w e rs u p p l y s y s t e m ，w h i c ha r et h ep a s s i v ep o w e rf i l t e r , t h ea c t i v ep o w e rf i l t e ra n dt h eh y b r i da c t i v e p o w e rf i l t e rt e c h n i q u e c o m p a r i n gw i t ht h ep a s s i v ep o w e rf i l t e rt e c h n i q u e ，t h ea c t i v e p o w e rf i l t e rt e c h n i q u eh a ss u c hm e r i t sa si tl i t t l eb ea f f e c t e db yt h ei m p e d a n c eo ft h e p o w e rs u p p l y s y s t e mt r a n s m i s s i o nn e t w o r k ，a n di ta l s oc a l ld y n a m i c a l l yt r a c ka n d s y n t h e t i c a l l yc o m p e n s a t et h ep o w e rq u a l i t yo ft h ep o w e rs u p p l ys y s t e m h e n c e ，t h e a c t i v ep o w e rf i l t e rt e c h n i q u ei st h em a i nt e c h n i q h et oi m p r o v et h ep o w e rq u a l i t yo ft h e p o w e rs u p p l ys y s t e m 。t oe m p l o yt h ea c t i v ep o w e rf i l t e rs o l e l yt oi m p m v et h ep o w e r q u a l i t yo ft h et r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mi sn o te c o n o m i c a lb e c a u s ei tn e e d s c o r r e s p o n d i n gl a r g ep o w e ra c t i v ep o w e rf i l t e r t oi m p r o v et h 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 u p p l ys y s t e m ，f o rt h et r a c t i o nl o c o m o t i v e sg e n e r a l l ya r ev e r yl a r g e p o w e rr e c t i f i e rl o a d s , a n dt h e ya r et h em a i nl o a d so ft h et r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m ， a n dt h ei n v e s to ft h ep o w e rf i l t e rd i r e c t l yp r o p o r t i o n sw i t ht h ea c t i v ep o w e rf i l t e r s l l 重庆大学硕士学位论文 p o w e r t h e r e f o r e ，ah y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e ri ss t u d i e dw h i c hi st ot a k ea d v a n t a g e so f t h ep a s s i v ec o m p e n s a t i n gu n i t s m e r i t s ，t h o s ea r el o wi n v e s t ，c a l li m p r o v el a r g er e a c t i v e c u r r e n t ，h a r m o n i cc u r r e n ta n df u n d a m e n t a ln e g a t i v e s e q u e n c ec u r r e n t ，a n di ta l s oc a n t a k ea d v a n t a g eo ft h ea c t i v ep o w e rf i l t e r sm e r i t s ，t h o s ea r ed y n a m i c a l l yt r a c k i n ga n d s y n t h e t i c a l l yc o m p e n s a t i n gt h ep o w e rq u a i l t yo ft h ep o w e rs u p p l ys y s t e m h e n c e ，t h i s k i n do fh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e rc a nn o to n l yw e l li m p r o v et h ep o w e rq u a l i t yo ft h e p o w e rs u p p l y s y s t e ma n da l s or e d u c ei n v e s t m e n to u t l a y t oi n a k et h eh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e rd y n a m i c a l l yt r a c ka n ds y n t h e t i c a l l y c o m p e n s a t et h ep o w e rq u a l i t yo ft h ep o w e rs u p p l ys y s t e mw e l l ，t h ed e t e c t i o nm o d e w h i c hc a nd e t e c tt h ed i s t o r t i o nc u r r e n t so ft h ep o w e rs u p p l ys y s t e mr e a l t i m ea n d a c c u r a t e l yi sv e r yv i t a l i nt h i st h e s i s ，am e t h o dt h a ts t r u c t u r et w op h a s ee q u i v a l e n c e p o w e rs y s t e mf r o mt h es i n g l ep h a s ep o w e rs y s t e mi ss t u d i e d ，a n di tm a k et h et h r e e i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r yc a nb eu s e dc o r r e c t l yi nt h es i n g l ep h a s et r a c t i o n p o w e rs u p p l ys y s t e mt od e t e c tt h ed i s t o r t i o nc u r r e n t sr e a l t i m ea n da c c u r a t e l yi nt h i s s y s t e m ，a n dt oo f f e rt h ec u r r e n tc o m m a n ds i g n a lt ot h eh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r t h e s i g n a la n dd a t ao p e r a t i o n a ls p e e do ft h ec o n t r o ls y s t e mi s t h ek e yt or e a l t i m ea n d a c c u r a t e l yd e t e c tt h ed i s t o r t e dc u r r e n t so ft h ep o w e rs u p p l ys y s t e mf o rt h ea p p l i c a t i o n t h et h r e ep h a s ei n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r ym u s te m p l o ym a n ym u i r i p l i e r s t h e r e f o r e ，i no r d e rt oi m p r o v et h eo p e r a t i o n a ls p e e do f t h ec o n t r o ls y s t e m ，a n di m p r o v e t h ed e t e c t i n gt h ed i s t o r t e dc u r r e n t so ft h ep o w e rs u p p l y s y s t e m ，t h ed i g i t a ls i g n a l p r o c e s s o r ( d s p ) i se m p l o y e di nt h eh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r sc o n t r o ls y s t e mw h i c h c a ni m p r o v et h ef u n c t i o n so f t h eh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e ro b s e r v a b l y k e y w o r d s ：e l e c t r i f i e dr a i l w a y , t r a c t i o np o w e r s u p p l ys y s t e m ，t r a c t i o nl o c o m o t i v e ， p o w e rq u a l i t y ，p a s s i v ep o w e rf i l t e r ，a c t i v ep o w e rf i l t e r , h y b r i da c t i v e p o w e rf i l t e r , i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y , d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r i v 1 绪论 l绪论 1 1 研究的目的和意义 电熊撵为蕊找社会巾使翅最为广泛的能源，葜应翅程凄楚衡量一个国家发展 水平酌重簧标志之一。近年来，随麓我国电力事渡的迅猛发餍，电力系统斡麓模 日益扩大，电能紧缺的问题已逐步解决，但与此同时，有关电能质量的问蹶已逐 渐成为急霈给予解决的实际闽题。 毫予滚力技零、大凌率可控整滚鼓零在毫力系统孛夔应舔，汉及电薮、鞋 钢机、电力牵引机车的广泛使用，程带束技术经济上一系列效菔的同时，也使电 网电能质缀r 益恶化。电网中存在电压波动与闪激，同时电网中的谐波电流、基 波受彦电滚、基波无功魄流“污染”强盏严重，弓| 起毫网中电气设备寿俞绥短， 网络损耗潮大，增加了魄网发生谐振豹可能往，使电力系统中的继电保护鞠自动 装置不能派常动作，导致仪表指示和电度计量不准确以及计算机和通信受到干扰 等一系列举嶷影响和不同程度的危鬻，给电力系统本身和用户的电力电子设备妁 稳定、安龛、经济运行鄂带来了不翮程度懿藏耪。有关电能溪豢羧善与提纛鹣麓 题研究己引起了各国电力工作者的高度重视。我阐对电能质量的研究正处于起步 阶段，但也取得了一定的进展。 在一个建怒静电力系统中，毫戆爨疑单一洹寇鹣工韭频率( 5 0 h z 或6 0 h z ) 秘翅 定的电压水平向用户供嘏的。在这种条件下，对彀能质量也趸厢频率和电聪采衡 量的。但是，在实际的电力系统运行中，由于负荷的不断变化，电力系统的频率 和电压不w 能保持恒定不变，因此务因对电能质爨都是用频率秘电压的允诲偏差 毽趣戳衡豢并徽塞稿寂静藏定。然 掰，仅霜这两个籀标来表蔹邀能质量是镄不完 善的，电流的波形畸变、电压波动与闪变和电力系统中三相电雁或电流不平衡度 也是影响电能质量的熏爱因素。这几个问题在过去由于还未对电力系统中的电力 设蚕纛建惫设备产生专分严重熬影麓，因魏没窍弓| 越电力帮门黧魄力蔫产豹鬟褪。 近年来，幽于电力电子技术的发展及其在工业和灏它行业生产、生活电气设备上 的广泛应用，特别是大功率单相多段全波或桥式憋流设备在电力牵引机车中的应 用，电弧妒、轧钢襁在炼钢中豹应用等等，使季导彀潮受到大量谐波电流、基波受 序电流、熬波无功电流的橙害，；l 越魄力系统虢奄熊质量严重下降，对电力设备、 用电设备和通信线路等的有害影响融经十分严重，不得不认真对待和考虑了。为 此，世界许多国家包括我国在内都已先后制定出相应的国际标猴和国家标准加以 隈肇f 。瑟基耱着工鼗技术豹透步，後鼹电气毽避程豹鸯羟茯，努黪会有更多豹菠鬻 电力电子熬流、换流技术的非线性设备类负荷按入电力系统。对这类非线性电力 重庆大学硕士学位论文 电子设备负荷如果不采取适当的治理措旌而直接投入电力系统中运行，它们必将 进一步恶化电力系统的电能质量。无论对发电、输电、配电和用电都将造成不同 程度的负面影响和不同程度的危害。因此，对电力系统中的非线性电力电子设备 负载引起的电力污染进行适当的治理，以改善电力系统的运行环境，提高电力系 统的电能质量，已经追在眉捷。 随着国民经济的迅猛发展和人民生活水平的日益提高，人们对电能的消费不 断增大，对电能质量的要求也会相应提高。对于电力部门而言，要提高经济效益， 提高电力设备的寿命，提高输电线路的电能输送能力，需要改善电能质量。为了 电力系统的稳定、经济运行和用户电力设备的稳定和安全运行，提高电力系统电 能质量是重要有效的措施之一。因此，提高电能质量对电力部门和电力用户都具 有十分重要的意义。 电气化铁路具有速度快、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发展的主要方向。 截止2 0 0 1 年，我国己建成3 8 条电气化铁路干( 支) 线，电气化铁路总里程达到 1 7 4 0 0 k m ，电力机车牵引成为干线运输的主要动力方式。电气化铁道电力机车牵引 经济、可靠的优势依赖于给其供电的强大供电网电力系统。 但是，我国普遍采用的是交直流型电力牵引机车，属于非线性大功率单相多 段全波或桥式整流负荷，其所产生的谐波电流、基波无功电流和基波负序电流不 仅影响到电铁牵引供电系统的安全、可靠运行，对当地电网的安全、可靠运行也 产生了十分不利的影响。因此，电力机车负荷是影响电铁牵引供电系统电能质量 的主要因素。 我国是一个幅员辽阔的国家，铁路运输在我国的国民经济中占有举足轻重的 作用，铁路的电气化在我国具有重要意义：可以提高能源的利用效率，减小对环 境的污染。因此，我国的电气化铁路分布广，铁路线长，考虑到经济因素，通常 由就近的电力系统供电，几乎涉及全国各地的电力网。电力机车的谐波电流、基 波负序电流和基波无功电流注入就近供给其电能的电力网，对其互联电力系统的 电能质量都造成重大的影响。因此对电气化铁道牵引供电系统进行电能质量的改 善，对我国电力系统电能质量的提高具有十分重要的意义。 综上所述，改善供电系统电能质量的意义可简要概括为以下几点： 1 ) 、是电力系统安全( 包括用户设备的用电安全) 、稳定、经济运行的必要条件， 是电网运行水平高低的重要标志，同时也是电力企业用电管理水平考核的重要指 标； 2 ) 、是提高国民经济总体效益、用电效率( 节能、降损) 和改善电气环境，以及 确保工业生产可持续发展的技术保证： 2 1 绪论 3 ) 、是面向电力市场、适应竞争机制强有力的手段： 4 1 、通过建立和建全电能质量的全面管理，保障各行各业的正常用电秩序，为 千家万户提供信得过的产品【2 l o 1 2 国内外对电铁牵引供电系统电能质量研究的现状综述 铁路电气化牵引以其高速、重载、节约一次能源和减轻环境污染等诸多优点 而被越来越广泛地应用于铁路运输之中。然而，电力牵引机车作为一种大功率的 单相整流负荷，它在运行中产生的大量谐波电流、基波负序电流、基波无功电流 注入电网会造成严重的电力污染，引起电力系统电能质量的下降。所以，对电气 化铁道牵引供电系统进行准确的分析计算并进而采取相应的治理措施已成为一项 迫切任务。 电气化铁道牵引供电系统产生的严重谐波“污染”己经成为影响电力系统经 济、安全、可靠运行的不良因素。电力牵引负荷对于电力系统而言，属于大宗工 业用户。因此，电气化铁道牵引供电系统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”。 电铁牵引供电系统的电力机车负荷是大功率的单相整流负荷，对于电力系统 而言，对其供电具有不对称性、波动性、功率大和分布广等特点1 1 3 i ，其整流装置 产生大量的谐波电流、基波无功电流和基波负序电流注入电力网，对电力网的电 能造成“污染”；同时电力牵引机车又是波动性、冲击性较大的单相整流负荷，产 生一定的冲击性电流和基波负序电流，从而导致电力系统的电压波动与闪变和三 相不平衡。这些都是引起供给其电能的电力系统电能质量下降的重要原因。 1 2 1 电气化铁道牵引负荷的特性 电气化铁道牵引负荷是电力系统中的_ _ 种重要的电能污染源。电气化铁道的 电能质量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 非线性负荷的电能污染源相比电气化铁道牵引负荷具有其特殊性，其主要表现为 以下几个特点： 1 、单相独立性，不对称性虽然我国铁路的供电系统都采用两相供电，但两 相负荷的相关性很小，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。电力机车运行时产生基波负序电流，对电网来说，电力机车 负荷是三相不对称的； 2 、电流具有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， 造成负载电流的波动，引起供电系统的电压波动。谐波电流也是剧烈波动的，波 动的范围还很大； 3 重庆人学硕士学位论文 3 、相位分布广泛谐波向量可在复平面内四个象限上出现； 4 、交流侧电流镜对称电力牵引机车是单相多段全波或桥式整流负荷，稳态 运行时其交流侧电流镜对称，只产生奇数次的谐波电流，实测显示其产生的偶数 次谐波电流很小，通常可以忽略； 5 、高压渗透性 电气化铁道牵引供电系统是为数不多的高压用户，其产生的 电能污染可以通过高压系统向全网渗透，不受牵引变压器接线方式的阻碍： 6 、功率大，分布广电力牵引机车是单相大功率负荷( 以韶山4 和8 k 型为例， 机车的牵引功率为6 4 0 0 k w ) ，我国的电气化铁路分布广，几乎遍布全国，电力机 车牵引已经成为我国铁路干线运输的主要动力方式。 综上所述，电气化铁道牵引供电系统的电能“污染”对我国电力系统的影响 十分严重，对牵引供电系统进行治理具有特别重要的意义。 1 2 2 影响电铁牵引供电系统电能质量的主要因素 对电铁供电系统及电力牵引机车整流负荷进行分析，可以得出引起电气化铁 道牵引供电系统电能质量恶化的因素主要有四个： 1 、谐波电流电力牵引机车的多段全波或桥式整流设备是一个非线性电力电 子设备，在整流过程中会产生大量的奇数次谐波电流【3 l ，对电力系统电力设备、线 路及用户电力设备具有较大的危害【4 “o j ； 2 、基波负序电流 电力牵引机车负荷是波动性、冲击性都很强的大功率单相 整流负荷，对供电电网来说是一个三相不对称的大功率整流负荷，尽管牵引供电 系统采用了专门设计的减小三相不对称性的特殊牵引供电变压器接入供电系统， 或者在牵引变压器的高压侧接入电力系统时，采取了变换相位运行的措施，但仍 然会产生较大的基波负序电流注入电力系统，从而对电力系统的电力设备、线路 和用户电气设备均造成不同程度的影响和危害【l 。”1 ； 3 、无功电流电力机车整流设备的功率因素较低【1 卜1 9 】，因此电力牵引机车负 荷的无功电流较大。电力牵引机车的负载随时间和路况的变化而发生较大的变化： 当电力牵引机车重载或上坡时，往往从电网吸收大量无功功率；当电力机车轻载 或下坡时，往往又产生大量的无功功率倒送入电力系统( 进相无功功率) 。在这两种 情形都形成负荷与电源之间的无功功率频繁交换。无功功率在电力牵引机车和供 电电源之间进行交换，使得输电线路上总电流增大，从而造成输电线路上的电压 降增大，电能损耗增加，受电端的端电压降低，输电线路的功率传输能力因输电 线路的发热而下降f 2 ”。 4 、冲击电流 电力牵引机车负荷是个冲击性和波动性都较大的大功率单相 整流负荷【1 】【2 2 - - 2 4 1 ，尤其是电力牵引机车在启动、加速、减速或停止时，其产生的冲 击电流尤其明显。随着电力牵引机车的运行，牵引负荷因路况的不同而不断变化， 4 l 绪论 电力牵引机车从供电系统吸收的功率也不断的变化，由此而产生的冲击性、波动 性电流注入牵引供电系统，引起系统线路上的电压产生波动与闪变。 1 2 3 国内外改善电铁牵引供电系统电能质量的主要方法 电气化铁道的电能通常由就近的电力系统供给，牵引供电系统电能质量的恶 化会造成供给其电能的供电系统的电能质量发生不同程度的恶化，对与牵引供电 系统相关联的电网中的电力、电气设备都会造成不同程度的影响。对电网的谐波 采取有效抑制，对基波无功电流、基波负序电流、波动与冲击性电流进行动态补 偿己成为重要的研究方向【l l 【5 1 。电气化铁道牵引供电系统是整个电力系统的一部 分，因此改善牵引供电系统的电能质量，对提高整个电力系统的电能质量都具有 十分重要的意义。e l 前国内改善牵引供电系统电能质量的主要方法如下： 1 、无源电力滤波器与电容器补偿法低成本的无源电力滤波器与电容器是目 前普遍采用的谐波与无功功率补偿方法。在电气化铁道牵引变电所加装无源电力 滤波器和电容器，不仅可以吸收谐波电流，补偿无功功率，而且也能提高功率因 数和电压质量。无功和谐波补偿装置的设计要求是以最少的投资达到最佳的补偿 与抑制效果。无源电力滤波器的滤波效果与电力系统的运行参数密切相关，在特 定情况下无源电力滤波器可能与系统发生谐振，并且因电容器的无功功率补偿能 力与公共连接点电压的平方成谁比关系，因此对电力系统的无功功率补偿效果往 往不甚理想 2 5 - 2 8 1 ； 当前电铁牵引供电系统的谐波抑制和无功补偿的主要措施是在牵引变电压器 的低压倒加装l c 调谐的无源电力滤波器和并联电容器组。无源电力滤波器装置是 由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的滤波装置。由于其结构简单、运 行可靠、维护方便以及价格上的优势，使其得到了广泛的应用。通常无源电力滤 波器还兼有无功补偿的作用，其补偿无功功率不足的部分由并联电容器组来补偿。 针对电力机车牵引负荷电流中的3 次谐波含量很高的特点，我国铁道部门在牵引 变压器的低压侧安装了3 次谐波滤波装置进行滤波。但是这种装置只能滤除5 0 左右的3 次谐波，其滤波效果远不能满足改善牵引供电系统电能质量的要求。 2 、有源电力滤波器与静止无功补偿器补偿法1 9 7 6 年，l g y u g y i 等人提出了 采用p w m 控制变流器构成的有源电力滤波器，确立了有源电力滤波器( a c t i v e p o w e rf i l t e r , a p f ) 的概念，确立了有源电力滤波器主电路的基本拓扑结构和控制方 法。由于当时电力电子技术发展水平的局限性，全控型电力电子器件的功率小、 频率低，因而有源电力滤波器仅局限于实验室研究。8 0 年代以来，随着电力电子 技术以及p w m 控制技术的发展，对有源电力滤波器的研究成为电力电子技术领域 的热点。这一时期的一个重大突破是，1 9 8 3 年日本的赤木泰文等人提出了“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有源电力 5 重庆大学硕士学位论文 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。 最早的有源电力滤波器为单独使用的并联型有源电力滤波器。经过多年的发 展，为尽量发挥有源电力滤波器的特长、提高其性能，并尽量减小其容量，节省 投资，提出了串联混合型有源电力滤波器、并联混合型有源电力滤波器等，为适 应不同的补偿对象，还提出了串联型有源电力滤波器等。利用电力电子功率开关 的有源电力滤波器的研究越来越引起人们的关注。以其与补偿对象的连接方式分 类，有源电力滤波器可分为并联型和串联型。串联型有源电力滤波器构成的系统 具有有源装置容量小、运行效率高【3 2 】以及对谐波电压源类型的负荷有较好补偿特 性等优点，但却存在绝缘强度高、难以适应线路故障条件以及不能进行无功功率 动态补偿等缺点，因此，其工程实用性受到限制。并联型电力有源电力滤波器能 对谐波、基波负序电流和无功功率进行动态补偿，其补偿特性不受电网阻抗的影 响，是一种较好的有源补偿装置 2 9 - - 3 7 l ，得到了较为广泛的应用。 静止无功补偿器( s t a t i cv a rc o m p e n s a t i o n s ，s v c ) 包括晶闸管控制电抗器 ( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r , t c r ) 、晶闸管投切电容器( t h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r , t s c ) 及其混合使用装置( t c r + t s c ) 及静止无功发生器( s t a t i cv a tg e n e r a t o r , s v g ) 等，它们主要用于对无功功率的动态补偿。 目前，我国电气化铁道牵引供电系统的牵引变电站采用的有源补偿装置，主 要是静止无功补偿器( t c r 、t s c 、t c r + t s c 或s v o ) 或是并联有源电力滤波装置 ( a p f ) ，主要补偿无功功率和电力谐波。静止无功补偿器，虽然可以根据负荷的无 功功率需求动态跟踪补偿，适合抑制快速变化的畸变负荷( 如电力牵引机车) 所产生 的电压波动和闪变，但是也必需注意它们自身所产生的谐波影响。有源电力滤波 器虽然在滤波效果、无功补偿效果、抑制电压波动及设备体积等方面都有较大优 势，但是其投入实用的最大障碍是需要较高的经济投资。 3 、混合有源电力滤波器补偿方法虽然并联型有源电力滤波器是种较好的 电能补偿装置。但是，并联型有源电力滤波器要求其有源装置的容量相对较大， 存在初期投资大、运行效率低的缺点。因此，在研究有源电力滤波器的多功能化， 主电路的多重化，提高有源电力滤波器容量和减小其造价的同时，人们也致力于 使有源装置容量降低的混合有源电力滤波器( h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r , h a p f ) 补 偿方案研究口”。将有源电力滤波器与无源电力滤波器并联使用，合理分担补偿 任务，可以使有源电力滤波器的容量减小，充分发挥无源电力滤波器的造价低、 结构简单，使用维护方便以及有源电力滤波器的综合、动态、跟踪补偿性能好的 优点。然而并联无源电力滤波器会使电力负荷的等效谐波阻抗减小，当负荷的等 效谐波阻抗不满足远大于电网的谐波阻抗条件时，有源电力滤波器的补偿特性将 受电网阻抗的影响，而且有源电力滤波器的谐波补偿电流还可能注入无源电力滤 6 1 绪论 渡器中。爨姥罴弱这耪方案改善魄力系统的屯自矮量对，霰器对有源电力滤波器 和无源电力滤波器酶浚计进行综合j 羧的、全蜀穗的考虑p “瓣，对有源电力滤波器 和无源电力滤波器及它们的控制方式进行优化设计。另外，目前用于电力系统的 多数是搏联型混合有源电力滤波器。 1 3 本文研究的主要内容 本文研究的主要内容有以下几个方面： l 、凝透电力系统魄戆瑗量致蘩本概念，雹家谬馀电力系绞邀能质量辐关标准 的撬定； 2 、分析电铁牵引供电系统的主黉接线方式，牵引供电系统所采用的主要电气 设备，电力机车的整流方式及其工作特性，以及这些设备在魂网中运行时对电网 毫戆震爨静来懿主要澎晌； 3 、分析改善电铁牵g 供电系统电能质量的主要措施，重点研究混合谢源电力 滤波器在电铁牵引供电系统中的威用； 4 、疆究分摄无滚魏宠滤波器、旁源电力滤波爨窝混台有滚逛力滤波鼹续秘组 成与滤波特性，眈较混合有源电力滤波器构成方式与滤波特饿； 5 、简述有源电力滤波器的工作原理，研究蕊控制电路的构成，主电路的形式 以及有源电力滤波嚣的三种主要控制方式。着夔分析三拥瓣鼹无功功率法检测负 载亳滚鹣畸变努量静壤论及萁应穗； 6 、猩研究三相瞬时无功功率梭测理论的基础上提出一种通用于单相牵弓 供电 系统的l | 障时无功功率检测方法；在分析我国电铁牵引供电系统特点的基础上，提 窭一静i 圭l 嚣藤蓉接裁鹣线牲逛抗嚣、并联邀容器缝、劳袋天滚魄力滤波嚣维戳及 固定接入的统一电能质量调节器和商通无源电力滤波器构成的混合有源电力滤波 器系统，并以基于数字信号处理器及高速外围芯片组成的跟踪燃p w m 控制系统对 其进行羧铡，用于改耱牵引供龟系绞的电能质羹； 7 、浆霹m a t l a b 软件酶s i m u l i n k 模交对混台有源电力滤波器系绕避幸亍建 模仿真，由其仿真结果验证混合有源电力滤波器改善电铁牵弓i 供电系统的电能质 量的效粜。 1 4 本文的篇章结构 本文的篇章结构安排如下： 中、英文撼要，臻蒙 第一章：绪论 第二章：电力系统电能质量的概念及相关国家标准的规定 7 重庆人学硕士学位论文 第三章：电铁牵引供电系统的结构与特点分析 第四章：改善电铁牵引供电系统电能质量的主要措施 第五章：有源电力滤波器的主电路拓扑结构与控制方式 第六章：混合有源电力滤波器在电铁牵引供电系统中的应用与仿真 第七章：全文总结 致谢，主要参考文献，研究生期间发表的论文 1 5 本章小节 本章阐述了改善电力系统和牵引供电系统电能质量的必要性和重要意义，分析 了引起电铁牵引供电系统电能质量下降的主要因素，目前用于改善电铁牵引供电 系统电能质量的主要措施。本文所要进行的主要研究工作以及本文篇章结构的安 排。 8 2 电力系统电能蕊撵静概念及褶关国家标准的规定 2 瞧力系统融麓质量的概念及相关国家标漤的规定 2 1 引富 毫然氍是一静经济、实弼、渣港旦容易控制翻转换的熊源形态，又愚激力部 门向电力溺户提供蠢笈、供、蘑三方共同保证震篷貔一种特殊产品( 它同样舆有产 品的若干特征，如可被测量、预估、保证或改蒋) 。如今，电能作为走进市场的商 品，与焚它商品一样，无疑也应讲求质量1 2 j 。 在臻我柱会孛，惫l 是一耱最淹广泛使溺熬熊滚，其痰翔程菠残爻一令邕家 发展水平的主要标志之一。改善电能质量对于电网和电气设备的安全、经济运行， 保障产蹋质量和科学嶷验以及确保人民生产、舷活的正常等均有重要意义，甚至 可竣滋敷戆质量直接关系裂国楚经济鹣总钵效懿。 随覆国民经济和辩学技术的蓬勃发展，冶金、化工等飘代纯大工业翻电气纯 铁路的发展，电网负衙加大，电力系统中的非线性负荷( 硅熬流设备、电解设备、 电力机擎) 及冲击性、波动性负荷( 电弧炉、轧钢枫、电力机车运行) 使得到电网发 生波形麓交( 谐波) 、壤匿波动、阗交、三穗不平鬻， 对称疆( 基波受痔) 稻受萄波 动性日越严重。电能质量的下降严麓地影响了供用电设备的安全、经济遴行，降 低了人民的生产效率和生活质量1 4 2 1 。特别是近年来，由于电力电子装簧的熙加广 泛痤惩，毫力瓤车、魄懿炉等菲线谯受芬在貘电系统爨占魄铡豹迅速瑷魏，供电 系统的波形畸变、电滕波动与闪变、三相不平衡等现象越来越严重，这臻闻题对 供电电网的电能质量产生了十分严麓的影响。电力系统电能质量的日益恶化，已 经给供魄部门和用电部门豹电气设套带来不同稷发的短害，尤其是对电力系统中 的敏感受褥( 如计算捉、数控没鍪等) 带来的影确秘危害更大，甚至虿麓导致它稻无 法正常工作。对电力系统的电能质蹩的改善关系到供、用电部门的切身利箍，因 此国家制定了相关的标准对电能质爨进行监控。 2 2 电力系统电麓质量的概念 电能既然能被看作一种商品，那么它就应该具有一些指标来衡量其质嫩。电 麓质量就是恕电能当捺种商晶，瓣它的各项技术指标做出攥定，以判凝其是否 合格。然而电麓是一耱较特殊的商赭，其质量与觳商品的麓量不同，商其特殊 性：( 1 ) 、其质量问题不完全取决予电力生产部门，甚至有的质量指标( 如谐波、电 压波动和闪变、三相电压不平衡度等) 往往由用户干扰所决定；以) 、对于不问的供 ( 焉) 毫点褒不霹戆供藤) 电辩麴，彀羧覆量疆稼绞缝是不同夔。靼毫爱囊纛攒稼在 时间上和空闻上均处于动态变化中：( 3 ) 、电能质量不仅仅反映“电”的质趱，而 9 重庆大学硕士学位论文 且和用电设备的性能密切相关。也就是说，电能质量标准的制定应将电力系统实 际的可能性和电气设备的标准，从国民经济总体效益出发，使两者得到合理的兼 顾【4 3 】。 从普遍意义上讲，电能质量是指优质供电【2 】，使电能指标越接近额定值就是电 能质量越高的标志。然而，电能从生产到消费是一个整体，电力系统的发、输、 配、变、用至始至终处于动态平衡之中，其中任何一个环节都会对电能质量产生 影响。而且电能质量指标的控制需要相当的投入( 包括电网结构的改进，有功功率 和无功功率的平衡，各种调频、调压、滤波和无功补偿装置的使用以及调度和运 行技