（电力系统及其自动化专业论文）铁道牵引供电系统电能质量控制的研究及仿真.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t a sal a r g ep o w e rs i n g l ep h a s er e c t i f i e dl o a d ，t h ee l e c t r i ct r a c t i o nl o a dh a sm a n y d i s a d v a n t a g e sl i k eh e a v yd i s t o r t i o n ，a c u t ef l u c t u a t i o na n ds e v e r ea s y m m e t r y t h e s a f e a n de c o n o m i co p e r a t i o no fp o w e rs y s t e m si sb a d l yi n f l u e n c e d an o v e lp o w e rs u p p l y s y s t e mf o rr m l w a yt r a c t i o ni sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r , w h e r et h ea c t i v ep o w e r f i l t e r s ( a p f ) i su t i l i z e dt oe l i m i n a t et h ed i s a d v a n t a g e so ft h es y s t e mt h a ti sw i d e l ya d o p t e d a t p r e s e n t b yc o m p e n s a t i n g t h e n e g a t i v e ，r e a c t i v e a n dh a r m o n i cc u r r e n t s i m u l t a n e o u s l y , t h ep r o p o s e ds y s t e mc a n a v o i dd e t e r i o r a t i n gt h ep r o b l e mo ft h ep o w e r q u a l i t y 。 i nc o r r e s p o n d i n gt ot h ea s y m m e t r i c a lt r a n s f o r m e r st h a ti su s e di nt h et r a c t i o n s u p p l ys y s t e m ，o n es c h e m ei sd e v e l o p e dt o r e a l i z et h ep r o p o s e db a l a n c ee l e c t r i c a l s y s t e m ( b e d ) t h es t r u c t u r eo fa p fs u i t a b l ef o ri m p l e m e n t i n gt h eb e d i sp r o p o s e d ， o nas u r v e yo ft h ee x i s t i n gt o p o l o g yo ft h ep a s s i v e ，a c t i v ea n dh y b r i df i l t e r s ，a n dt h e c u r r e n t ，v o l t a g e ，m u l t i - l e v e la n dc a s c a d ec o n v e r t e r s a ne v a l u a t i o no nm o s to fm e t h o d sp r o p o s e db yo t h e rp u b l i c a t i o nf o rg e n e r a t i n g t h er e f e r e n c ec u r r e n u v o l t a g ei sd o n ei nt h ep a p e r , a n dt h ec h a r a c t e r i s t i c a n d a p p l i c a b i l i t yo ft h e s em e t h o d sa r ea n a l y z e d ah i g h s p e e da n ds i m p l er e f e r e n c e g e n e r a t i n gm e t h o d i ss u g g e s t e d ，w h i c hc a ne x t r a c tt h ep o s i t i v es e q u e n c ev o l t a g ef r o m t h ea s y m m e t r i c a l ，d i s t o r t e ds o u r c ev o l t a g e ，a n dt h er e f e r e n c ec u r r e n tc a nb eg e n e r a t e d b yu t i l i z i n g t h i s v o l t a g e m e a n w h i l e ，p w m c o n t r o lm o d eb a s e do nt h e t r i a n g u l a r - w a v em o d u l a t i o na n d s e ts i d e b a n dc o n t r o lm o d ea r ea n a l y z e da n d r e s e a r c h e di nd e t a i l a c c o r d i n gt ot h ep r a c t i c a lr e q u i r e m e n t s ，as t a t eo p t i m a lv e c t o r c o n t r o ls t r a t e g yi nw h i c ht h ec o r r e l a t i o na m o n gt h el e g si sh a r n e s s e di sd e v e l o p e d ， l e a d i n gt o t h er e s u l to fl o ws w i t c h i n gf r e q u e n c y , h i g h e rs w i t c h i n ge f f i c i e n c ya n d a c c u r a c y t h r o u g ha n a l y z i n gt h eg e n e r a lr e q u i r e m e n t so nt h ed e s i g np a r a m e t e r so ft h e b e d ，t h er e l a t i o n s h i po ft h ea p fp a r a m e t e r si sf o u n d ，a n dt h ed e s i g nm e t h o do ft h e m a i nc i r c u i to fa p fi sp r o p o s e d i nc o r r e s p o n d i n gt ot h ef e a t u r e so ft h ee l e c t r i f i e d i i a b s t r a c t r a i l w a yt r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m ，at r a c t i o np o w e rs y s t e ms i m u l a t i o nm o d e l w i t hb e di se s t a b l i s h e di nt h ep s c a d e m t d ce n v i r o n m e n t c o m p r e h e n s i v e r e s e a r c hi sd o n eo nt h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na n dh a r m o n i cc h a r a c t e r i s t i c so f t h eb e d ，a n dt h ec o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h es y s t e ms t r u c t u r e ，c o n t r o ls t r a t e g y a n d p a r a m e t e rc a l c u l a t i o nm e t h o da r ec o n f i r m e db yt h es i m u l a t i o nr e s u l t so b t a i n e d k e yw o r d s ：e l e c t r i f i e dr a i l w a y s ，p o w e rs u p p l ys y s t e m ，a c t i v ep o w e rf i l t e r , b a l a n c i n ge l e c t r i cs y s t e m i i i 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。 学位敝作者签名：闭特 加寥年哆月fe l 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，均已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。 学位论文作者签名： 同特 加8 年亨月j e t 第一章绪论 第一章绪论 伴随着电力牵引供电方式的不断改进和电力机车性能的提高，电气化铁路 在铁路运输中占有了极其重要的地位。据统计，全世界已有电气化铁路2 2 2 万 千米，在发达国家，电气化铁路占铁路营业罩程的比重一般达3 5 一6 0 ，承担 的铁路运量所占比重已经超过6 0 - 9 0 。在我国，自1 9 6 1 年第一条电气化铁路 建成以来，电气化铁路得到了快速的发展，目前，我国电气化铁路旱程达到 1 1 6 3 7 7 千米，电气化铁道营业里程占铁路总罩程的1 7 8 ，承担了铁路总运量 的2 5 5 。预计到2 0 1 0 年底，电力牵引所承担的运量将达到6 0 以上【lj 。 面对我国电气化铁道建设高潮，迫切需要加强电气化铁道技术方面的研究。 作为电气化铁道的重要组成部分牵引供电系统是牵引负荷的动力来源，其 供电质量的优劣，对电气化铁路运输产生了重大影响。而当前牵引供电系统存 在着许多问题，如谐波、无功、三相不平衡，降低了供电的效率与质量，对电 气化铁道的安全可靠运行构成了威胁。因此，研究并解决这些问题，建立高效 的牵引供电系统不仅必要而且很有意义。 1 1 铁道牵引供电系统的现状 1 1 1 牵引供电系统的特殊性 铁道牵引供电系统由电气化铁道一次供电系统、牵引变电所、牵引网三大 部分组成。牵引变电所主要是把一次供电系统输送来的三相交流高压电能变换 成较低电压的适合电力机车使用要求的电能。牵引网部分包括馈电线、接触网、 轨道、大地及回流线，其主要功能是将变电所的电能送到电力机车，并且把轨 道、大地中的牵引回流电流导入牵引变电所的主变压器。 牵引供电系统如图1 1 所示，它处于三相的电力系统和电力机车之间，起 到变压、变频、变相的作用，将电力系统的1 i o k v 或2 2 0 k v 三相电能转换为特 定电压、频率、相数的电能，以满足电力机车的需要。 从牵引供电系统的位置可以看出，它既是电力系统的负载，又是电力机车 第一章绪论 的电源，由于它所处的地位决定了它的性能必须同时满足负载和电源的双重要 求，即作为三相电力系统的负载，应表现出对称的、纯电阻的特性，也就是从 电网吸取三相对称的、纯有功的电流，而且不向电网注入谐波电流，同时作为 电力机车的电源，必须不断地向负载提供满足特定指标的电能，包括负载的有 功功率和无功功率，并吸收负载可能产生的谐波电流。 图1 1 牵引供电系统原理示意图 1 1 2 牵引供电系统的制式 牵引供电系统经历了从直流到交流、从三相到单相、从低频到工频的发展 过程。目前在国外，直流、低频单相交流、工频单相交流制式并存。我国干线 电气化铁路始建于1 9 5 8 年，一开始就采用了技术先进的2 5 k v 、5 0 h z 的工频单 相交流制，为我国在经济、统一的制式下发展电气化铁道创造了有利条件。 工频单相交流制供电方式有以下突出优点： ( 1 ) 供电系统简单，牵引变电所内的设备简化，不需要象低频交流制那样建 设铁路专用的发电设备。 ( 2 ) 牵引网电压大幅增高，因此牵引网的电流大大减少，从而牵引变电所的 距离加大，数目减少，降低了运营成本。 ( 3 ) 电能变换方式灵活，只要机车配备所需的电能变换设备，直流电机和三 相异步电机都可作为机车的牵引装置。 ( 4 ) 泄漏电流对沿线地下金属建筑物的腐蚀作用及其微小。 由于工频单相交流制是牵引供电系统发展的方向，因此，本文仅选择工频 单相牵引供电系统作为研究的对象。 2 第一章绪论 1 2 牵引供电系统存在的问题及目前采取的措施 1 2 1 工频单相牵引供电系统存在的问题 尽管工频单相牵引供电系统具有很多优点，但是仍然面对着无功功率、谐 波电流和负序电流等诸多问题。 ( 1 ) 无功功率和谐波电流 电力机车是一个随机变化的感性负载，其基波电流滞后电压一定的角度， 由于变压器、牵引电机等设备的非线性，以及电力电子器件的非线性调节作用， 使得机车的电流中包含了大量的谐波成分，这些谐波成分在- , f l 供电系统中的 分布是不对称的。由于牵引负载的功率大、空间和时间分布随机性强、三相不 对称，牵引供电系统是电力系统中一个主要的无功源和谐波源p 儿4 1 。 电力系统产生的谐波与其它整流负荷产生的谐波一样，对电力网及用户带 来严重的危害，特别是牵引负荷功率大、波动性强，这种危害表现得极为突出。 主要体现在以下几个方面： 对电力网设备的影响。谐波电流使变压器、电力线路和旋转电机的附加损 耗加大，引起过热，缩短绝缘寿命，降低了功率因数和设备容量的利用。 容易引起电力网局部的串联或并联谐振。在牵引变电站附近，串联和并联 谐波的比例明显高于其他地方，频繁发生电网和电容器组的并联谐振，将会造 成大量的电容器组不能投运或损坏，负载的功率因数长期偏低。 容易引起继电保护装置的误动作。谐波对各种继电器的运行有明显影响， 可使其动作特性发生较大改变，导致其频繁起动，甚至发生误动或拒动，对电 力系统安全运行产生很大威胁。 为了弥补无功功率对电力系统造成的损失，电力系统根据用户功率因数的 高低制定了相应的奖惩措施，当用户的月平均功率因数比规定标准低o 0 5 时， 增加月电费的2 5 ，比规定标准低0 1 时，增加月电费的5 。因此，由于无功 功率和谐波电流的问题，铁道部门每年要向电力部门支付大量的额外费用。 ( 2 ) 负序电流 牵引变电所通常分别采用单相联接、单相v 形联接、y ，d 1 1 联接等形式， 完成电压等级的变换。单相牵引负载对三相供电系统的影响与变电所的联接形 式有关，牵引变电所采用这三种基本接线方式时，都会在三相电力系统产生负 第一章绪论 序电流。纯单相联接时，虽然变压器容量利用率高，运营维修方便，造价低廉， 但是电力系统的电流不对称系数为1 ，三相不对称现象严重；v 型联接、y ，d 1 1 联接的电流不对称系数，与两供电臂的负载电流的幅值比，以及功率因数角的 差值有关，电流不对称现象普遍存在。 负序电流除了产生无功功率，具有无功功率的危害以外，对电力系统和用 户还会造成其他巨大的影响，如： 使变压器的额定输出功率降低，不能发挥最高的运行效率。由于负序电流 的存在，电力系统的变压器三相绕组中，必有一相电流最大，当负序电流流过 变压器时，变压器绕组的铜耗增大，增加了附加损耗，而且变压器各绕组不能 全工作在额定状态，变压器容量利用率降低。 引起旋转电机的附加发热和振动，危及安全运行及正常出力。从安全角度 考虑，同步发电机定子各相的电流都不能超过其额定值，当定子中流过负序电 流，为使各相电流不大于额定值，就必须降低发电机的出力。 降低了电力网的输电能力。负序电流在电力系统流过时，不仅不能作功， 还造成电能损失，并占用输电系统的容量。 引起继电保护装置的误动作。 1 2 2 现有解决牵引供电系统问题的措施 对于无功功率和谐波电流的影响，牵引供电系统已经采取了一些解决的措 施。首先是改善机车的性能，尽量减少谐波的产生。为了提高机车的功率因数， 在机车上配备功率因数校正装置，可以得到很好的效果。另外在“交直交 机车和“交直”机车上，当整流环节采用四象限p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ， 脉宽调制) 整流器时，可以使机车的输入电流的基波与电压同相位，从根本上 解决低次谐波与功率因数问题。其次，就近补偿机车产生的谐波电流和无功功 率，通常可在牵引变电所采用无源、有源及两者结合的混合补偿方案进行补偿。 采用静止型动态无功补偿装置( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ，简称s v c ) 和有源滤 波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r , 简称a p f ) 混合补偿的方案研究在牵引供电领域也 取得了一些进展，利用s v c 和a p f 补偿机车的无功功率和谐波电流，可以大 大提高补偿器的脾i - i - 厶匕1 1 1 - , 并降低系统的造价【2 2 1 。 对于负序电流的影响，为了使系统不平衡程度限制在规定标准以内，主要 4 第一章绪论 采取以下措施： ( 1 ) 采用高电压、大容量电源供电，因为高电压、大容量电源系统具有较强 的承受不平衡负荷的能力。 ( 2 ) 采用三相两相平衡牵引变压器，如阻抗匹配平衡变压器、斯科特变压 器等。这些变压器的优点是当两个端口负荷完全相同时，变压器原边三相 电流对称。其中斯科特变压器将在第二章详细介绍。 ( 3 ) s w j 用相序轮换技术实现牵引供电系统公共接入点的三相平衡。 该方案的基本思想是将接触网沿铁道线路分成若干个供电分区，各部分分 别由电力系统的a 、b 、c 三相供电，当各相所接供电分区的负载之和相等，且 功率因数相等时，电力系统三相电流就可以达到平衡状态，由于铁路沿线各供 电分区的相序是交替排列的，故称为相序轮换。 、br ryyy f ”7 ry y y ，泓r f ”7 c b j 卜- a cb e b a j jj lj上i ( a ) 单相接线 一一1 1 一1 1 u uu 。i u , -。, - - ( b ) y ，d 一1 1 接线 图1 2 换相联接牵引供电系统示意图 第一章绪论 纯单相和y ，d 1 1 形联接的变压器及相序轮换的牵引供电系统如图1 2 所 示。如果能在各个供电分区上合理安排牵引，使得在数个变电所和电力系统的 等效公共接入点p p c 处，三相都有相同的负载，就可以使得三相电流处于平衡 状态，因此在理想情况下，在理论上是可行的。即使不能保证各相电流在p c c 处平衡，多个变电所综合作用的结果也可以大大降低整个系统的不对称系数。 但是列车流量受许多因素的影响，无法保证每个供电区段都有列车运行，即使 在同一时刻，每个供电分区都有机车运行，由于机车工况、坡道等诸多因素也 会影响机车电流不会完全相同，因此还是无法保证电力系统各相的平衡。同 时由于相序轮换的需要而采用的分相电分段，也会给列车的运行带来很多负面 影响，增大机车操作的复杂程度，增加了安全隐患。所以相序轮换只是技术发 展到一定阶段的权宜之计，并不能很好的解决三相电流不平衡。 1 3 选题的意义与研究内容 从上节的讨论可以看出，单相工频牵引供电系统必须解决无功功率、谐波 电流和三相不平衡等问题。目前在机车上和变电所内采取的措施主要是针对无 功和谐波电流的补偿，在解决三相不平衡问题方面还没有更为有效的措施。如 果能将三相不平衡问题与无功功率、谐波电流问题统一考虑，提出一种三相完 全平衡、对外界不产生无功和谐波的供电系统方案对目前的牵引供电系统有重 大意义。 本文的主要任务是提出一种平衡变换的牵引供电系统方案，彻底解决单相 牵引供电系统造成的三相不对称的问题，并且能补偿牵引负载产生的无功功率 和谐波电流，使铁道成为电力系统的一个纯电阻性质对称的负载，并在系统结 构、控制策略、参数设计等方面进行仿真研究。 本论文主要进行以下几个方面的研究： ( 1 ) 提出适用于斯科特变压器，采用有源滤波器的平衡供电系统方案，并系 统分析该平衡供电装置的系统结构和工作原理。 ( 2 ) 根据现有有源滤波器指令电流的生成方法，提出一种基于改进的有功分 离法能迅速提取基波正序电压，并以此为基础应用同步检测法生成满足系 统要求的有源滤波器的指令电流，并通过仿真验证该方法的可行。 ( 3 ) 系统地分析现有有源滤波器的常用控制策略，针对本文提出的平衡供电 6 第一章绪论 方案，提出一种状态优化的定边带宽度的控制策略，通过仿真验证这种控 制策略可以使有源滤波器产生的电流在误差相对较小的情况下快速跟踪指 令电流，并且大幅降低了器件的开关频率。 ( 4 ) 提出平衡供电装置中有源滤波器的电路参数的设计方法，详细分析有源 滤波器的补偿性能对其参数的要求，并计算出有源滤波器的主电路参数。 ( 5 ) 针对电力牵引负荷的特点，建立采用有源滤波器的平衡供电系统的仿真 模型，利用p s c a d e m t d c 软件，通过仿真验证系统主电路的结构，选定 的参数、指令电流生成及开关控制策略的正确性，通过改变负载，验证系 统对于负载性质的适用性。 7 第二章采用有源滤波器的平衡供电系统方案 第二章采用有源滤波器的平衡供电系统方案 由1 2 2 节的介绍可以看出，现有的牵引供电系统主要依靠提高机车本身 的性能以及相序轮换技术等实现电力系统的三相电流的平衡，但效果有限。在 每个变电所的进线端都实现三相电流的平衡，才是解决问题的根本途径。本章 首先介绍目前讨论较多的“交一直一交”平衡供电方案，再以斯科特( s c o t t ) 变压器为研究对象，提出针对斯科特变压器采用有源滤波器实现三相平衡、无 功补偿和谐波抑制的供电系统结构。 2 1 采用“交一直一交 的平衡变换方案 t r l c o n c a p i n v t r 2 |匿 三相_ = 工- 单相 i _ j 整流器工 逆变器 图2 1 采片ja c d c a c 的牵引供电系统结构原理图 “交一直一交平衡方案可采用图2 1 的结构形式。三相降压变压器t r l 将1 1 0 k v 变为2 5 k v ，经三相的四象限p w m 整流器c o n ，在直流环节可以 得到4 5 k v 左右的直流电压。单相四象限p w m 逆变器i n v 输出2 5 k v 的单 相工频电压，经升压变压器t r 2 变为2 5 k v 的电压向机车供电。通过直流电压 反馈环节，还可以使变流器自动进入逆变状态，向三相交流电网反馈纯有功的 电流，可以保证机车再生制动电流的实现。从能量流动的角度，负载所需要的 有功功率由电力系统经整流、逆变装置提供，无功功率经逆变器在负载与储能 环节问交换。 由于整流环节和逆变环节独立控制，因此输入输出特性容易满足电力系统 和机车的要求，而且各变电所间的并联运行和跨区供电非常易于实现，因此单 个变电所的容量可以降低。但是这个方案也存在致命的缺点： 第二章采用有源滤波器的平衡供电系统方案 ( 1 ) 机车所需的有功功率和无功功率完全有变流器装置提供，需要整流器和逆 变器的容量很大，因此能量损耗非常大，且均工作在较高的频掣2 1 。 ( 2 ) 因为整个系统是级联结构，一旦有一个环节出现故障就会造成整个供电区 段的停电事故，可靠性要求太高是该方案致命的弱点。 ( 3 ) 由于目前p w m 整流和逆变控制诸多技术问题的限制，该方案还存在很多 有待解决的技术问题。 2 2s c o t t 变压器实现三一两相平衡 为了解决三相不对称造成的负序电流问题，铁道牵引变电站开始大量采用 三一两相平衡变换的变压器，用以克服不对称负载对变压器原边电流造成的影 响。其中应用较多的不对称变压器有斯科特( s c o t t ) 变压器和阻抗匹配平衡变 压器。由于s c o t t 变压器在原理上便于叙述和理解，原、副边的对应关系更为简 单，因此本文涉及不对称型变压器均以s c o t t 变压器为研究模型，但结论也适用 于阻抗匹配平衡变压器。 咕、 ， 0 、 t v - ， 十 ， 图2 2 斯科特变压器接线示意图 斯科特变压器采用了特殊的绕组结构，如图2 2 所示，原边接成倒“t 形， 水平边匝数为2 n ，垂直边匝数为；n ，副边两绕组匝数均为n 。由副边绕组t 和m 分别向供电臂供电，设副边的电流分别为专和爿，功率因数分别为c o s 仍 和c o s 仍。由于叫比喇超前9 0 。，所以副边的向量图如图2 3 所示。 9 第二章采用有源滤波器的平衡供电系统方案 o 图2 3 斯科特变压器副边向量图 根据斯科特变换式和逆斯科特变换式列出变压器原、副边的电压电流关系： ： 擀 l 1 2 1 2 川精 l 1 2 1 2 根据对称分量法可以确定各相电流中的正、负序分量，以a 相为例： 其中k ： 。 2 3 n 因此，j 下、负序电流的幅值为： 由上式可以得到电流不对称系数兄的表达式： l o ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 7 l 乩 l 一2压一22 笪2 一 一 一孙堡廊 uuu 。一2污一22 笪2 0 0 o 鱼务可。鱼2笪2 比比 + 一 r r， 后 尼 = = 彳 彳 ，j【 尼 七 = = l ，、【 = 一厶 = 允 第二章采川有源滤波器的平衡供电系统方案 其中，= 二笋，万= 织一死。 7 1 由式( 2 5 ) 可以看出，当两供电臂的功率因数相同，且负载电流的幅值相 同时，电流系数的不对称系数为0 ，也就是说电源电流三相平衡，与上一章提 到的纯单相、v 形和y ，d 1 1 联接相比，s c o t t 联接的三相不对称系数比他们小， 因此这种联接方式对减小负序电流是有利的。 综上所述，斯科特变压器实现平衡变换的条件是两供电臂必须具备相同的 负载，且负载的功率因数相同，电流大小相等。然而这种条件在复杂的铁道牵 引系统中显得尤为苛刻，由于换算坡度、列车编组、机车工况等诸多因素影响 机车电流，即使每个供电臂上都有负载，也不能保证其电流情况满足条件。因 此，直接利用变压器实现平衡变换有很大的局限性，只能在一定程度上减轻负 载不对称造成的影响。 2 3 采用有源滤波器的平衡供电方案 由第一章分析可知，牵引供电系统三相负载不平衡的问题实际上可以归结 为负序无功的问题。有源滤波器可以根据控制的要求，分别或同时补偿负载的 无功功率和谐波电流，因而可以通过在系统中增加有源滤波器加以解决。由于 三相不平衡的根源在于两个供电臂上的单相负载不平衡，通过牵引变压器在电 力系统中表现出来，因此有源滤波器应该设置在牵引变电所之内。 在现有系统中，机车所需的有功功率和无功功率均由电力系统完全承担， 现有三相变电所的能量潮流分布如图2 4 所示。 上l 酬遵 j 幽2 4 现有牵引供电系统能量潮流分布图 第二章采川有源滤波器的平衡供电系统方案 如果采用了有源滤波器，其能量的潮流分布示意图入图2 5 所示。可以看 出，电力系统仅向机车提供机车所需的有功功率，而机车的无功功率则完全由 有源滤波器提供。因此从变电站的进线端看，牵引负荷表现出了对称、纯阻性 的特性，三相系统将完全平衡。因此，要实现电力系统负载的平衡变换，必须 在牵引变电所中设置有源滤波器，该滤波器应能完全补偿斯科特变压器两个供 电臂上负载无功功率和谐波功率的总和。若有源滤波器与系统并联连接，则当 有源滤波器出现故障被切除的时候，也不会造成供电中断事故，系统町靠性更 高。 abc 机车 图2 5 采刚有源滤波器的牵引供i 匕系统能量潮流分布削 2 4 针对斯科特变压器的平衡供电方案 斯科特变压器采用了不对称结构以克服不对称负载对变压器原边电流造成 的影响，从1 2 2 节分析可得，若两副边绕组的电流幅值相同，功率因数角相 等，则二相电流对称。本节分析在副边绕组电流不满足此条件时，斯科特变压 器采用有源滤波器的平衡供电方案。为更清楚地分析斯科特副边绕组情况，本 论文仅分析计算斯科特变压器两供电臂的负载情况，对变压器原边三相系统暂 不作详细分析。若斯科特变上臣器副边两供电臂负载满足_ 【：述条件，则变压器原 边的三相必定是对称的。因此，平衡装置的控制目标是无论两供电臂的负载情 况如何，斯科特变压器的两副边绕组都输出与各自电压同相位的、纯基波的电 流，并使这两电流的幅值相等。 第二章采用有源滤波器的平衡供电系统方案 2 4 1 采用平衡供电装置的系统结构 在现有系统中，机车所需要的有功功率由各自的变压器绕组提供，无功功 率则通过变压器绕组与电力系统交换。变压器原边的电流是两个供电臂电流的 合成，该电流是否对称，取决于负载是否满足前述的平衡条件。因为机车负载 的特殊性，在不借助有源滤波器的情况下，两供电臂负载几乎不可能平衡，如 图2 6 ( a ) 所示。为绘图方便，图中用两个单相变压器m 和t 代替斯科特变 压器。 利用斯科特变压器的特点，可以构造如图2 6 ( b ) 所示的平衡方案。 瓯 _ ) l c 屯 1 一 、l | r ， ， ) 一 一， 。、，1 卫 j ：型。”_ _ p v 1 包勺勺鲮 v只 机车机车 ( b ) 采用平衡装置的系统 图2 6 采用斯科特变压器的平衡供电系统及其能量潮流分布示意图 图2 6 ( b ) 中的b e d 即平衡供电装置( b a l a n c i n ge l e c t r i cd e v i c e s ) 。由图 可看出，机车所需的有功功率由各自的变压器绕组承担，在图示两个供电臂负 载不同的情况下，t 绕组还提供一部分有功功率给m 供电臂，系统控制的结果 是两绕组均输出相同的有功功率，各个供电臂的无功功率将全部由b e d 提供。 图2 7 是平衡供电装置的原理图。其中a p f l 和a p f 2 是结构与参数完全 相同的单相四象限变流器，t r l 和t r 2 是两个完全相同的降压变压器，c a p 是 直流支撑电容，两个有源滤波器以c a p 为中心，呈对称结构。因为直流环节起 到了解耦作用，使两个变流器在指令电流生成以及控制上各自独立，因此可以 单个有源滤波器作为研究对象，其指令电流的生成方法与控制策略完全一致。 第二章采用有源滤波器的平衡供电系统方案 a p f l a p f 2 ，i 11 眦 1 p、 四象限 上 四象限 鼍 孓 之。 。 - i ps i n ( n ( c _ o t + 1 2 0 。) + ) + s i n ( ，z ( 缈t + 1 2 0 。) + ) 上式中，和k 分别表示n 次谐波的正序分量和负序分量。 由式( 3 3 4 ) 和式( 3 3 6 ) 可以求得负载瞬时功率： p t ( t ) = u s a ( f ) 么o ) + “曲( f ) f f 6 ( f ) + “。o ) i t c ( t ) = 3 u , 。i i pc o s 仍p - 3 玑。1 1 9c o s 仍g ( 3 3 7 ) 由于只有同频率的电压和电流才能在瞬时功率中产生能量，因此只有基波 电流才能在一个电源周期内产生平均功率，而谐波功率和无功功率的平均值为 零。因此，有上式可得负载的平均功率为： 曰= 亭协( f ) d r = 7 1i p ，i ( t ) d t = 3 u , m i 。p ( 3 3 8 ) 因为负载所需的有功功率全部由电源提供，因此只= 曰，由式( 3 3 5 ) 和式 ( 3 3 8 ) 可求得： 吒= 去= 击= 击；n ”如帆出 慨3 由此可以通过式( 3 3 3 ) 求出期望的电源电流，期望电源电流和负载电流 的差值就可以求出有源滤波器期望的指令电流大小。 由上述分析，可以得到同步检测法得到有源滤波器指令电流的原理框图如 图3 8 所示： 3 0 第三章有源滤波器基本原理的研究 u ，( o 图3 8 同步检测法生成指令电流的原理框图 虽然该方法易于硬件实现，但是不难发现该方法也有以下局限性： ( 1 ) 无法分别正序无功、负序无功和谐波电流的补偿信号，因此只能实现 对正序无功、负序无功和谐波电流的综合补偿； ( 2 ) 当线路阻抗的影响不可忽略的时候，如果负载电流包含谐波成分，则 p p c 处的电压也会含有同频率的谐波成分，谐波的瞬时功率中将含有 直流成分，影响基波有功功率的测量精度； ( 3 ) 当电源电压不对称时，产生的指令电流也是不对称的。 因此，综上所述，同步检测方法只适用于同时补偿正序无功、负序无功和 谐波电流，并且三相电压始终是对称且无畸变的情况。 3 4 4 小波分析法 对于一般的谐波检测，需要获得的是各次谐波的含量，而对于谐波出现的 时间则不关心，因此傅立叶变换就满足要求。然而在对谐波电流进行动态抑制 时，不必分解出各次谐波分量，只需检测出除基波电流外的总畸变电流，但对 出现谐波的时间感兴趣，对于这一点，傅立叶变换无能为力。小波变换由于克 服了傅立叶变换在频域完全局部化而在时域完全无局部性的缺点，即它在时域 和频域同时具有局部性，因此通过小波变换对谐波信号进行分析可获得所对应 的时间信息。 3 4 5 基于神经网络的谐波检测法 在传统自适应检测法的基础上，一些学者提出了一种基于神经元的自适应 谐波的电流检测法。 第二章有源滤波器基本原理的研究 小波分析法和基于神经网络的谐波检测法是目前谐波测量方法的热门话 题，是正在研究的新方法、新理论，当然具有许多不完善的地方且算法较为复 杂，故本文不考虑采用。 综上所述，瞬时无功功率法可以检测负载电流中的正序无功、负序和谐波 分量，但不适用于电源电压畸变及不对称情况；有功分离法虽然可以应用于电 源电压畸变及不对称的情况，但在检测正序无功分量时存在误差。如果电源电 压是对称、纯净的基波，就可以根据系统补偿的需要，从这些方法中选择一种 合适的指令电流生成方法，由此可以推断，当电源电压不对称且存在畸变时， 如果能够获取电源电压的基波正序分量的信息，就可以生成所需的指令电流。 因此，快速、准确地从畸变和不对称的电源电压中获取基波正序电压的信息， 是解决指令电流生成问题的关键。 3 5 本文提出的指令电流生成方法 3 5 1 有功分离法产生基波正序电压 本文提出的电源电压滤波的方法基本思路与有功分离法的过程很相似，虽 然有功分离法在需要补偿正序无功电流的场合存在一定的误差，但是该方法可 以不失真的复现负载电流的基波正序分量，据此可以推断，如果将任意的电源 电压按照与负载电流一样的算法进行处理，也可以快速、准确地得到电源电压 的基波正序分量。 斯科特副边侧电源电压、u 口： “。( f ) = 2 u 。s i n ( n ot + 缈。) ”1 ( 3 4 0 ) “卢( f ) = 2 u 。s i n ( n ot + 妒。+ 9 0 ) = 2 u 。c o s ( n ot + 缈。) 1 = in = l 上式中，u 。可分解为 “。( f ) = 河lc o s ( g , i ) s i n ( c o t ) + 压u is i n ( 妒i ) c o s ( c o t ) + 函。s i n ( 甩c o t + ( p 。) = “口ip ( f ) + u 。ig ( f ) + “。 ( f ) ( 3 4 1 ) 3 2 第三章有源滤波器基本原理的研究 上式中u a l p ( f ) 为基波有功分量 u o t l p ( f ) = 而lc o s ( r p l ) s i n ( c o t ) 屯。( f ) 为基波无功分量 u a l q ( f ) = 而ls i n ( 缈1 ) c o s ( c o t ) i l h ( f ) 为谐波分量 ( 3 4 2 ) ( 3 4 3 ) “口。( f ) ：n 而。s i n ( ，z 国f + 缈。) ( 3 4 4 ) 将式( 3 4 1 ) 两边l 司乘于s l nc o t ，并从时刻0 刽t 进仃积分，此处t 为电源 电压的周期，可得 ，江( f ) s i n ( c o t ) d t = f 而l c o s ( 缈1 ) s i n 2 ( c o t ) d t + jo 2 u , s i n ( ( o i ) c o s ( c o t ) s i n ( c o t ) d t ( 3 4 5 ) + f o 苤而。s i n ( 甩国f + 妒。) s i n ( c o t ) d t 根据三角函数的j 下交性质，上式后两项等于零。于是 。t “。( 小i n ( c o t ) d t = j 而l c o s ( 妒) s i n2 ( c o t ) d t = 等而。c 。s ( 缈。) ( 3 4 6 ) 将上式代入式( 3 4 2 ) ，得到u 口的基波有功分量为 ) = i7 2j 。t 即i n ( 叫出l s i l l ( 叫 ( 3 4 7 ) 同理，可以分解为： ( f ) = 孤e o s ( 0 1 ) c o s ( c o t ) 一压us i n ( 缈i ) s i n ( c o t ) + z 压v oc o s ( m o t + r p n ) n= l j 口( f ) + 坳l g ( f ) + “肋( f ) 34 8() 上式中u f l l p ( f ) 为基波有功分量 “舯( f ) = 而ic o s ( q , 1 ) c o s ( r o t ) u f l l q ( f ) 为基波无功分量 甜i g ( f ) = 一压u is i n ( 缈1 ) s i n ( c o t ) “口。( f ) 为谐波分量 ( 3 4 9 ) ( 3 5 0 ) 第三章有源滤波器基本原理的研究 甜 ( f ) = n 而月c 。s ( ，z 缈f + 妒。) ( 3 5 1 ) 将式( 3 4 8 ) 两边l 司乘于c o s t ，再将该式从时刻0 到t 进行积分，此处t 为电源电压的周期，可得： ， ( f ) c 。s ( c o f ) d f = r 而l c o s ( 伊。) c o s 2 ( c o f ) d t 一，( ：压u 。s i n ( 仍) s i n ( c o t ) c 。s ( c o t ) d t ( 3 5 2 ) + f l 芝而。c o s ( 删坛) c o s ( 刎d f 根据三角函数的正交性质，上式后两项等于零。于是 ，沁( f ) c 。s ( c o t ) d t = ：而。c 。s ( 伊，c o s 2 ( c o t ) d t = 2 u lc o s ( 呼0 1 ) 将上式代入式( 3 4 9 ) ，得到负载电流的基波有功分量为 ) = l7 2j 。r 州咖o s ( 引) 巩l c o s ( c o t ) ( 3 5 4 ) 其中采用过零同步和锁相环( p l l ) 产生与电源电压同步的标准函数s i nc o t 和 c o s 甜t 。 因此，可得生成基波电压的原理框图如图3 9 所示： 图3 9 基于有功分离法提取基波电压原理框图 3 5 2 指令电流的生成 由式3 3 1 求出电源的基波正序电压后，就可以参考3 4 3 节讨论的同步检 测方法生成指令电流。 第三章有源滤波器基本原理的研究 负载的瞬时功率为： p t ( t ) = u a t l p ( f ) 。l l t r ( f ) + 坳l j 口( f ) i l p ( t ) ( 3 5 5 ) 负载的平均功率为： 胪专r p ，( t ) d t ( 3 5 6 ) 其中，t 表示电源周期，n 表示一个电源周期内的采样点数。 对于一个无损耗的电力滤波系统，稳态情况下，主电路提供的能量必须等 于负载消耗的功率，因此，直流侧电容的平均电压将保持一个定植。但是当功 率不平衡时，变流器的直流电容将提供主电路与负载间的功率差，这就导致了 直流电流平均电压的变化。因此为了稳定直流侧的电压，有源滤波器交流侧必 须从电源获得相应的有功功率并向直流侧传递。 为保持变流器直流侧电压的稳定，可以求出电源需要提供的平均功率峨 为： 匕= 寺c ( u 2 阿一u 2 出) ( 3 5 7 ) 其中，c 是直流侧电容量，是直流侧电压的给定值，是直流侧电压 的平均值。由直流侧电压的瞬时值u 出( f ) 按下式求出