（电力系统及其自动化专业论文）电铁供电系统电力滤波器的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第页 a b s t r a c t a sp o w e r s y s t e m s跚p p l yq u a l i t yp m b l e m sg e n e r a t e db yt h y r i s t o r c d n v e n e 墙b e c o m cs e r i o u sa st h e y 甜ew i d e l yu s e di ne l e c t r i f i e dr a i l w a y e l i m i n a t i n gp o w e rs y s t e m sh a 咖o n i ca n di m p r 0 v i n gp o w e rf a c t o ra r em o r ca n d m o r ei m p o r t a n t a c t i v ep o w e rf i l t e r f ) h a sg o o dd y n a m i cc o m p e n s a t i n gp e 哟m a n c e a n dc a nc o m p e n s a t er e a c t i v ep o w e rc o n t i n u o u s l y ，w l l i l ep a s s i v ep o w e rf i l t e r ( p p f ) c a ne n d u r eh i g h c rv o l t a g el e v e la n dr e a c hb u l k i e ic a p a c i t y ，s op o w e r s y s t e m ss u p p l yq u a l i t yc a nb ei m p r o v e dw e l lb yi n t e 簪a t i n ga p fa n dp p fi n t o p a r a u e lh y b r i dp o w e r f i l t c r ( p h p f ) t h et h e s i sa n a l y z c sa n dc o m p a r e ss e v e r a lc u e n t sd e t e c t i n gm e t b o d su s e di n s i n 百c - p h a s ea p f ，a n dd i s c u s s e st h em c t h o d sb 私e do ni s t a n t a n e o u sr c a c t i v e p o w c rn e o r y ( m p d 蛆do na c t i v cc u r r e n ts c p 盯a t cm e t h o d ( a c s m ) i nd e t a i l i nc o m p a r i s o nt ot w 0m e t h o d sb ym a t l a bs i m u l a t i o n ，i tc a b cc o n c l u d e dt h a t t h ef o 阳1 e rd e t e c t h gr e s u l ti sm o f ca c c l l r a t et h a t h cl a n e r ，b u tw h i c hi sa tt h e c o s to fl o n g e rd c l a ya n ds l o 、e rd y n a m i cr c s p o n s e h y s t e r e s i s c u r r e n tc o n t r o l ( h c c ) i sa p p l i e di n s i n 蕾e - p h a s c c i r c u i t e x t e n s i v e l yb yv i r t u eo fi t sm a n ym c r i t s ，s u c ha ss i m p l e rh 缸d w a r ec i r c u i t ，f a s t e t d y n a m i cr e s p o n s e 姐db e t t e rs t a b i l i t ye t c t h e r e f o r c ，h c ci sa p p l i e df o r c o m p e n s a t i n gc u n e n t sc o t r o l l i n gi nt h et h e s i s i np h p eo nt h cb a s i so fp p f sf i l n c t i o nb e i n ge f f e c t i v e l yi m p l 锄e n t e d ，a p f e x i s t si nt h ec i r c u i ta sc o n t r o l l e dv o l t a g es o u r c ef o rd i m i n i s h i n gi n f l u e n c co f h a 册o n i cv 0 1 t a g et os u p p l yg r j d ，a n dc n s u r i n gm o r el o a dh a 加o n i cc u i t c n t si n t o p p f ：a t fv 0 1 t a g ec a nb ec o n t r o l l c db ys u p p l yc u r r c n ts o l e l y ，0 rb y1 0 a dc u r r e n t s o l e l y ，o rb ys u p p l yc u r r e n ta n dl o a dc u n c n tt o g e 也c r ，o fb ys u p p l yc u r r e n t ，1 0 a d c u r r e n t 扎dj u n c t i o nv o l t a g es i m u i t 姐e o u s l y ，柚do rb y1 0 a dc u r r e n t 姐dj u c t i o n v 0 l t a g e i ti se l i c i t e dt h a tt h e4 t ha n d5 t hm e t h o d sa b o v ec 姐r c a l i z ei d e a l f i l t e r i n g i bv a l i d a t ec o t r 0 1c f 盹c t0 f a p f a p p l i c di nt h ct h e s i s ，a _ p fj ss i m u l a t c dw i t h s i m p o w e r s y s t e m sb l o c k s e ti m a t l a b t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 电质量、输电效率和用电设备的使用寿命，因此，电气化铁道的谐波治理问 题亟待解决。 1 2 电气化铁道谐波治理方法 目前，治理电气化铁道谐波的方法分为主动型和被动型两种【2 1 】。所谓主 动型就是设法使电力机车少产生或不产生谐波。所谓被动型就是在母线上装 设谐波补偿装置。由于几十年来我国生产了大量的交一直型电力机车，而且 正在生产的电力机车中交一直型电力机车仍占绝大部分，所以在若干年内交 一直型仍将是我国电力机车的主力【2 1 】。因此，装设谐波补偿装置将是治理电 铁谐波的主要方式。 装设谐波补偿装置的方法有两种【2 1 1 ，一种是采用由电容、电感和电阻构 成的无源电力滤波器( p a s s i v ep o w e rf i l t e r ，简称p p f ) ；另一种是采用主要 由大功率电力电子器件构成的有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ，简称 a p f ) 。 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，但它也 存在如下缺点f 5 4 3 】： ( 1 ) 只能抑制固定的几次谐波，并对某次谐波在一定条件下可能产生谐 振而使谐波放大； ( 2 ) 只能补偿固定的无功功率，对变化的无功负载不能进行精确补偿； ( 3 ) 其滤波特性受系统参数影响较大，并且其滤波特性有时很难与调压 要求相协调； ( 4 ) 体积较大，重量较重。 针对无源滤波技术的上述缺点，1 9 7 6 年，l g y u g i 提出了用p w m 逆变 器构成有源电力滤波器。与p p f 相比，a p f 具有如下优点【5 】： ( 1 ) 有高度可控制和快速响应特性； ( 2 ) 能跟踪补偿各次谐波； ( 3 ) 能自动产生所需变化的无功功率； ( 4 ) 其特性不受系统影响； ( 5 ) 不会与电路发生谐振。无谐波放大危险； ( 6 ) 相对体积和重量都较小。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 3 电力滤波器的发展沿革、国内外现状及展望 1 3 1 电力滤波器的发展沿革f 5 ，3 4 】 早在1 9 6 9 年，b m b i r d 和j f ：m 舡s h 发表的论文中，描述了通过向交流 电网注入三次谐波电流来减少电源电流中的谐波成分，从而改善电源电流波 形的新方法，是有源电力滤波器基本思想的萌芽。 1 9 7 1 年，h s a s a k i 和t m a c h 波a 发表的论文中，首次完整地描述了有源 电力滤波器的基本原理。但由于当时是采用线性放大的方法产生补偿电流， 其损耗大，成本高，因此仅在实验室中研究，没能在工业中应用。 1 9 7 6 年，l g y u g y i 等人提出利用大功率晶体管组成的p w m 逆变器来构 成a p f ，确立了有源电力滤波器的概念，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。但由于受当时功率半导体器件水平以及控制策略的 限制，a p f 的研制一直处于实验阶段。 进入2 0 世纪8 0 年代以来，电力电子技术及控制技术的飞速发展、大功 率可关断器件( g t r 、g t o 、i g b t 等) 的不断进步、以及对非正弦条件下无功 功率理论的深入研究，特别是1 9 8 3 年日本学者赤木泰文等人提出的瞬时无功 功率理论，极大地促进了有源电力滤波器的发展，为时f 的实际应用提供了 必要的条件。 1 3 2 电力滤波器的国内外研究现状及展望 有源电力滤波器作为改善电能质量的一项关键技术，在日本、美国等国 家已得到高度重视，技术上日趋成熟并进入实用阶段。仅在日本就有5 0 0 多 台a p f 投入运行，其单台容量已经达到6 0 m ，应用领域也从补偿用户自 身的谐波向改善整个电力系统供电质量的方向发展m 。根据日本电气学会对 a p f 在日本的应用情况调查，在工业应用中，a p f 主要用于谐波补偿【5 1 。从 目前国外的使用情况来看，利用a p f 进行谐波和无功补偿是今后的一个发展 趋势。 我国于8 0 年代后期开始此方面的研究，取得了很多理论成果【2 l 】。有关 研究主要集中在并联型和混合型，对串联型的研究相对较少。并联型a p f 的 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 研究最为成熟，主要以理论研究和实验研究为主。 随着高速数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，简称d s p ) 为基 础的实时数字信号处理技术的迅速发展，采用模拟量控制的电能质量调节装 置正被采用数字量控制的电能质量调节装置所取代。随着d s p 性能的不断提 高和价格的不断降低，用d s p 来实现实时信号处理已成为当今和未来技术发 展的一个新热点。此外，高压大容量电力半导体开关器件的飞速发展，以及 其他新型场控器件的开发必将促进a p f 技术的应用和发展。 从实用角度讲，影响a p f 推广应用的因素有【2 l 】： ( 1 ) a p f 的补偿容量受到电力电子器件的耐压、容量、开关频率及动 态补偿性能的限制； ( 2 ) 与p p f 相比，初期投资大( 在日本为p p f 的3 5 倍) ，运行费用高 ( 效率为9 5 左右) ，电磁干扰大。 因此，增大器件容量、减小开关损耗、降低成本以及研究更好的控制方 法来提高动态补偿特性是船f 今后的发展趋势。 此外，将p p f 与a p f 组合在一起而构成的混合型电力滤波器是近年来发 展起来的一种经济、安全、可靠和实用的谐波补偿技术。将a p f 与p p f 组合 使用，合理分担补偿需求，既能减少a p f 的容量( 约为补偿对象的3 一5 ) 【2 2 】，又能弥补p p f 和a p f 各自的不足，是实现谐波治理最有前途的技术之 。特别是对于电铁这样的大容量谐波源，混合型电力滤波器既能充分发挥 p p f 耐高压、大容量易于实现等特点，又能显示出a p f 所具有的宽谐波抑制 范围和自动跟踪等优势。 在利用混合电力滤波器治理电铁谐波方面从1 9 9 8 年起西南交通大学与 华南理工大学开始合作开展这一课题的研究工作，尤其对无源一有源混合型 滤波器的结构、容量优化及控制策略等进行了深入的研究，取得了令人满意 的结果【2 1 1 。1 9 9 9 年1 0 月，株洲电力机车研究所与西南交通大学也开始合作 展开这方面研究，并搭建了中等功率实验系统( 负载容量为1 m 、，a ，a p f 容 量为1 0 0 k 、，a ) 1 2 ”。 1 4 本文的主要工作 本文的主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 简单介绍有源电力滤波器的分类及补偿方法。以并联型有源电力滤波 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 器为例，分析有源电力滤波器的工作原理，介绍和分析有源电力滤波 器中关键部分谐波及无功电流的检测方法，并且详细介绍基于瞬 时无功功率理论检测方法的p q 检测法、如如检测法和d 口检测法的检 测原理。以电力机车为谐波源，介绍单相电路的谐波及无功电流的检 测方法，对基于有功电流分离法和基于瞬时无功功率理论的两种检测 方法做了原理分析和仿真比较，仿真结果验证了基于瞬时无功功率理 论捡测法和基于有功电流分离法的检测方法都能检测出谐波及无功电 流，基于瞬时无功功率理论检测法的检测结果略准确些，但时延略大， 动态响应速度略慢。 ( 2 ) 分析牵引变电所引入混合电力滤波器的原因及安装位置，给出混合电 力滤波器连入电路的拓扑。介绍并联型混合电力滤波器的工作原理， 根据电网电流、负载电流和连结点处电压的不同组合，有源电力滤波 器两端电压有五种表达式，即a p f 电压可以单独受控于电网电流；单 独受控于负载电流；受控于电网电流和负载电流；同时受控于电网电 流、负载电流和连结点处电压；还可以受控于负载电流和连结点处电 压，经过分析推导，后两种表达式都能使混合电力滤波器达到理想的 滤波效果。 ( 3 ) 分析有源电力滤波器电压环控制的基本原理。介绍单独使用的a p f 中 电流环控制的几种方法及其各自的优缺点，详细介绍电流滞环跟踪控 制方法，并对混合电力滤波器的控制进行介绍。对逆变器直流侧电容 器电容值及电压给定值进行确定，经过分析推导，给出输出滤波器电 感值和电容值的确定公式。 ( 4 ) 用m a t l 墟s i m u u n k 仿真软件对电力机车负载进行建模仿真，对 负载产生的谐波及无功电流的检测和有源电力滤波器的控制进行仿 真，仿真结果验证了理论分析的正确性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章a p f 简介及谐波、无蠹鋈雾薹萎耄 | | j ；耋耋掌羹 霉囊孽莹酗；霪囊鏊主要i ；囊冀车j ! ：寓| | 耋耋二三= 量 耄重王掣霉 霎糯并= d 羹羞t i # 轷d 蚕“萋l ；呶新们耋粪囊薹酬川驯萤到琵女薹羹勾主乏 _ = = ? i - i 童妻霎至气蛙善薹圣妻喜i j 葛乏耋塞蓑 趣萋藿曼 黼耋奏0 一i 耋妻喜馨釜。霆摹主一号i 俳 消除系统与p p f 之间的谐振。 ( 2 ) ，一蚝时 y 曲单独作用时 铲百i ”而若b ( 3 - 6 ) 整理式( 3- 6 ) 得 1 k 而i i 面 ( 3 7 ) 池单独作用时 惫。一忐 ( 3 - 8 ) 整理式( 3 - 8 ) 得 小焘 ( 3 - 9 ) 图2 3 电流型a p f 如图2 2 和图2 3 所示，电压型a p f 直流侧储能元件为电容；电流型a p f 直流侧储能元件为电感。电压型a p f 在工作时需对直流侧电容电压进行控 制，使直流侧电压维持不变，因而逆变器交流侧输出为p w m 电压波；而电 流型a p f 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， 因而逆变器交流侧输出为p w m 电流波。电压型a p f 的优点是损耗少，效率 高，且技术上较为成熟。在目前实际应用的a p f 中，9 0 以上都是电压型的 【2 4 】，本文也选用电压型a p f 作为主电路。 2 1 3 时f 的补偿方法 根据与负载连接方式的不同，a p f 补偿方法可以分为三种，即串联补 偿法、并联补偿法和串一并联补偿法【8 j 。 图2 - 4 并联型a p f 图2 4 所示为并联型a p f 。在电路中，a p f 与负载并联连接。并联型a p f 可产生与负载谐波及无功电流大小相等、相位相反的补偿电流，从而将电源 侧电流补偿为正弦波【8 l 。并联型a p f 主要用于阻、感性负载的电流谐波补偿。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 喜1 他 争。”1r 一负载l 、。 。u o - - 一 啪 图2 5 串联型a p f 图2 5 所示为串联型a p f 。在电路中，衄f 通过电流互感器与负载串联 连接。串联型a p f 可用于消除带电容的二极管整流电路等电压型谐波源负载 对系统的影响，以及对电网电压的波动和电压谐波进行补偿【扪。 一 岖嚣卧 图2 6 串一并联型a p f 图2 6 所示为串一并联型a p f 。其兼有串联型a p f 和并联型a p f 的功 能，可用于电能质量综合补偿器。 由于本文讨论的补偿对象是阻感性负载的电铁供电系统，因此采用并联 型a p f 补偿方法。 2 1 4 注入电路方式嘲 注入电路是为降低a p f 容量而提出的一种方式。该方式用电感和电容构 成注入回路，利用电感、电容电路的谐振特性，使a p f 只需要承受一小部分 的基波电压，从而达到减小时f 容量的目的。 根据电感、电容电路谐振特性的不同，注入电路可以分为电感和电容式 注入电路、二段式电容注入电路和l c 并联式注入电路，以并联型a p f 为例 的各种注入方式如图2 7 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 负蓑负坑 一一： l _ j 注入电路注入电路 l i 注入电路 a ) 电感和电容式b ) 两段电容l c 串联谐振式c ) l c 并联谐振式 图2 7 并联型a p f 电路注入方式 图2 7 a 为采用电感和电容构成的注入电路。由于电感对谐波的阻抗很大， 而电容对谐波的阻抗相对很小，因此，a p f 产生的谐波补偿电流通过电容流 到负载，基波电流几乎全部流入到电感，而使得a p f 不需要产生基波电流， 从两减小了a p f 的容量。 图2 7 b 为采用电感和二段电容构成的注入电路。该注入电路中的c 分成 了c l 和c 2 ，并使c 2 和工在基波频率处发生谐振，则在a p f 上不再施加基波 电压，因此a p f 的容量只需满足谐波分萤的容量即可，使容量大大降低。 图2 7 c 是三c 并联谐振式注入电路。在a p f 和电网之间串入在基波频率 处发生谐振的l l 和c 并联电路，基波电压绝大部分都加在此谐振电路上，使 a p f 与工2 一样，只承受其余很小一部分基波电压。这种注入电路的另一个好 处是流过工1 、c 和工2 的基波电流很小。 2 1 5 与三c 滤波器混合使用的并联型电力滤波器【5 】 a p f 与工c 滤波器混合使用的并联型电力滤波器有两种类型，一种是a p f 与工c 滤波器并联后再与负载并联接入电路，另种是a _ p f 与工c 滤波器串 联后再与负载并联接入电路，其结构如图2 _ 8 所示。 互童銮鎏盔耋巫圭塑塞尘兰垡盐塞茎：基 铲归吼。詈f ，詈x 詈。赢p 。南p ( 2 - 1 4 ) 铲霾獠8 蓁蓁。鬟囊 襄蓦i 然羹t “1 雾垂鬻薹 ；! 。； j g 薷薹i = 蠢i 冀蠢耋彝 喜；2 要 饕重耋i 霆穗蕈5 雾鬻蠢 ：目_ l 薹i 班疆助而的单相逆冀舔垦鞲i 嚣。型嚯荫琴脚嚏丽；薹蠹= 鞴 锸睦搏筒i 前划南1 ，墓群p 刮翳- 百墓礓用翰秭苄轿营导：黔 ；器 ，上桥臂导通用1 表示，下桥臂导通用0 表示。对 应于逆变器主电路有四种工作模式：模式0 一模式3 ，对应矢量分别用k 、h 、 k 、玛表示，其中h = 一砜、耽=砜。设七。、为对应于四种工作模式的开关 系数，其数值由两个桥臂各个开关的通断状态来决定。具体对应关系如表5 1 所示。 表5 1 主电路工作模式n( o 3 ) 的开关系数 当零矢量和玛作用时，逆变器的直流侧和交流侧不会有能量交换， 但提供输出电流流通路径，因此，零矢量在控制中是不可缺少的。 当逆变器输出电压为以时，由以上分析可得如下表达式 五乩一彤+ 碱( 5 - 1 ) 式中 x 图2 1 1 一岛检测法原理 图中： c ；兰： p s z ， i c o s f s j n fl 、。 检测法需要用到与爿相电网电压同相位的正弦信号s i n f 和对应的余 主霎羹。誊i 萋；姜翼羹一垂妻尊蒙i 羹；j | ；妻l 鬻蓄| l ；鎏鬟霎薹霎：! 。! ；茎溪一 囊翼；羹蠹塑薹需掣产栅蒂； 麦一囊丝惺登船鬯强誉尉鲤羹- 萋韧酗蓟积矾嘲垂凌! 俄嚆蕊瓣皤两翼静鞘。 蚕。耋蓍 后变为电流值，即为补偿电流值。 有源电力滤波器的补偿特性主要取决于输出补偿电流对于补偿指令电流的跟 踪控制能力，所以主电路交流侧电感值的取值应保证有源电力滤波器具有跟 随指令电流最大变化率的能力。如果电感值取值过大的话，有源电力滤波器 的补偿电流将跟不上指令电流的变化，从而影响到有源电力滤波器的补偿效 果。 由式( 5 - 1 1 ) 经推导得电感最大值为 西南交通大学硕士研究生学健论窑篁丝亟 功分量和直流无功分量亏，再将和亏作相应的反变换后得基波有功电流 ，和基波无功电流，即： | ：； 一c 。罔t = ：釜：】【等嚣 一【，l 盏警东0 ) 】c 2 舶， 从s ( t ) 中减去屯，即检测出谐波及无功电流：若减去i 口，、f p ，之和则只得到 谐波电流。基于瞬时无功功率理论的单相电路谐波及无功电流的检测原理框 图如图2 1 3 所示。 图2 1 3 基于瞬时无功功率理论的单相电路谐波及无功电流的检测原理框图 图2 1 3 中，p l l 是与电网电压同步的锁相环，p l l 和正、余弦信号发 生电路( s i n 、c o s ) 共同作用产生出交换矩阵c 中所需要的s i n f 和- c o s f ， s i f 和c o s r 是与电网电压“。同相位的正弦信号和对应的余弦信号。当开 关s 闭合时，最后检测到的只是谐波电流。若要同时检测谐波电流和无功电 流，只需将s 断开即可。 2 2 4 基于有功电流分离法的单相电路谐波及无功电流的检测原 理 单相电路谐波及无功电流的检测除采用基于瞬时无功功率理论的方法 外，还可以采用基于有功电流分离法的检测方法【1 3 1 。在此种方法中，采用与 电网电压同频的单位余弦、正弦信号分别与电网电流直接相乘，并经低通滤 波器后得到电网电流中的瞬时基波有功电流及瞬时基波无功电流，进而得到 瞬时谐波电流1 1 1 ，1 3 19 1 。 设电网电压和电网电流与上节中的相同，分别如式( 2 3 4 ) 和式( 2 3 5 ) 所示。 电网电流f 。( 1 ) 可以分解为： ( f ) - f ，( f ) + o ) + f ( f ) ( 2 - 3 9 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 式中知( t 卜瞬时基波有功电流； ( t 卜一瞬时基波无功电流； “( t 卜一谐波电流。 将式( 2 3 9 ) 作傅里叶分解得； ( f ) - ls i n 0 叫+ 丸) 一j p c o s 耐+ s i n 埘f + ls i o 耐+ 戎) ( 2 - 4 0 ) 由式( 2 - 3 9 ) 可知，如能分离出f p ( t ) 则可得到谐波及无功电流。基于此，将 式( 2 4 0 ) 两边同时乘以s i n f 得： 蛐“- 等札娜刎+ 孚血勉+ 静嘞犁廿嘞+ 靼砌 。o 一瞄拟) + 冬s i n 拟十薹争瞄一啦+ 屯卜s 胁+ 驹+ 东n ( 2 4 1 ) 从式( 2 - 4 1 ) 得知，我们可以将电网电流与标准正弦信号相乘，经l p f 滤波 后得到有功电流的一半，再将增益扩大一倍得，口，然后再乘以标准正弦信号， 即可得到基波有功电流分量： f p ，ps i n 耐 ( 2 - 4 2 ) 最后用电网电流f 。减去基波有功电流，剩下的即为谐波电流与无功电流 之和。基于有功电流分离法的单相电路谐波及无功电流的检测原理框图如图 2 1 4 所示。 图2 - 1 4 基于有功电流分离法的单相电路谐波及无功电流的检测原理框图 2 2 5 基于有功电流分离法和基于瞬时无功功率理论的两种检测 方法的比较 采用m a t l b 6 5 仿真软件，分别对基于有功电流分离法和基于瞬时无 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 4 页 功功率理论的谐波及无功电流的检测方法进行仿真。流过电力机车的电流f 。 采用文献【3 1 】给出的表达式来模拟，即为： 斤 0 ) t 、二4 9 0 ( s i n t + 3 5 石1 8 0 ) + o 2 2 血( 3 t “吮1 8 0 ) + 0 1 s i n ( 5 磁+ 1 8 石1 8 0 ) i + 0 0 7 s i n ( 7 t + 3 0 石1 8 0 ) + o 0 5 s i n ( 9 t + 6 0 _ ，r 1 8 0 ) + o 0 2 s i n ( 1 1 t + 4 6 玎1 8 0 ) + o 0 1 s i n ( 1 3 i + 8 3 玎1 8 0 ) + o 0 1 s i i l ( 1 7 t + 1 3 8 玎1 8 0 ) + 0 0 l s i n ( 1 9 t + 2 0 万1 8 0 ) + 0 0 l s i ( 2 1 讲t + 1 3 8 石1 8 0 ) + o 0 1 s i ( 2 3 埘t ) 】( 2 4 3 ) 其波形如图2 1 5 所示。 图2 1 5 电网电流波形图 图2 - 1 6 基于有功电流分离法的检测方法电路图 a ) 检测的基波有功电流 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 b ) 检测的谐波及无功电流 图2 1 7 基于有功电流分离法的检测法仿真波形 图2 1 8 基于瞬时无功功率理论检测法的m a = n a b 电路图 a ) 检测的基波有功电流 b ) 检测的谐波及无功电流 图2 1 9 基于瞬时无功功率理论检测法的仿真波形 a 、基于有功电流分离的枪测法 坊基于瞬时无功功率理论的检测法 图2 2 0 检测的基波有功电流的谐波畸变率( t h d ) 仿真过程中图2 1 6 和图2 1 8 的低通滤波器的时间常数均设置为 1 2 1 0 3 s 。 通过仿真，得到如下结论： ( 1 ) 从仿真波形2 1 7 和2 1 9 可以看出，两种检测方法都能检测出谐波 及无功电流。 ( 2 ) 对比图2 1 7 a 和图2 1 9 a 可以看出，基于瞬时无功功率理论检测法 检测到的基波有功电流比基于有功电流分离法所检测到的基波有功电流更接 近正弦波。这可以通过图2 2 0 得到验证：从图2 2 0 的两个波形可以看出， 基于有功电流分离法的检测方法检测到的基波有功电流的总谐波畸变率稳定 后的值约为6 ，而基于瞬时无功功率理论检测法检测到的基波有功电流的 总谐波畸变率稳定后的值约为零。 ( 3 ) 从图2 2 0 两个图达到稳定前的波形可以看出，基于瞬时无功功率理 论检测法检测到的基波有功电流的谐波畸变率最大值耍大于另外一种检测法 对应的值，这是基于有功电流分离法的检测法优于基于瞬时无功功率理论检 测法的地方。同时，从此图还可以看出，基于瞬时无功功率理论检测法达到 稳定值需要的时间相对长一些，这说明基于有功电流分离法的检测方法比基 于瞬时无功功率理论检测法的动态响应速度略快。 ( 4 ) 仿真过程中发现，当低通滤波器的时间常数增大时，检测的基波有 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 第3 章牵引变电所引入混合电力滤波器 对于抑制谐波和提高功率因数，传统的措施是在负荷端口装设无源电力 滤波器( p p f ) 【2 l 】。p p f 固有的缺点【2 1 】决定了它单独承担补偿功能时的实时 性差，而且容易与电网发生谐振。a p f 最大的特点是能对变化的谐波及无功 进行迅速的动态跟踪补偿，能对无功进行连续补偿。且补偿特性不受电网阻 抗的影响【4 l 】，基本上克服了p p f 的缺点。但a p f 受其容重、开关元件的耐 压和开关频率的限制1 3 2 1 ，如果单独将它应用于电气化铁道牵引负荷这样的大 容量谐波源的补偿，在工程实现的经济性和技术性上都存在相当大的困难。 因此，针对p p f 和a p f 各自的优、缺点，充分发挥p p f 耐高压和大容量易 于实现的特点，以及a p f 所具有的宽谐波抑制范围和自动跟踪优势，将a p f 和p p f 混合起来使用是一种投资适中、技术先进、性能优越的谐波及无功综 合补偿方案【2 1 】。 a p f 与p p f 配合的方案有很多种，其中以a p f 与p p f 串联组成并联混 合型电力滤波器( p a r a l l c lh y b r j dp o w c rf i l t c f ，简称p 卸p f ) 的方案比较适合 于我国电气化铁道谐波治理【1 8 ，2 1 3 引。 3 1p 珈p f 安装位置的确定 p h p f 应该装设在牵引变电所的次边而非原边，现进行分析如下。 p 瑚，f 安装在牵引变电所原边的不利因素有： ( 1 ) 安装在牵引变电所原边的混合电力滤波器电压等级高，成本会因此 而上升： ( 2 ) 考虑一个牵引变电所安装p h p f 时所用的设备，安装在变电所原边 时需要p p f 和耦合变压器及输出滤波装置各三套( a 相、b 相、c 相各一套) ； 安装在变电所次边时需要p p f 和耦合变压器及低通滤波器各两套( a 相和b 相每相各一套) 。因此，安装在原边时的p p f 、耦合变压器和输出滤波器将各 增加一套。 ( 3 ) p h p f 安装在牵引变电所的原边时，由于少了牵引变压器的阻碍， 电网谐波分量( 也即背景谐波) 将更容易影响p h p f 的滤波效果。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 9 页 p 瑚 f 安装在牵引变电所原边的有利因素有； ( 1 ) 如果p h p f 安装在牵引变电所的原边，则牵引变压器可视为电铁一 次供电系统负载的一部分，这样电网将更“纯净”； ( 2 ) p h p f 安装在牵引变电所原边时，需要三相a p f ( 为三桥臂逆变器) 一个；安装在次边时，需要单相a p f ( 为两桥臂的单相全桥逆变器) 两个。 因此，从a p f 桥臂来看，安装在原边时要减少一个桥臂。 从安装在原边的有利因素的第( 2 ) 点可以看出，p h p f 安装在牵引变电 所次边比安装在原边时逆变器多一个桥臂。但由于牵引变电所中牵引变压器 的变比为1 1 0 ：2 7 5 = 4 ：1 ，因此，从设备所需费用的角度考虑，p 瑚) f 安装 在牵引变电所的次边较节省费用。 综合以上分析，将p h p f 安装在牵引变电所的次边，对谐波进行就地补 偿，从而将电网谐波限制在国家标准限值内，此乃较为经济、合理的方案。 3 2 混合型电力滤波器拓扑 使用交一直型电力机车的电气化铁道产生的谐波与其它非线性负荷的谐 波相比具有一些明显的特点【2 l ： ( 1 ) 单相独立性。虽然我国铁路的供电系统都采用牵引交电所二次侧两 个单相供电制，但两个相的负荷相关性很小，通常认为两臂负荷是相互独立 的。 ( 2 ) 随机波动性。谐波电流随基波负荷剧烈波动，范围很大。 ( 3 ) 相位广泛分布。谐波向量可在复平面4 个象限上广泛分布。 ( 4 ) 高压渗透性。电气化铁道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。 ( 5 ) 稳态奇次性。单相整流负荷在稳态运行时只产生奇次谐波，只在涌 流中含有偶次谐波，并且电力机车产生的特征谐波以3 、5 、7 、9 次为主。 因此，用于牵引变电所二次侧两相的两个补偿装置结构上可以完全相同 【2 1 l 。对于p p f 可用3 、5 、7 次单调谐及高通阻尼滤波器构成，高通滤波器的 滤波特性在高频段具有连续性，而在低频段则由单调谐滤波器的谐振频率构 成了几个离散的谐振点。p p f 能承担绝大部分的基波电压，在降低a p f 容量 的同时还担负着固定无功补偿的作用。 a p f 主要对p p f 起补充作用，消除经p p f 滤波后残余的谐波电流，同时 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 0 页 能消除p p f 与系统阻抗发生谐振，减小参数变化对滤波系统性能的影响。 p m f 并入电网取其单相的拓扑【1 8 】【2 l 】如图3 1 所示，另一相的结构与之 完全相同。 图3 1p h p f 引入电网拓扑 图3 1 中，a p f 串在p p f 的下部，有利于保护和降低绝缘等级【2 叭。t 是 耦合变压器，将a p f 和p p f 串联起来，同时可以降低a p f 的电压等级；工f 、 c f 构成逆变器的输出滤波器，此滤波器为低通滤波器，以滤除逆变器的开关 频率分量，进而防止a p f 对电网造成新的污染；o 、工3 、r 3 分别为滤波电容、 滤波电感和滤波电阻，共同构成p p f 的3 次谐波滤波器，5 次、7 次及高次 诣波滤波支路分别见图3 1 ；c d 是逆变器的直流侧储能电容，工作时要求c d 两端的电压恒定【5 1 ，这可以通过控制来实现。 3 3 并联混合电力滤波器的工作原理 图3 2 仅p p f 作用时的滤波原理图 图3 - 2 中，z s 为电源阻抗：v s h 为电网电压谐波分量；为电网电流的谐 波分量；i l h 为负载电流的谐波分量。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 4 页 - o j 一( 3 - 1 6 ) l - z m 么+ 另外，从式( 3 - 1 4 ) 和式( 3 1 5 ) 可以看出，z s 已从等式右边的分母中消失， 使z s 与知f 发生谐振的条件无法成立，从而避免了谐波放大现象的发生。 从上述过程中没有看出飓特别的作用，分析当一墨么+ 一时的情 况。 ( 5 ) - 蚝么+ 爿时 f s h 和v f h 在这种情况下的表达式分别为 f一 1 4 ，：z 一生； 2 “。i i 二：孬云：瓦。“+ i r ：j ；藏 f 3 1 7 ) ”彘一踹屯 阻埘 同样令a = 1 ，则式( 3 1 7 ) 和式( 3 1 8 ) 分别变为 屯o + 互些 ( 3 1 9 ) 1 1 一坠学o ( 3 2 0 ) 比较式( 3 - 1 9 ) 和式( 3 - 1 4 ) 及( 3 - 2 0 ) 式和式( 3 - 1 5 ) 可以看出，式( 3 1 9 ) 和式 ( 3 - 2 0 ) 等式右边第二项的分母中都少了k s 这一加数项。当条件i z 。一ki - o 满足时，同样能达到理想的滤波效果，但v p f 的表达示中少了一个控制量， 即凰f s h ，检测和控制电路都将因此而变得简单。 从以上分析可知，对a p f 电压控制的五种方法中，后两种情况下都能使 系统达到理想的滤波效果，即一种是同时检测电网电流、负载电流和连接点 处的电压：另一种是同时检测负载电流和连接点处的电压。这两种方法中， 由于第二种方法比第一种方法少了一个控制量，电路将因此而交得简单。 亘童銮望盔堂塑主塑塞生兰垡笙塞蔓兰要 的噶脚黑蘸藏鞫剧e 乐意崩副矧；否兽而酌譬囊翮辅棘滔犏榷；矗；哗卫眩酱 吼氍鼽皑比翟i 辞嚣疆鱼莓戤鬻糊鞴鞠载鞘一鲥鞋薪i 强翱摇妻，i 赢泰； 娟| ；发茹枪瀑敬各早副强烈刿划 犁嚣；i 鬯蠕嘲剖啵法嘤逻煨幽昱黑瓢型要般叫掣隈毒蹩啷二医塾酸 | 。| | 譬g 鞭i 罄觇鲺比# 里量裂列孙r 瓦别f 暨剥= 型翠嘟强嘎瀚潞翟幢搦 谢在 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。 ( 6 ) 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。 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其算法较 为复杂，故本文不考虑采用。 2 2 2 瞬时无功功率理论检测；去【5 】 2 2 2 1 三相瞬时无功功率理论 设三相电路的电压和电流瞬时值分别为、8 n 氏和、如、f 。将其交 换到口爹两相正交坐标系后得： 卧i l 涵s ， m 团 4 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 0 页 一零矢量或； 乃非零矢量k 的作；垂萋= 霪妻墓囊季薹蠢藿霪囊i 嘎j 之差： 萋妻善j 主巳d ，蠹拉墅冀攀嚏事阿嘲撙，勒哩臻塑熏露吼臻璐盈手 笋i 警篓j 霆瑞挫露性臻舞裂羁强盥变鲣覆羹每瞳躞趣 藿。薹引一蓁箱 薹t 粥一蒌 茎。| 萋薹囊纛鎏黧鎏冀鬟委襄冀囊雾| 萋耋蚕羹篓篓蠢 器u 嚏 婴t 蓁| 蛆蝼。q 薯i 粤磊荔的 通道即可 。 对于三相三线制电路，当电网电压波形发生畸变时，不论三相电压、电 流是否对称，p g 法检测的结果都会有误差，所以p 目检测法仅适用于对称三 相且无畸变的电网。 2 2 2 3 - 检测法 一岛检测法的 x 第6 章系统的仿真研究 6 1 仿真工具及其仿真方法f 3 3 t 5 0 ，5 1 】 仿真软件采用t h em a t h w o r k s 公司于2 0 0 2 年推出的 d ：虹l a b 6 5 s i m u l i n k 5 0 。 m 棚a b 译为矩阵实验室，即m a t r i x 乙b o r a t o r y 的缩写。其绩墨更加 准确鹭时f 蛋。缈同嚼i 型刿鹭烈，禽割爱勾= ；斯嗣：蕈耋丝謇；妻子沮一 憾璀喇溺浼眄庵i 剌于j 封刚削别柳雾；羹囊露： 用，其安装位 置在牵引变压器的副边比原边更为经济、合理。 ( 3 ) 混合电力滤波器中舳f 以受控电压源的形式出现在电路中，其控 制量可以是负载电流、电网电流和连结点处电压的组合，共有五种组合：单 独的电网电流、单独的负载电流、电网电流和负载电流组合、电网电流和负 载电流及连结点处电压的组合、负载电流和连结点处电压的组合。其中，后 两种都能使系统达到较理想的滤波效果。 ( 4 ) 变流器直流侧电压在半个多周期( 大约0 0 1 2 s 时) 达到给定值2 5 l 【v ， 随后的波形比较平直，说明电压环的控制方法基本成功地实现了对直流侧电 压的控制。在单相有源电力滤波器的电流环控制方法中，电流滞环跟踪控制 图6 1 原系统仿真模型a)电源电压) 负载电流图6 2 原系统仿真波形 从图6-2原系统仿真模型可以看出，电网电流与负载电流相等。图62b 的负载电流中各次谐波含有量(波形稳定后的峰值)如表61所示。表6 1 负载电流中各次谐波含有量 谐波次数及各次谐波电流含有量a谐波次数2 3 4567 8 91 0含有量o 03 6 00 o2 1 0o o1 5 00 0 罐；蜜鼋= 需 制电路加 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 7 页 谐波次数 1 11 21 31 41 51 61 71 81 9 含有9 0o o7 ，00 06 00 o5 o0 04 5 从表6 1 可以看出，电网电流偶次谐波含有量均为零；而奇次谐波含有 量比较大，因此要对其进行谐波治理。 同时，从图6 2 可以看出，原系统负载电流( 即电源电流) 滞后电源电 压一个角度，说明负载消耗了感性无功功率，需要对无功进行补偿，以提高 电网的功率因数。 6 3 有源电力滤波系统仿真 6 3 1 检测部分模型及其仿真 2 2 节已介绍了几种检测谐波及无功电流的方法，并对其中的两种方法进 行了分析比较，本文采用基于瞬时无功功率理论的电流检测法。2 2 节中已 介绍过瞬时无功功率理论既能检测出谐波电流又能同时检测出谐波及无功电 流。图2 - 1 3 的开关s 合上时只检测出谐波电流；开关s 打开时同时检测谐波 及无功电流。 图6 3 检测谐波电流模型 西南交通大学硕士研究生学位论文墓! 墨亟 a ) 检测的谐波电流 b ) 检测的基波和无功电流 图6 4 谐波电流检测 图6 5 检测谐波及无功电流模型 a ) 检测的谐波及无功电流 b ) 检测的基波电流 图6 6 谐波及无功电流检测 从图6 6 b 可以看出检测出的基波经过一定时延才进入到稳定的正弦波， 主要原因是模拟过程中采用的低通滤波器的截止频