（电力系统及其自动化专业论文）电铁供电系统单相有源电力滤波器的研究.pdf

a b s t r a c t t i t l e ：s t u d yo ns i n g l ep h a s ea c t i v ep o w e rf i l t e rf o rt h e e l e c t r l f l e dr a v v a ys u p p l ys y s t e m m a j o r ：e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n d a u t o m a t i z a t i o n n a m e ：l ic h e n s u p e r v i s o r , p r o f x i a o p i n gy a n g a b s t r a c t s i g n a t u r e ：垃趔翻 s i g n a t u r e ：逆搿，吲 w i t ht h ea p p l i c a t i o no f p o w e re l e c t r o n i c sm o r ea n dm o r ew i d e l y ，i tl e a dt ot h ec a p a c i t a n c e o f n o n l i n e a rl o a di n c r e a s ec o r r e s p o n d i n g l y a tt h es a m et i m e ，p o w e rs y s t e mi sp o l l u t e dw i t h h a r m o n i cc u r r e n ts e r i o u s l y a sah i 啦v o l t a g es i n g l ep h a s en o n l i n e a rl o a d ，t h ee l e c t r i f i e d r a i l w a yl o a dh a sb e c o m eo n eo ft h eh a r m o n i cs o u r c e so fp o w e rs y s t e m s o ，t h er e s e a r c ho n h a r m o n i cs u p p r e s s i o ns c h e m ef o re l e c t r i f i e dr a i l w a yl o a di sb e c o m i n gah o ts u b j e c ti nr e c e n t y e a r s - a s i n g l ep h a s ep a r a l l e la c t i v ep o w e r f i l t e ri sp r o p o s e db a s e do ns u p p r e s s i n gt h ee l e c t r i f i e d r a i l w a ys u p p l ys y s t e mh a r m o n i cc u r r e n t t h et w ok e y so fh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i n ga n d c o m p e n s a t i n gc u r r e n tc o n t r o lh a v eag r e a ti m p a c to nt h ep e r f o r m a n c eo fi t e x a c ta n dr e a l - t i m e d e t e c t i n g o ft h ei n s t a n t a n e o u sv a r i a b l eh a r m o n i cc u r r e n ti nl o a di st h ep r e m i s ef o r c o m p e n s a t i n go fa c t i v ep o w e rf i l t e r t h i sp a p e rd i s c u s s e ss e v e r a lh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i n g m e t h o d s t h es i m p l ea r i t h m e t i ca n dr e a l i z a t i o n ，l i t t l ed e l a ya n dq u i c kr e s p o n s ev e l o c i t yo f t h e h a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i n gm e t h o db a s e do nt h ep h a s ed i s t i n g u i s h i n gt e c h n o l o g ya r ei m p r o v e d b yt h e o r e t i c a la n a l y s i s a n ds i m u l a t i v er e s e a r c h t h i sd e t e c t i n gm e t h o di so nf i tf o rt h e e l e c t r i f i e dr a i l w a ys u p p l ys y s t e m c o m p e n s a t i n gc u r r e n tc o n t r o li st h ek e yt a c h et oa c c o m p l i s ht h ev a r i o u sf u n c t i o n so f a c t i v ep o w e rf i l t e r i nt h et e x t ，t h ei m p r o v e dt r i a n g l e w a v em o d u l a t i o nc u r r e n tc o n t r o lm e t h o d a n dt h eo n ec y c l ec o n t r o lf o rd o u b l e d i r e c t i o nc o m p e n s a t i n gc o n t r o ls c h e m eo fa c t i v ep o w e r f i l t e rc o m p e n s a t eh a r m o n i cc u r r e n to ft h ee l e c t r i f i e dr a i l w a ys u p p l ys y s t e me f f e c t i v e l y ，a n d c o m p a r et ot r a d i t i o n a lm e t h o d s ，i t ss h o wm o r es u p e r i o r i t y t h es i m u l a t i v er e s u l ts h o w st h a tt h e r a n g eo fc u r r e n te r r o rw i t ht h ei m p r o v e dc u r r e n tc o n t r o lm e t h o di ss m a l l e rt h a nt h a tw i t ht h e t r a d i t i o n a lm e t h o d ，a n dt h ef o r m e rm e t h o dc a nh e i g h t e nt h ec o n t r o lp r e c i s i o n t h e d o u b l e d i r e c t i o nc o m p e n s a t i n gc o n t r o ls c h e m en e e dn o td e t e c th a r m o n i cc u r r e n ta sw e l la s b r i n gr e f e r e n c e dc u r r e n ts i g n a l ，w h i l ed i s p l a ye x c e l l e n tc o m p e n s a t i n gp e r f o r m a n c ea n ds i m p l e c o n t r o 】c i r c t a i r 西安5 5 _ 大学硕士学位论文 t ov e i l f yt h ef e a s i b i l i t yo ft h eh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i n gm e t h o da n dc o m p e n s a t i n g c u r r e n tc o n t r o lm e t h o d ，t h i sp a p e rs i m u l a t e ss i n g l ep h a s ea c t i v ep o w e rf i l t e ru s e di nt h e e l e c t r i f i e dr a i l w a ys u p p l ys y s t e mi nm a t l a b 6 5 t h es i m u l a t i v er e s u l ts h o w st h a tt h ep h a s e d i s t i n g u i s h i n gt e c h n o l o g yc o m b i n e dc u r r e n tc o n t r o lm e t h o da b o v ec a l lf i l t e ram a j o r i t yo ft h e e l e c t r i ci o e o m o t i v eh a r m o n i ce k l t e n ia n dl o w e rt h do ft h es o d l c ee u l t e t t t f u r t h e r m o r e ，t h e a c t i v ep o w e rf i l t e rp o s s e s s e sg o o dd y n a m i cc a p a b i l i t ya n ds y n t h e t i c a lc o m p e n s a t i o n k e yw o r d s ：t h ee l e c t r i f i e dr a i l w a y ；s i n g l ep h a s ep a r a l l e la c t i v ep o w e rf i l t e r ；h a r m o n i c c u r r e n td e t e c t i n g ；c o m p e n s a t i n gc u r r e n tc o n t r o l l 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：盘，舞一如i 年牛月岁日 学位论文使用授权声明 本人一盛：差l 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩，并 已经在西安理工大学申请博t ：硕士学位。本人作为学位论文著作权拥有者，同意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印刷版和电子版学位沧文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生阅凑、浏览。 本人学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 1 j ，铲 论文作者签名：妞出导师签名： 知9 年牛月岁e l 绪论 1 绪论 1 1 谐波的产生 目前，世界各国电力工业几乎都是采用交流供电方式，理想电网可近似为一个线性时 不变系统，系统中各点的电流、电压都是以单一恒定的供电频率随时阃按正弦规律变化的 量。但随着科学技术的发展，电力系统中非线性负荷的比重不断增大，理想系统的近似程 度变差，直接表现是电力系统中的电流和电压波形产生周期性畸变。从频域的观点来看， 在这些电流和电压的波形中，不仅包含与供电电源同频率的正弦量( 称为基波分量) ，而且 出现了一系列频率为基波频率整数倍的正弦波分量( 高次谐波分量) ，这一系列正弦分量统 称为电力谐波“。2 1 。 电力系统的谐波问题旱在2 0 世纪2 0 年代和3 0 年代就引起了人们的注意。当时在德 国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1 9 4 5 年j c r e a d 发表的 关于变流器谐波的论文是最早对谐波问题进行研究的论文“。到了五六十年代，随着高 压直流输电技术的发展，各国学者发表了大量的有关变流器引起电力系统谐波的文章。七 十年代以来，随着电力电子技术的飞速发展，特别是功率半导体器件和交流技术的发展， 大容量电力整流、换流设备等电力电子装置和非线性负载的广泛使用，电网的谐波污染问 题变得日益严重。 系统中产生谐波的设备即谐波源，是具有非线性特征的用电设备。当前，电力系统的 谐波源就其非线性特性而言主要有三大类“1 ： ( 1 ) 磁饱和型：各种铁心设备，如变压器、电抗器等，其铁磁饱和特性呈现非线性； ( 2 ) 电子开关型：主要为各种交直流换流设备、双向晶闸管可控开关设备以及p w m 变 频器等电力电子设备，其非线性呈现交流波形的开关切合和换向特性； ( 3 ) 电弧型：各种炼钢电弧炉在融化期间以及交流电弧焊机在焊接期间，其非线性呈 现电弧电压与电弧电流之间不规则的、随机的伏安特性。 在电网的单相谐波源中，最典型的是电力机车，根据1 9 9 2 年日本电气学会一项有关 谐波源的调查报告显示“1 ，来自铁路行业的谐波量占整个被调查行业的1 7 2 。随着电 气化铁路的高速发展，这个百分比将会继续增大，同时会给电力系统带来更大的污染。目 前我国电气化铁道使用的主要为交一直型电力机车，它将交流电整流为直流电，供给直流 电动机，这种整流电路的特点是其交流侧电流的波形为镜对称，并接近1 8 0 方波“1 。 西安理工大学硕士学位论文 1 2 电气化铁道及其产生的谐波 j 2 1 电气化铁道牵引供电系统简介 电气化铁道( 简称电铁) 的牵引动力是电力机车，机车本身不带能源，所需能源由电力 牵引供电系统提供。电铁牵引供电系统主要包括两部分，即牵引变电所和牵引网( 由接触 网、钢轨( 地) 、接地线及有关设备组成) 。牵引变电所设在铁路附近，铁路沿线相隔一定 距离建立若干个牵引变电所，由电力系统1 1 0 k v 或2 2 0 k v 三相双电源供电，经牵引变压器 降压为2 7 5 k v 后送到铁路上空的接触网上。接触网是向电力机车直接输送电能的设备。 沿着铁路线的两旁，架设着一排支柱，上面悬挂着金属线，即为接触网，它也可以被看作 是电铁的动脉，电力机车利用车顶的受电弓从接触网获得电能，牵引列车运行。电铁牵引 供电系统的原理如图i - i 所示。 a b c ( 电力系统l a b c 图i - i 电铁牵引供电系统原理图 f i 昏1 1s c h e m eo ft h ec l e a f i f i c dr a i l w a yf d m gs y s t e m 我国电铁的电力机车采用2 5 k v 单相工频交流电压供电，它经单相全波整流后供给直 流牵引电动机( 1 5 0 0 v ) 。当前电铁上使用的电力机车主要有国产韶山- i ( s s - i ) 、韶山 一3 ( s s 一3 ) ，韶山一4 ( s s 一4 ) 型以及进口8 g ，8 k 型等，均采用具有软特性的直流串激式电动机 作为驱动电机，按整流和调压方式的不同可分为三类： ( 1 ) 单相全波不控整流、级差调压。韶山一l 型和8 g 型属于此类； ( 2 ) 桥式不控整流、级间可控平滑调压韶山一3 型属于此类； ( 3 ) 多段半控桥整流、无级平滑调压。韶山一4 型和8 k 型属于此类。 我国现有牵引变电所的主要类型是：采用y ，d 接线变压器、v ，v 接线变压器、三相 一两相平衡接线变压器( 包括s c o t t 接线变压器、阻抗匹配平衡变压器等) 和单相变压器等 几种。 1 2 2 电铁谐波的特点及危害 2 电铁通过牵引变电所高压侧从供电系统受电，低压侧向馈电臂送电，各馈电臂下的 绪论 各台运行电力机车的谐波电流汇总到牵引变电所再注入供电系统。因此电铁的谐波不但 取决于电力机车，也取决于牵引变电所的类型接法和接入哪一级电压的供电系统，以 及接触网的长度和制式等。电铁系统的谐波主要由电力机车的整流装置所产生，其交流 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，即整流设备的脉动数为2 ，故其产生的特征谐波次数为h 一2 k 1 ，k 一1 ， 2 3 。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的特性， 基本上与电力系统供电网参数无关。与电力系统的谐波相比电铁谐波的特点是”： ( 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。 电铁供电系统产生的谐波与其它整流负荷产生的谐波一样，均对电网及用户带来 严重的危害，由于电铁牵引负荷的功率大，波动性强，这种危害表现得尤为突出，主 要有以下几个方面： 狙) 容易引起电力网局部的串联或并联谐振。在牵引变电所附近，串联和并联谐振 的比例明显高于其它地方，可引发严重的后果： ( 2 ) 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； ( 3 ) 对电力网输电设各的影响。对牵引变压器的危害是：谐波电流流过牵引变压器， 会产生谐波电压降，高次谐波电流、电压会引起附加铁损和铜损，使变压器容量减小， 效率降低。另外谐波电流使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率； ( 4 ) 对计量仪表产生的影响。随着频率的升高，计量仪表的测量误差逐步增大； ( 5 ) 对通讯系统的干扰。谐波对通信线路的干扰，一般通过电磁感应、静电感应及传 导祸合这三种方式施加到通信线路上。 综上所述，在电铁快速发展的同时，如何消除和改善电铁供电系统对电力系统和通信 系统等方面的影响，己成为一项迫切的任务。 3 西安理工大学硕士学位论文 1 3 电力滤波器 1 3 1 无源电力滤波器 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 ) 是出现最早的滤波装置，由于其结 构简单、设备投资少、运行可靠性高，所以是应用最多的装置在电铁牵引负荷中，电力 机车在运行中3 、5 、7 次谐波占了很大的比重，所以设计无源电力滤波器组由3 、5 、7 次单调谐滤波器及高通滤波器组成。其中高通滤波器主要用于滤除有源电力滤波器产生的 高次谐波干扰，同时对电力机车产生的高次谐波也具有一定的抑制作用“1 。 但是它存在如下缺点； ( 1 ) 可能与系统发生谐波放大现象； ( 2 ) 只能消除极少数特定次的谐波，其滤波效果远不能满足要求； ( 3 ) 其滤波性能严重依赖于电网参数，而电网阻抗和谐波频率随着电力系统的运行工 况随时改变，特别是在电网阻抗较小的场合，滤波器的设计更为困难，并且滤波器的成本 较高： ( 4 ) 体积大、损耗大。 1 3 2 有源电力滤波器 采用有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ，简称a p f ) 就近吸收谐波源所产生的谐波 电流是抑制谐波污染的有效措施，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。a p f 可以 克服p p f 存在的不足，对电力系统的谐波污染进行有效治理。 与p p f 相比，r p f 具有以下优点： ( 1 ) 对功率开关器件工作频率以内的各次谐波都有很好的滤波效果； ( 2 ) 当系统阻抗和频率变化时，滤波特性不受影响； ( 3 ) 不会与电网发生串并联谐振现象，且能有效地抑制系统与p p f 之间的谐振； ( 4 ) 不存在过载现象，当负荷谐波电流较大时，仍能继续运行。 但是a p f 装置的成本较高、容量有限，目前a p f 的研究重点已转向由a p f 和p p f 构 成的混合型滤波系统叶”1 。在混合型滤波系统中，谐波电流主要由p p f 滤除，a p f 主要用 来改善p p f 的滤波效果，并抑制串并联谐振的发生。与单独使用的a p f 系统相比，a p f 所 需容量大大减小，因此混合型滤波系统具有a p f 和p p f 各自的优点，同时克服各自的不 足1 2 1 ”。 4 绪论 1 3 3 有源电力滤波器的发展及趋势 早在1 9 6 9 年，b m b i r d 和j f m a r 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。尽管作者 在该文中未提出有源电力滤波器这一概念，但其所描述的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 i d 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，未能在工业中应用“”。 1 9 7 6 年，l g y u g y i 等人提出了采用p 删变流器构成的有源电力滤波器，确立了有源 电力滤波器的概念，确立了它的主电路的拓扑结构和控制方法。从原理上看，p w m 变流器 是一种理想的补偿电流发生电路，但是由于当时电力电子技术和大功率可关断器件的限 制，对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 1 6 | o 7 0 进入8 0 年代以来，随着大功率可关断器件如大功率晶体管( g t r ) 、大功率门极可 关断晶闸管( g t o ) 、静电感应晶体管( s i t ) 、绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 等快速器件的发展， 以及l p 喇控制技术的发展，对有源电力滤波器的研究成为电力电子技术领域的研究热点 之一n ”这一时期的一个重大突破是，1 9 8 3 年日本学者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及无功电流检测方法在有源电力滤波器 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。投入实际运行的绝大多数 有源电力滤波器都是以该理论为基础，用来检测负载侧的谐波及无功电流“1 。 a p f 作为改善供电质量的一项关键技术，在日本、美国、德国等工业发达国家已得到 了高度重视和日益广泛的应用仞1 。目前，世界上a p f 的主要生产厂家有日本三菱电机公 司、美国西屋电气公司、德国西门子公司等。有源滤波技术己被成功地应用在电力、冶 金、城市交通及直流输电工程等领域船。在日本，己有1 0 0 0 多台套有源滤波装置投入工 业应用，其功能也越来越丰富，己从原有的谐波、无功补偿，发展到补偿电弧炉电压闪 变及牵引变电所一次侧电压不对称和补偿基波无功等功能。有源部分的安装容量已发展 到主回路采用i g b t ：5 0 k r a 一2 0 0 0 k v a ；g t o ：5 m v a - 6 0 m v a 。 我国于8 0 年代后期开始研究a p f 并取得了很多理论成果。华南理工大学任震教授领 导的课题组已经完成了华中电业管理局委托的项目：葛洲坝换流站p p f 加装a p f 的可行性 研究；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电力滤波器的研究工作，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。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 这一方面研究，并搭建了中等功率实验系统( 负载容量为1 m v a ，a p f 容量为l o o k v a ) ；2 0 0 3 年西安交通大学研制成功了用于大功率整流装置的新掣单相并联混台犁电力滤波器的实 验样机，具有很高的工程应用价值”。 西安理工大学硕士学位论文 总之，与国外已广泛应用的a p f 相比，我国还处在实验室研究和工业化试验阶段， 工业应用上只有少数几台样机投入运行，这与我国目前谐波污染日益严重的状况很不适 应。随着我国电能质量治理工作的深入开展，利用a p f 进行谐波治理将会具有巨大的市 场应用潜力，有源滤波技术必将得到广泛的应用“1 。 从目前的研究现状和应用水平来看，有源电力滤波器的发展趋势是脚“：( 1 ) 增大器 件容量，提高开关频率，以实现电流的快速控制，提高补偿效果。此外，应用多重化技 术也能提高器件等效开关频率，实现对高次谐波的补偿；( 2 ) 降低损耗，提高系统的可靠 性。包括采用合理的开关频率，选择适当的吸收回路以提高装置使用效率；采用过流过 压保护技术，故障诊断技术以提高系统可靠性；( 3 ) 简化控制系统，有源电力滤波器为了 能及时产生补偿电流以抵消谐波源的谐波电流，要求其控制电路必须实时检测、计算补 偿对象的谐波电流。基于瞬时无功功率理论的各种检测，计算电路，用传统的模拟电路 实现时，其线路较为繁琐、结构较为复杂、电路调试困难；( 4 ) 补偿装置的多功能化。因 为有源电力滤波器本身除能补偿谐波外，还可以通过在控制电路上加以改造来实现补偿 基波无功、电压闪变以及电压的不平衡等功能；( 5 ) 降低价格，提高性价比 1 4 电铁谐波治理现状 目前，治理电铁谐波污染的方法可分为主动型和被动型两种。所谓主动型就是设法使 电力机车少产生或不产生谐波，目前较成熟的办法是：使用交一直交型或交一交型电力 机车。所谓被动型就是在牵引变电所的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仍占了绝大部分，所以， 在若干年内交直型仍将是我国电力机车的主体。因此，本文以装设谐波补偿装置一有源 电力滤波器作为治理电铁谐波污染的方法。 铁路部门为减少单相负荷引起的负序问题采取了一些措施，如采用阻抗匹配平衡变压 器，s c o t t 变压器等，使负序问题得到一定程度的改善。而对于谐波问题，目前仅在牵引 变电站装设了无功补偿设备一电容器组中串联电抗器，有部分电容器组可作3 次或5 次单 调谐滤波器。作为谐波源的电力机车及牵引变电站，大多数没有谐波滤波装置。因此，电 铁供电系统产生的谐波电流注入了电力网。显然，这对电力系统和受其影响公共连接点上 的其它用户是一种严重的污染”。 我国已将谐波治理问题摆到了重要地位，尤其是对电铁供电系统、电弧炉等重点谐波 源的治理，己经引起了有关方面的关注| 3 8 - - 4 1 11 9 9 3 年通过了国家标准电能质量公用 电网谐波，规定了公用电网谐波的允许值及其测试方法，从而使谐波的控制和治理有了 标准和依据。电铁牵引负荷对于电力系统而言，属于大宗工业用户。因此，其产生的谐波 问题引起了电力部门的高度蕈视。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，通如要求“今后几新建电铁工程必须有谐波治理描施”“。 6 绪论 但还有两个方面的问题未能很好解决，一是针对电铁供电系统的特殊性，国家标准 g b t 1 4 5 4 9 9 3 的实旌过程还缺少具体的措施和细则；二是针对我国电力机车的谐波治理 技术还不成熟的。 为了减少机车的谐波电流人们尝试采取的措施有廿“1 ：( 1 ) 采用多段桥。这种方法是 目前晶闸管相控机车广为采用的措施。但段数过多会使变压器抽头数增加和整流装置及其 控制复杂化；( 2 ) 加大换相电抗。典型的代表是奥地利的1 0 4 4 机车，在整流器的交流侧接 入一个换相电抗，这一办法是使换向重叠角y 增大，换向期间的电流变化率变慢，高次谐 波电流分量因而减少。但是由于y 增大会使相位移系数和功率因数降低；( 3 ) 采用错位相 控。英国近期设计的高速列车，采用两个供电绕组有不同的电压，供给牵引电机。为了得 到相同的整流电压，不同供电电压的两个整流器就有不同的控制角，但只能使产生的谐波 电流得到部分抵消；( 4 ) 在电力机车上加装并联补偿滤波装置。分别在机车变压器副边的 调压绕组问与基本绕组间，加装并联补偿滤波装置，但是只能滤掉特定的谐波电流。 1 5 本论文的主要工作 本文的主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 讨论了谐波的定义及有源电力滤波器的补偿原理和分类，对并联型有源电力滤波 器、串联型有源电力滤波器以及串并联型有源电力滤波器的工作原理分别进行了分析。 本文以单独使用的并联型有源电力滤波器为研究对象，并分析它对电压型和电流型谐波 源的补偿特性； ( 2 ) 谐波电流的检测方法是决定有源电力滤波器补偿性能好坏的关键因素。本文讨论 了基于瞬时无功功率理论三相电路的p 一日检测法、i 。一检测法，在此基础上研究了基于 瞬时无功功率理论的单相电路谐波电流检测法。另外对基于鉴相原理和基于自适应原理 的单相电路谐波电流检测法也分别进行了研究。理论分析和仿真结果表明基于鉴相原理 的检测法算法和实现更为简单，而且该方法的实时性好、响应速度快； ( 3 ) 有源电力滤波器补偿电流的控制方法是实现有源电力滤波器功能的核心。本文首 先在传统的三角波调制电流控制方法的基础上提出了改进的三角波调制电流控制方法；其 次，介绍了单周控制的基本理论，并在常频积分复位控制技术的基础上发展了双环互补控 制策略，并将该策略用于有源电力滤波器的补偿电流控制中。这种新的控制方法使用一个 带复位开关的积分器作为核心器件，控常9 有源电力滤波器功率开关的占空比，以实现电源 电流实时跟踪电源电压成为与电源电压同帽的正弦波。通过对上述两种补偿电流控制方法 的仿真结果进行分析，表明这两种方法都可以用于电铁有源电力滤波器补偿电流的控制； ( 4 ) 用m a t l a b 6 5 i s i m u l i n k 仿真软件提供的电力系统模块，建立了以电力机车为谐 波源的仿真模型，并采用基于鉴相原理的谐波电流榆测法，结合有源电力滤波器的补偿 电流控制方法对电铁供电系统进行了仿真研究，结果衷明自。源电力滤波器能有效地滤除 7 西安理工大学硕士学位论文 电力机车中的绝大部分谐波，并使电源电流的畸变率大大降低；有源电力滤波器具有良 好的动态和综合补偿性能。仿真结果验证了理论分析及设计结果的正确性。 谐波理论与有源电力滤波器的原理 2 谐波理论与有源电力滤波器的原理 2 1 谐波的定义及测量指标 在供电系统中，通常总是希望交流电压和电流呈正弦波形。正弦电压可表示为： u ( o 一_ 、2 u s i n ( w t + a ) - q r 2 u s i n ( z r f l + a )( 2 1 ) 式中【，为电压有效值；a 为初相角；0 2 为角频率；厂为频率，其中f l r ，r 为周期。 正弦电压施加在电阻、电感和电容这些线性无源元件上，其电流和电压分别为比例、 积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦电压施加在非线性电路上时，电流就变 为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变为非正弦波。当然， 非正弦电压施加在线性电路上时，电流也是非正弦波，对于周期为2 j r t o 的非正弦电压 ) ，一般满足狄里赫利条件，可分解为如下形式的傅里叶级数： u ( o , , ) - a o + ( c o s h 耐+ 6 s i n h w t ) ( 2 2 ) 嗣 式中a o = 亡r 甜( w t ) d ( w t ) a h - 五4 “( 耐) c o s h c o t d ( a , t ) - 了“( 甜) s i n h t o t d ( a j t ) 在式( 2 2 ) 的傅里叶级数中，频率为o j 2 r 的分量称为基波，频率为大于l 的整数倍 基波频率的分量称为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频率的整数比。以上公式及定义均 以非正弦电压为例，对于非正弦电流的情况也完全适用，把式中“) 换成f ) 即可。 国际上公认的谐波定义为“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频 率的整数倍”。由于谐波频率是基波频率的整数倍数，也常称之为高次谐波。 为了定量表示电力系统谐波正弦波形的畸变程度，世界各国均采用以各次谐波含量 及谐波总量大小作为限制谐波含量的指标参数。许多国家都颁布了限制电网谐波的国家标 准，或由权威机构制定限制谐波的规定。制定这些标准和规定的基本原则是限制谐波源注 入电网的谐波电流，把电网谐波电压控制在允许范围内，使接在电网中的电气设备免受谐 波干扰而能正常工作，下面介绍相关的波形畸变指标“1 。 1 谐波含有率( h a r m o n i cr a t i o n ，h r ) ：h 次谐波分量的有效值( 或幅值) 与基波分量的有效 值( 或幅值) 之比，用百分数表示。 第h 次谐波电压含有率舰u 定义为： r ， 舰t 导1 0 0 ( 2 3 ) u l 第h 次谐波电流含有率h r i 。定义为： 9 西安理工大学硕士学位论文 h r h a ，h 1 0 0 ( 2 4 l 2 总谐波畸变率( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ，t a d ) ：谐波总量的有效值之比，用百分数表 示。 谐波电压总量定义为： 一厂= 一 。暖+ 田”+ 晖+ 一j 荟u ： ( 2 5 ) 谐波电流总量如定义为： 一一 如。层+ 霹+ + 露+ 。j 荟7 ： ( 2 6 ) 电压谐波总畸变率t h d 和电流谐波总畸变率t h d , 分别定义为： t h d , - 挚x 1 0 0 ( 2 7 ) u 1 t h d j 一二笋1 0 0 ( 2 8 ) 1 1 有源电力滤波器对高次谐波电流补偿的效果可以用补偿前后电源电流的谐波总畸变 率t l r d , 来衡量，当补偿后电源电流的谐波总畸变率小于补偿前的总谐波畸变率，可以认 为有源电力滤波器对谐波电流进行了有效的补偿。补偿后电源电流总的谐波畸变率越小， 补偿效果越好。当补偿后电源电流总的谐波畸变率为零时，谐波电流得到了彻底的补偿。 对于不同电压等级的电网，允许的电压谐波畸变率和电流谐波畸变率也不相同。电压 等级越高，谐波限制越严。另外，对偶次谐波的限制也要严于对奇次谐波的限制 2 2 有源电力滤波器的基本原理 有源电力滤波器的基本工作原理和主要波形如图2 - 1 所示。从图中可以看出a p f 由两 大部分组成：谐波( 与无功) 电流检测电路及补偿电流发生电路( 由补偿电流控制电路、驱动 隔离电路和主电路三个部分构成) 。前者的作用是检测出负载电流中的谐波( - q 无功) 电流 等分量；后者的作用是根据检测出来的谐波( 与无功) 电流等产生相应的补偿电流。 1 0 ( a ) 有源电力滤波器基本原理图 谐波理论与有源电力滤波嚣的原理 l 。 、! 少一 ( b ) 有源电力滤波器的主要波形 图2 - 1 有源电力滤波器基本原理图与主要波形图 f i g 2 - 1b a s i cs c h e m ea n dm a i nw a v e f o r m so f a c t i v ep o w e rf i l t e r 在图2 - 1 中，为负载电流，f c 为有源电力滤波器的输出电流，为电网提供的电流， 将图中的负载电流按博里叶级数展开为： 。善厶s i n ( h i n t + 以) i ，ie o s g 咖耐+ ，ls i n 岛c o s t a + 荟厶s 缸拗+ o h ) 。，+ k + ( 2 9 ) 上式中，= e o s gs i n w t 是基波的有功电流； 。2 s i n gc o s m t 是基波的无功电流； 一， 洲砌+ 岛) 是高次谐波电流。 b 为基波电流初相位，幺为h 次谐波初相位，珊为系统电源基波角频率。在图2 - 1 ( a ) 中。+ ，即系统电源电流由负载电流和有源电力滤波器输出的电流之共同提供。如 果通过适当的控制方式使有源电力滤波器的输出电流，达到，则系统电源就只需供 给负载的基波电流( 包括有功和无功) ，即。+ 。，从而达到抑制谐波的目的。简而言 之，有源电力滤波器产生一个与负载谐波幅值相等、相位相反的谐波注入谐波源，即可将 谐波抵消掉，使之不会流入系统电源。由上述分析我们还可看到，有源电力滤波器可同时 补偿无功电流，这时只需使- ( + 屯) 。则= ，即系统电源中就只需供给负载电流 中的基波有功电流，这样图2 1 中的t 就是补偿了谐波及基波无功电流后系统电源供给的 电流。 西安理工大学硕士学位论文 2 3 有源电力滤波器的系统构成及主电路 2 3 1 有源电力滤波器的分类 从不同的角度出发，a p f 有不同的分类方法，根据用户使用的电源类型是直流电源还 是交流电源，a p f 可分为直流a p f 和交流a p f ；根据接入系统的相数不同，a p f 分为单相 a p f 和三相a p f ；根据主电路的形式不同，a p f 分为单个主电路型和多重叠加主电路型； 根据直流侧储能元件的不同，a p f 又分为电压型和电流型；根据a p f 和电网连接方式的不 同，a p f 分为并联型、串联型、串并联型，这是目前对a p e 分类的主要方法“”，图2 2 所示为其分类。 图2 _ 2 有源电力滤波器的分类 f i g 2 - 2c l a s s i f i r 斌i o no f a 商v ep o w e rf i l m r 2 3 2 串联型有源电力滤波器 a 单独使用的串联型a p f 单独使用的串联型有源电力滤波器相当于一个谐波隔离装置，阻止了非线性负载的谐 波电压流入电源侧，达到改善供电系统电能质量的目的。它的系统构成如图2 3 所示串 联型有源电力滤波器主要用于补偿可看作电压源的谐波源，这种谐波源的一个典型例子是 电容滤波型整流电路，对于这种整流电路，从其交流侧看，可被当作电压源。对这种谐波 源，串联型有源电力滤波器输出的补偿电压，抵消由负载产生的谐波电压，使供电点电压 波形成为正弦波”1 。 1 2 谐波理论与有源电力滤波器的原理 9 一厂岖 图2 - 3 单独使用的串联型a p f f i g 2 - 3s 蛹a c t i v ep o w e rf i l t e r b 与l c 滤波器混合使用的串联型 p f 串联型有源电力滤波器与l c 滤波器混合使用方式，其系统构成如图2 4 所示。 图2 - 4 与l c 滤波器混合使用的串联型a p f f i g 2 - 4m o d e o f s e r i e sa c t i v ep o w e rf i l t e r & l cf i l t e r 这种方式足在牵引负载和无源电力滤波器与电源之间串联接入有源电力滤波器。其系 统特性是：牵引供电系统的谐波电流主要是由无源电力滤波器来补偿，而串联型有源电力 滤波器的作用是改善无源电力滤波器的滤波特性，抑制电网阻抗变化对无源电力滤波器的 影响，抑制无源电力滤波器与电网可能发生谐振等缺点“1 。 2 3 3 并联型有源滤波器 8 单独使用的并联型a p f 在1 9 8 6 年，日本学者a k a g i 提出了用并联型有源电力滤波器消除电力系统谐波的方 法，单独使用的并联型有源电力滤波器的结构如图2 5 所示1 4 7 。 西安理工大学硕士学位论文 图2 - 5 单独使用的并联型a p f f i g 2 - 5s h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e r 在这种方式中，只要采用适当的控制方法就可以达到多种补偿的目的，它可以实现的 功能最为丰富灵活。电铁供电系统需要进行无功电流、谐波电流、基波负序电流和电压波 动的补偿，因此，采用并联型有源电力滤波器改善电铁供电系统电能质量具有技术上的优 势。 在各种有源电力滤波器中，单独使用的并联型有源电力滤波器是最基本的一种，也是 工业实际中应用最多的一种，它集中地体现了有源电力滤波器的特点。因此，本文以单相 并联型有源电力滤波器为研究对象。 b 与l c 滤波器混合使用的并联型 p f 并联型有源电力滤波器与l c 滤波器混合使用的方式又可以分为两种：一种是有源电 力滤波器与l c 滤波器的串联，如图2 - 6 ( a ) 所示；另一种是有源电力滤波器与l c 滤波器 并联，如图2 - 6 ( b ) 所示。 ( a ) 与l c 滤波器串联( b ) 与l c 滤波器并联 图2 - 6 与l c 滤波器混合使用的并联a p f f i g 2 - 6m o d eo f s h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e r & l cf i l t