（电气工程专业论文）电力机车的有源滤波的研究.pdf

摘要 我国的电力机车大部分是整流型电力机车，电力机车通过机车变压器和硅整 流器组获得所需直流电，供给牵引电动机使用。用于整流的电力电子器件会产生 谐波，造成接触网电流畸变。此外，机车制动时，不再从电网吸收能量而是进行 再生制动。如果能充分的利用这部分再生电能，则可获得很好的节能效益。于是， 本文探讨一套既能消除接触网上的谐波，又能将电力机车再生制动时产生的再生 电能回馈利用的装置。这套装置安装在电力机车内部，与电力机车的硅整流器组 反并联。 有源电力滤波器是本文研究的重点。谐波检测技术是有源电力滤波器的关键 技术之一。文中介绍一种将自适应噪声对消技术与自适应线性神经网络理论相结 合研究了自适应神经网络谐波电流检测方法。详细介绍自适应线性神经网络理论 及其核心算法一l m s 算法。在理论分析的基础上，同样进行大量仿真研究。 该方法在负载电流发生变化和电网电压改变时，可以很好的自适应跟踪检测。但 高检测精度和快响应速度很难一致，这主要与该方法的学习速率有关。于是本文 构建一个变学习速率的谐波电流仿真模型，仿真结果表明这种变学习速率的检测 方法不仅具有很高的检测精度，而且具有很快的动态响应速度。 有源电力滤波器的另一关键技术是p w m 控制方式。本文的控制方式采用三 角载波p w m 方法，分析了单极性p w m 法的工作过程。并对有源电力滤波器进 行仿真研究，给出仿真结果。仿真结果证实单相有源电力滤波器能够消除谐波， 净化电网。 关键词：有源电力滤波器；白适应对消技术；脉宽调制技术；谐波；自适应神 经网络 a b s t r a c t m o s td o m e s t i ce l e c t r i cl o c o m o t i v e sa r eo fr e c t i f i e r t h ee l e c t r i cl o c o m o t i v eg e t s d cs u p p l yt od r i v et r a c t i o ne l e c t r o m o t o rt h r o u g hal o c o m o t i v e st r a n s f o r m e ra n da s e t o fs i l i c o nr e c t i f i e r s b u tr e c t i f i e rm a yp r o d u c eh a r m o n i cc u r r e n ta n dd i s t o r tt h ec u r r e n t o fc o n t a c t g r i d m o r e o v e r , w h e nt h el o c o m o t i v eo p e r a t e si nt h er e g e n e r a t i v eb r a k e m o d e ，i td o e s n td r a wb u tp r o d u c er e g e n e r a t i v eb r a k i n gc u r r e n t i ft h er e g e n e r a t i v e e n e r g yi su t i l i z e dw e l l ，m u c ho fe n e r g yi ss a v e d s oad e v i c ea n t i - p a r a l l e lc o n n e c t e d w i t hl o c o m o t i v e ss i l i c o nr e c t i f i e ri sd i s c u s s e d ，w h i c hc a ne l i m i n a t eh a r m o n i cc u r r e n t a n di n j e c tr e g e n e r a t i v ee n e r g yt ot h ea cg r i d a c t i v ep o w e rf i l t e ri st h em a i ni s s u ei nt h i sp a p e r h a r m o n i cd e t e c t i o ni so n eo f k e yt e c h n o l o g i e so fa c t i v ep o w e rf i l t e r a na d a p t i v en e u r a ln e t w o r kh a r m o n i cc u r r e n t d e t e c t i n gm e t h o d ，b a s e do nt h ea d a p t i v en o i s ee l i m i n i t i n gt e c h n o l o g ya n d t h ea d a p t i v e l i n e a rn e u r a ln e t w o r kt h e o r y 。i sd i s c u s s e d t h ea d a p t i v el i n e a rn e u r a ln e t w o r kt h e o r y a n di t sc o r ea l g o r i t h m l m sa l g o r i t h ma r ei n t r o d u c e di nd e t a i l o nt h eb a s eo f t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，an u m b e ro fs i m u l a t i o n sa r ed e v e l o p e d w h e n1 0 a dc u r r e n t sa n d t h eg r i dv o l t a g ec h a n g e ，t h ed e t e c t i n gm e t h o di sw e l la d a p t e d b u t h i g hd e t e c t i n g p r e c i s i o na n dr a p i dd y n a m i cr e s p o n s eh a r d l ya c h i e v ea tt h es a m et i m e ，b e c a u s eo ft h e i n f l u e n c eo fl e a r n i n gs p e e d s oah a r m o n i cc u r r e n ts i m u l a t i o nm o d ei s s e tu p i t s l e a r n i n gs p e e di sv a r i a b l e t h er e s u l t so f s i m u l a t i o ns h o wt h a tt h ed e t e c t i n gm e t h o di s o fb o t hh i g hd e t e c t i n gp r e c i s i o na n dr a p i dd y n a m i cr e s p o n s e p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) c o n t r o lm e t h o di sa n o t h e rk e yt e c h n o l o g yo f a c t i v ep o w e rf i l t e r t r i a n g l ec a r r i e rw a v ep w mc o n t r o lm e t h o di sa d o p t e di nt h ep a p e r ， a n dt h er u n n i n gp r o c e s so fu n i p o l a rp w mc o n t r o lm e t h o di sa n a l y z e d t h es i m u l a t i o n f o ra c t i v ep o w e rf i l t e ri sd e v e l o p e d t h er e s u l t sp r o v et h a tt h ep r o p o s e ds i n g l e - p h a s e a c t i v ep o w e rf i l t e rc a ne l i m i n a t eh a r m o n i cc u r r e n ta n dp u r i f yt h es u p p l yg r i d k e yw o r d s ：a c t i v e w i d t hm o d u l a t i o n ；h a r m o n i c ； p o w e rf i l t e r ；a d a p t i v en o i s ec a n c e l i n gt e c h n o l o g y ；p u l s e a d a p t i v el i n e a rn e u r a ln e t w o r k 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：哆掰努0 旁0 签字日期：州年夕月7 同 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞鲞苤堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤盗盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：习扁碾事 签字日期 鲫莎年夕月7 i _ t 导师签名：彩疋乃色 签字日期：删年彳月 l于日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电气化铁路中谐波的产生及补偿方法 电气化铁路具有速度快、运输能力强、供电距离长、节约能源与造价低、牵 引性能好等优点。因而电气化铁路有着广阔的发展前景，是我国铁路发展的主要 方向。 作为电气化铁路牵引动力的电力机车，大部分是交直型电力机车，本身不带 能源，它必须从外部电源和牵引供电系统获得电能。电气化铁路的供电是在铁路 沿线建立一系列牵引变电所，一般由电力系统1 1 0 k v 双电源供电，经牵引变压器 降压为2 7 5 k v 或5 5 k v 后，通过牵引网向电力机车供电【3 1 。电力机车采用2 5 k v 单 相工频交流电压。接触网中的交流2 5 k v 电压在电力机车内还要经过机车主变压 器变压、全波整流后。才送给直流牵引电动机，使牵引电动机旋转，来驱动车轮 转动进而牵引列车运行。 交直型电力机车内部主变压器和整流装置的存在本身就是典型的谐波源，其 谐波电流的特点是( 4 j ： ( 1 ) 当电力机车在牵引工作状态、整流装置投入工作时，便产生谐波电流， 而在制动或惰性工作状态时，整流装置切除，不产生谐波。 ( 2 ) 电力机车的牵引力由取自电力系统、经整流后的直流电流产生，该电流 不因系统外界条件和运行方式而改变，对应于交流侧电流的波形也相对稳定，因 此，电力机车为谐波电流源。 ( 3 ) 电力机车采用单相全波不控整流或半控整流，交流侧电流相对横轴成镜 对称，整流装置的脉动数为2 ，产生的特征谐波电流为全部奇次谐波。 为了改善电力机车的功率因数和减少谐波电流，目前采用的措施有： ( 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。对于干线电力机车一般 不超过四段，在额定工况下，功率因数一般在0 8 - - 0 8 5 左右，等效干扰电流约 为6 a 左右。 ( 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丫增大，换向期间的电流变化率变慢， 高次谐波电流分量因而减少。但是由于换向重叠角增大会使相位移系数和功率因 数降低。 第一牵绪论 ( 3 ) 采用错位相控。英国近期设计的高速动车，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，使产生的谐波电流得到部分抵消，但不能解决功率因数问题。 ( 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 组间与基本绕组间，加装并联补偿滤波装置，可以滤掉特定的谐波电流，从而减 少电力机车牵引负荷电流中的谐波电流含有率。 目前，电气化铁路系统中谐波抑制方法主要还是在牵引变电所安装l c 无源 滤波器。虽然无源滤波器具有简单、方便、可靠等优点，但它存在一些明显的不 足f 5 】： ( 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会产生谐振， 且使谐波放大： ( 2 ) 只能补偿固定的无功功率，对于变化的无功负载，不能进行精确的补偿； ( 3 ) 滤波特性受系统参数影响较大，并且滤波特性有时很难与调压要求相协 调。因此补偿效果并不是很理想。 针对无源滤波的上述缺点，1 9 7 6 年，l g y u g i 提出了用p w m 逆变器构成“电 力有源滤波器”【6 1 。2 0 世纪8 0 年代后期，由于电力电子器件及其技术的发展。 有源滤波技术也逐渐走向成熟，并得到广泛的应用。有源滤波比无源滤波具有的 优点剐7 j ( 1 ) 具有高度可控制性和快速响应性； ( 2 ) 能跟踪补偿各次谐波； ( 3 ) 能自动产生所需的无功功率，甚至是变化的无功功率； ( 4 ) 特性不受系统参数的影响； ( 5 ) 不会产生谐振： ( 6 ) 体积较小，重量较轻。 1 2 问题的提出及解决方法 电力机车内硅整流器组用于整流的电力电子器件会产生谐波，造成接触网电 流畸变。目前，我国电气化铁路在消除谐波和提高功率因数方面采取的措施大部 分是在牵引变电所牵弓l 侧进行，补偿装置无法解决接触网上电流谐波问题，在机 车动力线路上会有谐波电流流过。由于电力机车特殊的工作形式，机车的电力牵 引供应点随着机车的运行而随时改变。因此，电力机车在行使过程中时刻受到谐 波电流的影响。另外，接触网中机车运行的机车数量以及牵引动力时刻发生着改 变，牵引变电所内部的补偿装置的容量无法确定。因此，传统的定点谐波补偿方 2 第一章绪论 式的效果较差。 针对电力机车内整流装置产生的谐波，而传统补偿方式效果差的问题，本文 提出采用谐波就地补偿的方式来解决接触网电流畸变。 随着有源滤波器的发展，其滤波效果和控制方法的优越性，使其应用领域更 加广泛。本文采用在电力机车内直接安装基于电力电子器件构成的有源滤波装 置，用以消除由硅整流器组产生的电力谐波。具体实现为： 由电力电子器件与整流装置反并联，组成一个反馈回路，构成有源滤波器， 并联到牵引电机两端端。滤波器的输出，通过输出变压器连接到机车主变压器的 副边，以消除谐波。 由此构成的有源滤波的反馈回路，有两种工作模式。当牵引电机作电动机运 行时，作为有源滤波器( a p f ) e 作，消除整流装置产生的谐波。当牵引电机作为 反馈制动时，可以将反馈能量输送回电网。 1 3 有源电力滤波器( a p f ) 的历史发展与现状 早在2 0 世纪7 0 年代初，日本学者就已提出有源电力滤波器的概念l l 习 l 浯j ， 其最初的构思是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电 流大小相等、相位相反的补偿电流注入电力系统，从而消除谐波电流，达到抑制 谐波的目的。1 9 7 6 年，g y u g y il 等提出了采用电压源型或电流源型p w m 逆变器 结构的有源滤波方案【l6 | ，但由于当时电力电子器件制造水平的限制，这项技术没 有引起广泛的关注。1 9 8 0 年，日本学者a k a g i h 等人提出“瞬时无功功率理论”， 同时大功率全控型半导体器件日趋成熟，脉宽调f 1 1 ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，简称 p w m ) 技术得到进一步发展，使得7 0 年代提出的有源电力滤波器走出实验室并 得到迅速发展。1 9 8 2 年第台有源电力滤波器在日本投入运行【l 。1 9 8 6 年， a k a g i h 提出用并联有源电力滤波器消除谐波，有源电力滤波器在这种装置中相 当于一个谐波电流发生器，它跟踪负责电流中的谐波分量，产生与之相反的谐波 电流，从而抵消线路中的谐波电流。1 9 8 7 年，m t a k e d a 等人提出并联型有源电 力滤波器与无源滤波器相并联的方案，在这种电路中有源电力滤波器仍起消除谐 波的作用，而无源滤波器则起消除大部分谐波的作用，因此有源电力滤波器的容 量很小，但这种有源滤波系统在使用时，电源与有源电力滤波器及无源滤波器之 间存在谐波通道。1 9 8 8 年，f z p e n g 等人提出将串联型有源电力滤波器与无源滤 波器相并联的方案，有源电力滤波器对谐波呈现高阻抗，而对基波电流呈低阻抗， 因此有源电力滤波器相当于一个电源和负载之间的谐波隔离装置，电网的谐波电 压不会加在负载和无源滤波器上，而负载的谐波电流也不会流入电网【l 引。1 9 9 0 第一章绪论 年，日本的f u t j i t a h 等人提出将有源电力滤波器与无源滤波器相串联的综合有源 滤波方案，无源滤波器对负载的谐波电流进行滤波，并提供一定的基波无功补偿， 而有源电力滤波器则起改善无源滤波特性的作用，这样，以极小容量的有源滤波 器就可以弥补无源滤波器的一些固有缺陷。1 9 9 4 年，a k a g i h 等人提出一种综合 串联型有源电力滤波器和并联型有源电力滤波器的有源滤波系统，串联型有源电 力滤波器将电源和负载及无源滤波器隔离；并联型有源电力滤波器提供一个零阻 抗的谐波支路，使得负载中的谐波电流不会在无源滤波器上产生谐波电压。 目前，a p f 技术得到迅速发展，越来越多的a p f 投入运行，不论从实现功 能还是运行功率上都有明显改善。其中在日本，已投入使用的a p f 从5 0 k v a 到 6 0 m v a ，功率范围越来越宽：从谐波补偿到抑制闪变和电压调节，应用功能越 来越丰富。有源电力滤波器已用在提高电能质量、解决三相电力系统中终端电压 调节、抑制电压波动、改善电压平衡以及补偿谐波和无功等问题上。 1 4 有源电力滤波器的工作原理及构成 1 4 1a p f 的基本工作原理 图1 1 示出有源电力滤波器的基本工作原理框图【1 9 】p 1 1 。图中，i l 为负载电流； 配为a p f 的输出电流；i s 为电网提供的电流。 幻有源电力滤波器的原理接线图 b 1a p f 的主要电流波形 图1 1 有源电力滤波器的原理框图与波形 将图1 1 b 中的负载电流i l 按傅立叶级数展开为 4 第一章绪论 t = 厶s i n ( n c o t + q ，) = 1 ，s i n ( 刎+ 仍) + 薹l s l n ( 门删+ 纯) ( 1 1 ) = c o s c p l - s i n c o t + s i n 仍c o s o ) t + s i n ( n o t + ( & ) = f l p + “t 式中：f l p 为基波有功电流，砩硝c o s 伊1 。s i n 6 0 t 。 i l q 为基波无功电流，4 q = i t s i n t p l - c o s o g t 。 “为总的谐波电流，= ls i n ( n o t + 够) 。 由图1 1 a 可以看出，i l = i s + i c ，即负载电流屯是由电网电流i s 和a p f 输出电流垃 共同提供的。如果控$ 1 a p f 的输出电流，使i c = i h ，则电网中就只有基波电流， 耳p i s = i 加+ i 伽从而达到抑制谐波的目的。同理，a p f 也可同时补偿无功电流， 只需使i c = f 幻+ h ，贝, l j i s = “，因此电网电流只含有基波有功电流。图1 1 b 中的s 就 是补偿后的只含有基波有功电流的正弦波。 有源电力滤波器的工作原理是：谐波与无功检测部分将谐波和无功电流分离 出来，产生补偿电流的指令信号记，将这个指令信号与a p f 的实际输出的补偿电 流七进行比较，把两者的差值送到p w m 控制系统，使p w m 控制电路产生触发脉 冲，控制逆变主电路中开关器件的开通与关断，达到赶跟踪i c 的目的，获得所期 望的补偿电流，从而抵消负载电流中的谐波和无功电流，使电网电流为纯净的正 弦波。 1 4 2a p f 的构成 有源电力滤波器主要包括五部分：检测电路、p w m 控制电路、逆变主电路、 直流侧直流电压控制电路及由注入变压器构成的输出电路。本文侧重于检测电 路、p w m 控制电路和逆变主电路的研究。 有源电力滤波器的关键技术在于谐波电流的检测方法和电流跟踪控制方式。 目前，谐波检测方法和电流跟踪控制方式越来越多。根据本文研究对象的特点， 选择了自适应谐波检测方法和三角载波p w m 控制方式。后续章节将对二者进行 详细的讨论和研究。 、， 本文研究的对象是一个单相系统，所以有源电力滤波器的逆变主电路是一个 单相逆变电路，其主电路如图1 2 所示。开关器件t l t 4 选用i g b t ，其额定电压 由矾决定，额定电流由补偿电流确定。凰、取和g 组成i g b t 的缓冲吸收电路， 此电路的工作原理及参数确定已在第二章的第三节进行了详细介绍。电感为逆 第一章绪论 变器的输出滤波电感，尺为输出滤波电感的内阻。 图1 - 2 单相并联型有源电力滤波器的主电路 1 5a p f 的发展前景 有源电力滤波器作为净化电网、改善供电质量的一种有效装置，有着广阔的 应用前景。在日本、美国等工业化国家已得到高度重视和日益广泛的应用。从已 经实现的情况可以看出，其发展趋势是【2 5 】： ( 1 ) 为了实现对高次谐波的有效补偿，需要开关器件工作在较高的频率。对 大功率装置而言，由于开关频率有限( 例如g t o 开关速度约为l 2 k i - l z ，g t r 约 为3 4 k h z ) ，则p w m 调制与多重化的并用成为提高等效开关频率的一种重要途 径。当容量在数千伏安至2 m v a 时，采用电力晶体管、i g b t 等，补偿2 2 5 次 谐波，损失较少；当容量在5 m v a 以上时，采用g t o ，补偿较低次谐波，吸收 回路损失较大。提高器件的开关频率也是一种途径。目前，i g b t 在a p f 中的应 用引人注目。美国i r 公司第二代i g b t 的快速器件频率可达3 8 k h z ，而超快速 器件可达1 0 - 5 0 k h z ( 1 2 0 0 v ) ；日本东芝公司第二代i g b t 的高速器件也达3 5 k h z ， 6 0 0 v ，8 4 0 0 a ，低饱和电压期间为1 2k h z ，6 0 0 1 2 0 0 v ，1 5 4 0 0 a 。 ( 2 ) 大功率补偿装置往往从经济角度考虑，采用与l c 滤波器并联使用的方 法。此时1 1 次以上的高频分量由l c 滤波器吸收，低次分量则由a p f 加以补偿， 此时不仅可以有效地降低对开关器件的频率要求，同时利用a p f 的阻逆作用还 可以有效地抑制单独应用l c 滤波器时l c 多系统中电抗之间可能产生的自激振 荡。 ( 3 ) 为了适应有源电力滤波器多功能复杂控制的需要，在有源电力滤波器走向 实用化盼道路上，一些先进的控制策略包括变结构和智能控制将得到真正的应用 以获得更好的控制性能和效果。 6 第一章绪论 1 6 本文做的主要工作 本文介绍了整套装置的系统构成，并对各组成部分进行了阐述。详细讨论了 一种直流一直流变换器的实用电路。 有源电力滤波器的研究是本文的主要工作，包括： ( 1 ) 有源电力滤波器的工作原理和逆变主电路的设计 ( 2 ) 有源电力滤波器检测方法的研究。本文将自适应噪声抵消技术与人工神 经元网络理论相结合，研究自适应线性神经网络谐波电流检测方法。阐述自适应 神经网络理论、l m s 算法、检测系统构成。通过仿真软件m a t l a b 建立仿真模 型，给出仿真结果。为了克服自适应神经网络谐波检测方法的高检测精度和快响 应速度不能同时获得的缺点，文中还创建了一个变学习速率的自适应神经网络检 测方法的仿真模型，并给出仿真波形。 ( 3 ) 有源电力滤波器控制方式的研究。本文详细介绍了三角载波控制方式的 原理。对在单相逆变电路中比较常用的单极性p w m 控制方式，本文分6 种情况 详细讨论了其工作过程，最后给出生成p w m 控制信号的实现框图。并通过 m a t l a b 仿真软件给出仿真结果。 ( 4 ) 利用m a t l a b 仿真软件，建立有源电力滤波器系统的仿真模型，给出 仿真结果。 ( 5 ) 有源滤波电力机车的工作方式及实际应用。 第二章牵引电机供电模块的构成 第二章牵引电机供电模块的构成 2 1 供电模块的构成 本文的目的是消除电力机车内整流装置产生的谐波和研究电力机车再生制 动时的再生回馈电能。目前，我国电力机车是通过机车变压器和硅整流器组，把 牵引网送来的工频2 5 k v 交流电变换成所需的直流电，供给牵引电动机使用。本 文的构思是使用一些电力电子器件与整流装置反并联，组成一个反馈回路，这个 反馈回路既可以消除谐波，又可以对再生电能进行研究。图2 1 示出了整个系统 的构成框图。 电力机车简 化整流电路 l 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一jl 一一一一一一一一一一一一一一一1 l 一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一j 反馈通路 图2 1 系统构成 图2 。1 中反馈回路上的元器件是本文的主要研究对象，包括直流一直流变换 器、单相逆变器和输出变压器。其中最主要的部分是单相逆变器的研究，它有两 种工作模式。当牵引电机作电动机运行时，此逆变器相当于一个单相有源电力滤 波器( a p f ) ，消除整流装置产生的谐波；当火车制动时，牵引电动机运行于发电 机状态，此逆变器只是一个普通的直流到交流的变换器，负责把发电机发出的直 流电变换成交流电送回到电网。 电力机车的谐波问题是本文重点要解决的内容。有源电力滤波器是一种用于 第二章牵引电机供电模块的构成 动态抑制谐波的新型电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波进行补偿， 其应用可以克服l c 无源滤波器的不足，因此在后续章节中将对有源电力滤波器 进行深入的研究。 2 2 牵引电动机硅整流器组的简化 交直型电力机车通常采用电气特性为软特性的直流串励电动机作为牵引电 机，并且其整流和调压方式多采用多段半控桥整流，无级平滑调压。由于本文只 是进行理论研究，并且主要研究对象是图2 1 中反馈回路上的各环节，因此本文 对电力机车的整流供电系统进行了简化，采用单相不控整流桥代替多段半控桥。 如图2 2 所示。 l + 机车主7- _ z 变压器 吃 i k v 牵引 一 矾 ) h z j 绕组 一_ -_ zz 电势 e i 图2 - 2 直流牵引电机的简化整流供电接线图 直流侧电感滤波的整流电路属于电流型谐波源 9 】，滤波电感足够大时，直流 侧电流保持恒定，注入电网的谐波电流与交流电压无关，具有理想电流源的特性， 此类谐波源可以看成是一个理想的谐波电流源。当滤波电感不足够大时，注入电 网的谐波可以等效成一个理想谐波电流源与一个等效阻抗并联。与直流侧电感滤 波对应，直流侧电容滤波的整流电路为电压型谐波源。滤波电容足够大时，直流 侧电压保持恒定，注入电网的谐波电压与交流电流无关，具有理想电压源的特性， 此类谐波源可以看成是一个理想的谐波电压源。当滤波电容不足够大时，注入电 网的谐波可以等效成一个理想谐波电压源与一个等效阻抗串联。并联型有源电力 滤波器适合补偿电流型谐波源，不适合补偿电压型谐波源。由图2 2 可知，电力 机车为电流型谐波源，故采用并联型有源电力滤波器进行谐波抑制。 当电力机车在牵引工作状态、整流装置投入工作时，牵引绕组中便产生谐波 电流。因此牵引绕组中的电流i l 是本文需要检测和补偿的电流。 图2 2 中反电势e 。为电动机的电枢感应电势；电阻r 为电动机的总的串联电 阻：电感为平波电感与励磁电感之和；直流平均电压叻为直流一直流变换器的 直流输入电压。 本文的参数选择主要是考虑可以较快得到正确的仿真结果，进而验证理论分 9 第二章牵引电机供电模块的构成 析。因此图2 2 中的牵引绕组侧的峰值电压取为2 0 0 0 v ，反电势取为9 5 0 v ，电 阻r 取为0 5 f 2 ，电感三取为0 0 1 h 。电枢电流达到稳态的时间一般是( 3 4 ) t ， 其中t 近似等于l r 。因此本文电枢电流达到稳态的时间大概需要0 0 6 s ，电枢电 流可以比较快的进入稳态，从而可使数字仿真能在比较短的时间内，获得满意的 仿真结果。 2 3 直流直流( d c d c ) 变换器 本文采用的d c d c 变换器实际上是一个直流到直流的变压器，把比较高的 直流电压( 牵引电机两端的直流电压) 变换到比较低的直流电压，作为逆变器的直 流输入电压。 通断型d c d c 变换器( 亦称斩波器) 广泛应用于可调直流电源与直流电动机 传动中。这种变换器将不可调的直流输入电压变换成所需的可控的直流输出电 压。本文所采用的通断型d c d c 变换器是通过脉冲宽度调i 茜i ( p w m ) 来改变输出 电压的平均值，并且是降压型d c d c 变换器。 2 3 1 实用d c d c 变换器的电路设计 图2 3 是一种多级大功率串联d c d c 变换器的电路拓扑结构【1 。 图2 3 中d c d c 变换器的上下两部分各由3 个i g b t 串联而成。值得注意的 是下半部的三个i g b t 的门极信号一直保持低电平，与其并联的续流二极管在上 半部的三个i g b t 管( t a l ，k ，t a 3 ) 关断时导通，为电感储能提供释放回路。下 半部的三个i g b t 管( t b l ，t b 2 ，t b 3 ) 只是在上半部的三个1 g b t 管导通时，共同承 受直流电压。 1 0 第二章牵引电机供电模块的构成 图2 - 3 大功率串联直流一直流变换器电路图 2 3 2 缓冲吸收电路的设计 图2 - 4 给出了d c d c 变换器中i g b t 管的缓冲吸收电路的基本拓扑结构以及 i g b t 关断时的电压v 棚电流i t 的波形图 1 1 】。 厶 矾 y 乩 a ) 关断缓冲电路图 。”r b ) i g b t 关断时的电压和电流波形图 图2 4i g b t 关断缓冲电路及部分波形图 第二章牵引电机供电模块的构成 2 3 2 1 缓冲电路的工作原理 图2 4 a 中的电容c s 、电阻r s 和- - 极管d s 组成t i g b t 管的关断缓冲电路，其 中g 的作用是使i g b t 关断时电压缓升，避免出现关断过电压，称为缓压电容： 凰的作用是限制i g b t 导通时g 中的储能沿i g b t 流过的电流；d s 的作用是在i g b t 关断时旁路电阻凡，为电容的充电电流提供路径。其工作原理为： i g b t 管导通时，二极管d 截止，此时= o 。关断i g b t ，i g b t 管两端电压 v7 由零开始上升，电容器g 开始充电，电压v c 开始上升。通过电容器的电流i c 为 七= c s 譬 ( 2 1 ) “l 由图2 4 a 可知 岛+ = 屯( 2 - 2 ) 假设f 残性下降，则f c 线性上升，且 1， v c = 吁= i f ( 出 ( 2 3 ) 乙s 。 因此v 7 的波形为二次曲线，并且以l g 的比率增长。如果选择一个比较大的 电容值，当开关电流i t 降到零( 臣p t o 时，开关电压v t 只是直流电压的丫( 丫 1 ) 倍， 如图2 4 b 所示，达到控制开关电压v 献速上升的目的。打降到零后，由式( 2 2 ) 可 知，i c 将不再上升，等于直流电流厶，此后电容g 恒流充电，直到v t = v c = u d ，开 关i g b t 完全关断。 2 3 2 2 缓冲电路参数选择 a 缓雎电答g 由电容定义知，电容。等于电容电荷与电容电压的比值。即 g：qc_(t_r)(2-4) 。 ( f r ) 绞( f 厂) = fi ? 廊= f ( l i , ) d t = f 7 - 生，彳d t = 之 ( 2 5 ) 吁( 0 ) = 心 ( 2 - 6 ) 将式( 2 5 ) 和式( 2 6 ) 代入式( 2 - 4 ) 得 g = 芳 ( 2 - 7 ) 由式( 2 - 7 ) 可知，只要历、u a 、徊丫的值确定，g 的值便可以得到。 b 限流电阻r s i g b t 在导通过程中，电容c s 中的电荷必须沿限流电阻尺s 释放完，为此 放电回路的时间常数应选为： 1 2 第二章牵引电机供电模块的构成 4 r s i 。 式中：r s = g ，。是i g b t 最短导通时间，据此应有 匙惹 同理由。和岛的值即可确定风的值。 2 。3 3 输出滤波电路 大功率串联直流一直流变换器的输出端低通滤波器电路如图2 5 所示。 2 3 3 1 输出电压纹波的计算 图2 5 输出低通滤波器 ( 2 - 8 ) ( 2 - 9 ) 降压变换器工作于连续导电模式下时，当滤波电容为一个实际的有限数值 时，可根据图2 - 6 所示的波形计算输出电压中的纹波。 图2 - 6 降压变换器输出电压纹波 假定i l 中所有纹波分量都流经电容器，而其平均分量流经负载阻抗。a q 为附 加电荷，则电压纹波峰峰值a u o y g t l 2 】 、 虬= 等；吉吾等墨2 ( 2 - 1 0 ， 从图2 - 6 的岛涧隔，可得 世l = 睾( 卜d ) 乃 ( 2 - 1 1 ) 式中：d 为直流一直流变换器的占空比，d = w 。 第二牵牵弓 电机供电模块的构成 将式( 2 一1 1 ) 代入式( 2 1 0 ) 可得 u2 酱( 1 一d ) ( 2 - 1 2 ) 则 等= 盏p 驴争碳砉，2 p 式中：f s = l t s 为通断频率。 疋= ；为输出低通滤波器的截止频率。 2 # 4 l c 由式( 2 1 3 ) 可知，适当选择输出端低通滤波器的截止频率，使得后 锯，可使 输出电压纹波降到最小。输出电压纹波百分比通常规定小于1 ，因此认为 材。( t ) = u o 是可行的。 2 3 3 2 输出滤波电路的参数选择 a 电感辅选择 由式( 2 11 ) 可知， l f = 滤波电感瑚值可由下式得到 u o ( 1 一z ) ) r s 醚l ( 2 1 4 ) b 电容c ，的选择 由输出电压纹波配，可得到输出滤波电容值的计算公式，即 q r , 2 一r c ，5 瓦l i i ，u u o ( 1 一d ) ( 2 - 1 5 ) 由式( 2 一1 4 ) 和式( 2 1 5 ) 可知，只要直直变换器的输出电压乩、输出电流、占空 比d 和开关频溯定，输出低通滤波电路的滤波电感值和滤波电容值就能确定。 2 3 4 直流侧电容的参数选择 直流侧电容是由四个电容( c 曲串联组成的，如图2 3 所示，它们共同承受输 入电压。电容q 可以选择应用比较普遍的电解电容。每个电容都并联一个电阻 魁。电阻魅的作用是为电容c 傲电提供回路和限制放电电流，并且四个电阻组成 了一个电压分配网络，可以保证四个电容的充电电压相等。 1 4 第三章有源电力滤波器的改进型自适应检测方法 第三章有源电力滤波器的改进型自适应检测方法 有源电力滤波器所采用的谐波电流检测方法决定了谐波电流的检测精度，进 而影响有源电力滤波器的电流补偿效果。因此，谐波电流检测技术已经成为有源 电力滤波器领域的研究热点之一。 目前检测谐波电流的方法很多，如：模拟带通滤波器检测法、基于频域分析 的快速傅立叶变换( f f t ) 检测法、瞬时波形比较法、基于瞬时无功功率理论的检 测法和自适应检测法等等。其中比较常用的是瞬时无功功率理论检测法和自适应 检测法。 基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法具有较好的实时性，在三相电路 中得到了成功的应用。但这种检测方法所用的乘法器较多，计算量大，调整困难， 难以保证检测精度。且这种检测法不适用于单相电路。在负载或电网工作状态变 化时，电路参数调整比较困删习。 本文研究的系统是一个单相系统。本文提出了将自适应噪声对消技术与自适 应线性神经网络理论相结合的改进型自适应谐波电流检测方法。改进型方法在负 载电流发生变化和电网电压改变时，可以很好的自适应跟踪检测，并且具有很好 的动态响应和较高的检测精度。为了同时获得更高的检测精度和更快的响应速 度，本文还在改进型方法的基础上建立了一个变学习速率的仿真模型。 3 1 改进型自适应谐波电流检测方法 3 1 1 自适应噪声对消技术 自适应噪声对消技术是一种把信号与噪声分离的信号处理方法，它通过不断 的自学习和自调整使系统保持在最佳状态【2 6 】【3 5 】。其原理如图3 1 所示 ，j 输出 - 丫滤波器 一v 、， 参考输入确r 匡弘， 7i 滤波器l 7 误差 图3 1 自适应噪声对消原理 系统有两个输入：原始输入s + 力。和参考输a n 1 。5 是信号，刀。是噪声，并且s 第三章有源电力滤波器的改进型自适应检测方法 和n o 是不相关的；参考输入r 1 和信号s 是不相关的，但门1 和，2 0 是相关的。系统通过 自适应滤波器来处理参考输入信号，该自适应滤波器可以采用最小均方算法，即 l m s 算法，自动地调节自身的冲激响应。采用恰当的算法，滤波器可以在变化的 条件下进行工作，并可以不断地调节自身，使自适应滤波器的输出信号y 逼近挖o ， 经过相减后抵消原始输入中的玎。成分，以达到抵消干扰的目的，并时刻将系统的 输出( 误差信号) 反馈给滤波器，来修正滤波器的参数使其工作于最佳状态。 系统的参考输入和原始输入中的信号成分不相关主要是保证参考输入通过 自适应滤波器后其输出不会抵消原始输入的信号成分；而要求参考输入和原始输 入中的噪声成分相关，主要是保证参考输入通过自适应滤波器后其输出能够抵消 原始输入中的噪声成分。只有这样才能有效地把附加在信号中的噪声与信号分离 开。 3 1 2 神经网络的发展与现状 神经网络的研究始于1 9 4 2 年，心理学家w s m c c u l l o c h 和数学家w p i t t s 提 出了神经元最原始最简单的模型一m p 模型。m p 模型的提出不仅具有开创意义， 而且为以后进一步的研究提供了依据。 1 9 4 9 年心理学家d o h e b b 发表论著行为自组织，提出了神经元之间突 触强度调整的假设。他认为学习过程是在突触上发生的，连接权的调整正比于两 相连接神经元之间激活值的乘积。这就是有名的h e b b 学习规则。直到现在，h e b b 学习规则仍然是人工神经网络中的一个极为重要的学习规则。 1 9 5 8 年f r o s e n b l a t t 定义了一个称为感知器( p e r c e p t r o n ) 的具有三层结构的神 经网络，这是第一个真正的人工神经网络，它第一次把神经网络的研究从纯理论 的探讨付诸于工程实际。 1 9 6 1 年b w i n d r o w 和m e h o f f 提出了自适应线性单元网络。它可用于自适 应滤波、预测和模型识别。从2 0 世纪5 0 年代到2 0 世纪6 0 年代初，神经网络的 研究受到人们的重视，研究工作进入一个高潮。 1 9 6 9 年m m i n s k y 和s p a p e r t 发表了名为( ( p e r c e p t r o n s ) ) 的论著，对感知器 解决问题的能力表示了怀疑，指出感知器只能解决一阶谓词逻辑，而不能解决高 阶谓词逻辑。这个结论对当时的人工神经网络研究无疑是个沉重的打击，很多领 域的专家纷纷放弃了这个课题的研究。 美国加州理工学院生物物理学家j j h o p f i e l d 博士点燃了人工神经网络复兴 的一把火，1 9 8 2 年他提出了后来被称为h o p f i e i d 网络的离散神经网络模型，两 年后又提出连续神经网络模型，其中的神经元动态方程可以用运算放大器来实 现。这一研究成果引起了极大的反响，直接促成了神经网络研究的又一次热潮。 第三章有源电力滤波器的改进型自适应检测方法 2 0 世纪8 0 年代中期以后，各国掀起了神经网络研究的热潮。 1 9 8 6 年，d e r u m e l h a r t 和j l m c c l e l a n d 等人提出多层前馈网络的反向传播 算法( b a c kp r o p a g a t i o n ，简称b p 算法) 。这种算法解决了感知器所不能解决的问 题。 在此之后，又出现了许多模型和算法，如：r h e c h t n i e l s e n 的对向传播神经 网络。l 0 c h u 等人的细胞神经网络等等。 2 0 世纪8 0 年代中期以来，神经网络的应用研究取得了很大的成绩，涉及的 方面非常广泛。从众多应用研究领域取得的丰硕成果来看，神经网络的发展具有 强大的生命力。 由于神经网络具有较强的在线学习能力、非线性映射能力、联想记忆能力等 特点，在其研究的早期阶段就已经被引入到电力系统中。1 9 9 1 年7 月在美国召 开了第一届神经网络在电力系统中应用的国际学术会议，使得神经网络在电力系 统中的应用得到了世界