（电力系统及其自动化专业论文）单相混合型谐波和无功补偿系统研究.pdf

a bs t r a c t a b s t r a c t ：w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe l e c t r i f i e dr a i l w a y , t h ee l e c t r i cr a i l w a y t r a c t i o ni o a dh a sb e e nc o n s t a n t l yg r o w i n g d u et oi t so w nc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ee l e c t r i c r a i l w a y t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mc a u s e sac e r t a i na m o u n to fp o l l u t i o no nt h ep o w e r s v s t e r n ，w h i c hh a ss e r i o u s l ya f f e c t e d t h eq u a l i t yo fp o w e rs u p p l y t h e r e f o r e ，t h e r e s e a r c ho nh a 加o n i ca n dr e a c t i v ec o m p e n s a t i o nf o re l e c t r i cr a i l w a yt r a c t i o nl o a di s o f g r e a ts i g n i f i c a n c e t h eb a s i cp r i n c i p l e sa n de v o l u t i o np r o c e s so fa c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) a r ef i r s t i n t r o d u c e d t h es c h e m ea n ds t r u c t u r eo fs i n g l e - p h a s eh y b r i df i l t e rs y s t e mi s t h e n i 1 1 u s t r a t e da n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s i sm a d eb a s e do nt h eh a r m o n i ca n dr e a c t i v e c o m p e n s a t i o np r i n c i p l e s t h r o u g h t h e o r e t i c a ld e r i v a t i o n ，t h es a i ds y s t e mh a sb e e n p r o v e dt oh a v et h ef u n c t i o no f h a r m o n i ca n dr e a c t i v ec o m p e n s a t i o n b ya n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gac o u p l eo fh a r m o n i ca n d r e a c t i v ec u r r e n td e t e c t i n g m e t h o d sa n df o c u s i n go nt h ea c t i v ep o w e rc u r r e n ts e p a r a t i o nd e t e c t i n gm e t h o da n d 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 , ar e a c t i v ec u r r e n td e t e c t i n gm e t h o do fs i n g l e 。p h a s e s v s t e r nb a s e do nt h 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 yi sp r o p o s e d ，w h i c h w i l l i m p r o v e st h es p e e da n da c c u r a c yo f r e a c t i v ec u r r e n td e t e c t i n g t h ec o n t r o ls t r a t e g yo fa c t i v ep o w e rf i l t e ri sa n a l y z e d t h eo p t i m i z e ds e ts i d e b a n d c o n t r o lm e t h o da n do t h e rt w om e t h o d sb a s e do nu n i p o l a rp w mc o n t r o la n dt h et r i a n g u l a r w a v ep w ma l em a i n l ys t u d i e d 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 so f t h ep r o j e c t ， a ni m p r o v e dt r i a n g u l a rw a v ep w m c o n t r o lm e t h o di sp r o p o s e dw h i c ha l l o w st h eh i g h p o w e rr e a c t i v ec o m p e n s a t i n gd e v i c e sw o r k u n d e rt h ec o n d i t i o no ff i x e df r e q u e n c ya n d i m p r o v e st h ea c c u r a c yo fc u r r e n tt r a c k i n g b ya 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 sf o rd e s i g no fs y s t e mp a r a m e t e r , am a l n c i r c u i t sp a r a m e t e rd e s i g n i n gm e t h o do fa c t i v ep o w e rs y s t e mi sp r o p o s e d a n dt h e p a r a m e t e ro fs i n g l e - - p h a s eh y b r i d f i l t e rs y s t e mi so b t a i n e d at r a “o np o w e rs u p p l ys y s t e ms i m u l a t i o nm o d e li n c l u d i n gs i n g l e 。p h a s eh y b r i d f i l t e rs y s t e mi se s t a b l i s h e d i nt h ep s c a d e m t d ce n v i r o n m e n t t ov e r i f yt h e c o m p e n s a t i o ne f f e c to f t h es y s t e m t h es i m u l a t i o nr e s u l t sc o n f i r m e dt h ec o r r e c t n e s sa n d f e a s i b i l i t yo f t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h es y s t e m t h em e t h o do fc u r r e n td e t e c t i o n ，c o m r o l s t r a t e g i e sa n dp a r a m e t e r sc a l c u l a t i o n k e y w o r d s ：e l e c t r i cr a i l w a y ；a c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) ；c u r r e n td e t e c t i n g ；c o n t r o l s t r a t e g y ；p s c a d e m t d c c l a s s n o ：t m 7 1 4 3 v 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学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。同意学校向囡 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： 签字只期：二摊多月同 翮虢摊 签字r 期：2 嘞6 月罗同 e 盛銮道厶鲎亟翌位论塞 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：i ：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，也不包含为获得北京交通大学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：弓玮院 签字同期：2 回侈年衫月多同 6 8 致谢 本论文从论文的选题、系统方案的设计、实验问题的解决到论文的写作过程， 都是在我的导师王立德教授的悉心指导下完成的。在二年的研究生学习生涯中， 导师给了我极大的帮助和指导。导师渊博深厚的学识、严谨求实的治学态度、孜 孜不倦的工作热情、平易近人的学者之风使我受益匪浅，对我今后的工作和学习 有巨大帮助。回想自己二年的成长过程，深深感受到导师的人格魅力，使我受益 终生。在本课题的研究过程中，导师更是从各个方面给了我极大的帮助。二年来 的成长，浸透着导师的大量心血。值此论文完成之际，向导师表示深深的感谢与 敬意! 在论文的研究过程中，要特别感谢申萍老师对我的指导及帮助，我的每一份 收获与成长和她的耐心指导是分不丌的，在此向她表示衷心的感谢。 本文也是在实验室同学的大力帮助下完成的。感谢孟盟师兄在整个研究生学 习期间给予的关心、指导和帮助，感谢刘斌师弟、王秀清、周洁琼师妹在本课题 实验过程中所给予的大力支持和帮助。在实验室工作及撰写论文期间，实验室刘 彪师兄等其他同学在学习上和生活上都给予了我很大的关心和帮助。感谢电气工 程学院所有老师几年来给予我的关心和支持，感谢北京交通大学八年来对我培养 和教育。 感谢父母对我的养育之恩，亲人的鼓励和关怀永远是我前进的动力，在此谨 以论文的完成来感谢我的家人对我二十多年来含辛茹苦的哺育和培养。 感谢身边的朋友温志超、信心、薛洪峰和宋海峰等给予的帮助和支持。 最后，谨以此文献给所有在我成长过程中关心、爱护过我的人们。 1 1课题背景 1 绪论 1 1 1电气化铁道牵引供电系统简介 电力牵引始于十九世纪八十年代初，首先在城市、工矿运输中得到应用。随 着电机、电器制造和电力工业的发展，于二十世纪初才开始采用到铁路干线上来。 二十世纪五十年代以来，由于半导体等电子技术的发展和广泛的应用促使铁路电 气化进展到今天的单相工频交流电力牵引制。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。在 我国，自1 9 6 1 年建成第一条电气化铁路宝鸡一凤州段以来，电气化铁路得到了快 速的发展。至u 2 0 0 6 年，我国已建成开通4 9 条电气化铁路，标志着我国电气化铁路 罩程已突破2 0 0 0 0 千米，成为继俄罗斯之后世界第二大电气化铁路国家，我国铁路 电气化率已达至u 2 4 ，承担了铁路总运量的4 3 。预计到2 0 2 0 年底，电气化铁路的 总里程将达到全国铁路总里程的一半，承担铁路运量的比重将达到8 0 。比。 我国电气化铁道( 简称电铁) 供电系统主要由电铁一次供电系统、牵引变电所、 牵引网和电力机车四部分构成。牵引变电所主要把一次供电系统输送来的三相交 流高压电能转变成较低电压适合电力机车使用的单相电能；牵引网部分主要包括 馈电线、接触网、轨道、大地以及回流线，其主要功能是将变电所的电能输送到 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。电 铁牵引供电系统原理如图1 - 1 所示。 图卜1电铁牵引供电系统原理示意图 f i g 1 1f r a m eo ft r a n c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m 基于以上结构，我国电气化铁道牵引负荷具有如下特点1 ： 1 ) 非线性。我国电气化铁路目前主要使用交一直( a c d c ) 型电力机车，故电 铁牵引负荷是一个很大的谐波源和无功源。供电臂上的谐波电流畸变率达 2 5 - 3 0 ，且每台机车的功率很大，以s s 3 型4 0 0 0 系机车为例，功率达4 8 0 0 k w 。同 一供电臂上经常运行2 台甚至3 台机车，其谐波电流幅值很大，向电力系统注入大 量的谐波电流。同时由于牵引电机电抗器的存在，以及相控整流的结果，使得机 车电流滞后于牵引网电压，因此机车的功率因数比较低，一般在0 8 - 0 8 5 之间。 2 ) 随机波动性。主要是负荷电流大幅度剧烈波动。一般电力机车的电流很难 保持3 0 s 平稳不变，有时甚至在短时问内突然由零变为满负荷或相反。负荷的波动 性使牵引变电所及牵引网上的电压发生波动，造成牵引供电设备的容量利用率降 低。 3 ) 单相独立性和不对称性。正常电压范围内，可认为牵引变电所各供电臂的 取流具有单相独立性；相对三相系统而言，牵引负荷具有不对称性，必将产生负 序进入电力系统。这种负序电流和谐波电流是同时发生的，且大致同步升降。 4 ) 稳态奇次性。稳态运行时电力机车牵引负荷只产生奇次谐波电流。 1 1 2 电气化铁道谐波和无功的危害f 4 引 高次谐波电流倒流入电网，将严重影响电力系统的供电质量，严重时会造成 设备的损坏和电力系统事故。其危害主要归纳为以下几点： 1 ) 谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电和用电的效率； 2 ) 谐波电流在输电线路阻抗上的压降会使电网电压发生畸变，影响各种电气 设备的f 常工作； 3 ) 谐波会造成输电线路故障，使变电设备损坏； 4 ) 谐波会导致继电保护和自动控制装置的洪动或拒动，并使电气测量仪表的 计量不准确； 5 ) 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者 导致信息丢失，使通信系统无法f 常工作； 6 ) 谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这 就使前几个方面的危害大大增加，甚至引起严重事故。 基波无功功率对电铁牵引供电系统以及公共电力系统的危害，主要可以归纳 为以下两个方面： 1 ) 对电铁牵引供电系统的影响：系统的功率因数降低，牵引变压器、牵引网 以及其它电气设备的容量大大增加，变压器和牵引网的电压降加大，设备和线路 的损耗增加。 2 ) 对公共电力系统的影响：降低了发电设备效率，使发电成本提高；降低了 输变电设施的供电能力；使电网的损耗增加；增加了输电网络的电压损失，造成 用户端供电电压的不足；无功功率的变化可造成电压的剧烈波动，影响供电质量， 并对系统中的用电设备产生不良影响。 综上，电气化铁道牵引负荷对电力系统的影响主要反映在降低功率因数及带 来高次谐波问题上。谐波电流和无功电流的大量注入电网会严重影响供电质量、 输电效率和用电设备的使用寿命，因此，电气化铁道的谐波和无功治理问题亟待 解决。 1 2电铁牵引供电系统谐波与无功补偿技术研究现状 目前，治理电气化铁道谐波及无功问题的方法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完成自身主要功能任务的同时，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，如设置各种无源、有源电力滤 波和无功补偿装置，以抑制谐波，提高功率因数。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。因此，在牵引变电所 2 7 5 k v 母线上装设谐波和无功补偿装置将是治理电铁谐波的主要方式。 目前在牵引变电所进行谐波和无功集中治理的技术及设备中，广泛使用的主 要有以下四种川。： 1 ) 采用2 7 5 k v 母线上并联固定的电容器组，并串以1 2 的电抗器，进行谐波 治理和无功补偿，即典型的固定电容补偿装置( 静态s v c ) 。 2 ) 采用补偿变压器对2 7 5 k v 母线电压降压，并将补偿电容器组分成若干支 路，每个支路串以1 2 的电抗器，然后利用真空开关或负荷丌关等对各补偿支路进 行动态投切，实现谐波治理和无功补偿；目前广泛使用的是l a m s c 型低压智能投切 电容器动态无功补偿成套装置。 3 ) 在固定电容补偿装置的基础上并联磁饱和电抗器，根据负荷无功功率或功 率因数的大小来控制可控硅，并通过可控硅调整磁饱和电抗器注入2 7 5 k v 母线的 感性无功功率，实现与过补偿的容性无功功率相抵消，达到谐波治理和无功补偿 的目的；目前广泛使用的是t d d k 型磁阀式可控电抗器微机监控装置。 4 ) 通过调压器调整施加到补偿电容器组的端电压来改变电容器组补偿容量， 以实现无功功率的动态补偿；目前广泛使用的是s a v d 型有级调压高压动态无功补 偿装置。 以上四种补偿装置在设计理念上主要是进行无功功率的补偿，兼顾3 次、5 次 谐波的滤除，在实际运营中的平均功率因数基本能够满足国标的规定，并具有一 定的滤除3 次、5 次谐波的功能，但在负荷较小时均存在不同程度的容性无功反送， 及负荷较大时谐波严重超标的问题。 1 3 本文的主要工作 从前面的讨论可以看出，谐波和无功补偿是现有单相工频牵引供电系统亟待 解决的问题。目前电铁牵引供电系统采取的补偿措施，主要是静态的固定补偿， 这种补偿方式受负载变化影响较大，在某些情况下，不但不能补偿无功还有可能 起到反作用，因此要实现电铁牵引供电系统的谐波和无功的动态补偿意义巨大。 本文就是基于这个出发点对单相混合型谐波和无功补偿系统进行研究的。同时， 本文工作得到了国家“8 6 3 ”计划项目基金的支持( 项目名称：电气化铁道用新型谐 波与无功补偿装置，项目编号：2 0 0 6 a a 0 5 2 2 4 8 ) 。 本文的主要工作是针对电铁牵引负荷对电力系统的影响，在目前研究水平基 础上，构造出适合电气化铁道用的单相混合型滤波系统，并对其进行方案论证， 在系统整体结构、电流检测、控制策略、参数设计等方面进行仿真研究。主要工 作如下： 1 ) 在分析有源电力滤波器工作原理基础上，提出了适用于电气化铁道牵引供 电系统的单相混合型滤波系统的方案，并系统分析了该系统的结构特性和谐波与 无功补偿原理； 2 ) 在分析研究现有有源电力滤波器谐波和无功电流的常用检测方法基础上， 提出了基于瞬时无功功率理论的单相混合型滤波系统的指令电流生成方法，并通 过仿真验证了这种方法能够快速、准确的检测出负载电流的无功分量； 3 ) 在分析研究现有有源电力滤波器的常用控制策略基础上，提出了基于定频 控制思想的优化的单极性p w m 控制策略和一种改进的三角波调制p w m 控制方法，并 通过仿真证明了两种控制策略能够使a p f 产生的电流快速、准确的跟踪目标电流， 但改进的三角波调s u p w m 控制方法使a p f 产生的电流误差相对较小，综合性能更好； 4 ) 提出了单相混合型滤波系统参数的设计方法，详细的分析a p f 的补偿性能 对其参数的要求，并计算出了a p f 的主电路参数。根据现有文献直接计算并给出了 无源滤波装置的设计参数； 5 ) 利用仿真软件p s c a d e m t d c ，建立了含有单相混合型滤波系统的电铁牵引 供电系统的仿真模型，通过仿真验证了系统整体结构、电流检测、控制策略及参 数计算方法的正确性和可行性，通过改变负载，验证了系统对于负载性质的适用 性。 4 2 有源电力滤波器的原理 有源电力滤波器是实现电气化铁道牵引供电系统谐波与无功补偿的关键，本 章围绕有源电力滤波器的基本原理、分类与系统构成等方面展开研究，在此基础 上提出本文的设计构想。 2 1有源电力滤波器简介 2 1 1有源电力滤波器的发展沿革 1 9 7 1 年同本的h s a s a k i 和t m s c h i d a 建立了有源电力滤波器的基本原理。当 时采用线性放大器来产生谐波电流，因为其损耗和成本较高，在实际电力系统( 特 别对大功率非线性负载情况下) 并无使用价值。1 9 7 6 年美国西屋电器公司的l g y u g y i 和e c s t r y c u l a 提出了用p w m 变流器构成的有源电力滤波器，从原理上讲， 它是一理想的谐波电流发生器。文中还讨论了有源电力滤波器的实现方法和相应 的控制原理。j 下是这篇论文确定了有源电力滤波器的概念，并建立了当今有源电 力滤波器的基本拓扑结构。然而7 0 年代由于缺少大功率可关断器件，因此对有源 电力滤波器除了少数的实验室研究外，几乎没有任何进展。 进入8 0 年代以来，随着大功率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 ) 和静电感应晶体管( s i t ) 、以及i g b t 等快速器件的发展，有源电力滤 波器的研究开始活跃起来，紧接着不少文献讨论了有源电力滤波器得有关技术问 题。1 9 8 3 年，同本长岗科技大学的赤木泰文( h a k a g i ) 等人提出了一种瞬时无功 功率理论，为解决三相系统畸变电流的瞬时检测提供了理论基础。随后又研制出 7 k v a 的有源电力滤波器，用于补偿2 0 k v a 的三相整流器在交流侧所产生的高次谐波 和无功电流，使a p f 开始进入了工业应用阶段。 八十年代至今，a p f 一直是电力电子技术领域的研究热点之一。一批有代表性 的论文在国际刊物及国际会议上发表，这些论文跨越了电力电子技术、检测和控 制技术等诸多领域，涉及了a p f 研究的各个方面，标志着该研究领域的不断进步。 2 1 2有源电力滤波器的基本原理及结构 有源电力滤波器是一种将系统中所含高次谐波、无功和不平衡等电流检出， 并产生与其相反的补偿电流，以抵消输电线路中的这些电流，避免其进入电网的 半导体变流器装置。从结构上来看，有源电力滤波器主要由两大部分组成，即指 令电流检测电路和补偿电流发生电路( 由控制电路、驱动电路和主电路三个部分组 成1 。其中指令电流检测电路的主要作用是由补偿对象的电流中提取所需补偿的谐 波和无功等电流分量，即所谓的谐波和无功检测电路；补偿电流发生电路的作用 则是根据指令电流检测电路得出的补偿电流的参考信号，构造实际的补偿电流。 有源电力滤波器原理如图2 1 所示。 图2 - 1有源电力滤波器原理框图 f i g 2 1p r i n c i p l eo f a p f a p f 的主电路是逆变器。根据逆变器直流侧储能元件的不同，可以分为电压 型a p f 和电流型a p f 。由图2 2 可以看出，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 可以采用多电压源逆变器串联结构，便于扩大补偿容量，同时直 流端电容器损耗低、体积小、价格便宜，适于构成大容量有源电力滤波器。而电 流型a p f 不存在直流端短路的危险，可靠性高、动态性能好、滤波精度高，但直 流侧电感损耗大。电压型a p f 的优点是损耗少，效率高，且技术上较为成熟，因 而现在应用较多的是电压型逆变器，本课题也采用了电压型a p f 。 a 三相电压型a p fb 三相电流型a p f 图2 2 有源电力滤波器结构 f i g 2 2f r a m eo f a p f 6 2 2有源电力滤波器的分类 从不同的角度出发，有源电力滤波器有不同的分类标准。根据与补偿对象连 接的方式，源电力滤波器可分为三种基本类型：并联型、串联型和混合型。不同 类型的a p f 适合于不同的补偿对象。串联型a p f 适合补偿电压型谐波源负载，并 联型和混合型a p f 适合补偿电流型谐波源负载。 2 2 1并联型有源电力滤波器 并联型a p f 在实用中占绝大多数，它与负载并联连接，通过向电网注入补偿 电流，抵消负载所产生的谐波和无功电流。其补偿原理如图2 - 3 所示。设负载电 流f ，为方波电流，其中所包含的谐波分量为f ，。a p f 产生的电流t 如果与f ，。大小相 等、相位相反，则两者相互抵消，最终的系统电流f 。为不含谐波的正弦电流。除了 补偿负载电流中的谐波分量之外，a p f 还可以补偿负载电流中所含的无功电流，使 得电源电流与电压同相位，达到功率因数为1 的目的。 图2 - 3并联型a p f 补偿原理 f i g 2 3c o m p e n s a t i o np r i n c i p l eo fp a r a l l e la p f 2 2 2串联型有源电力滤波器 串联型a p f 的补偿原理如图2 4 所示。a p f 通过电流互感器( c t ) 串联在电源与 负载之间。设电源电流t 中包含谐波分量为f a p f 产生一个谐波电压u ，= k f 埘， 其中k 为常数。因此，a p f 对谐波而言，等效于阻值为k 的电阻，而对基波来说， 阻值k 为零。当k 专o o 时，乙= 0 电源电流不含谐波成分成为正弦电流，最终完 成谐波补偿。值得一提的是，如果电源电压存在畸变，串联型a p f 还可以控制补 偿电压”，以补偿电源电压的畸变，使负载端电压为j 下弦电压。 7 i 叶 j 皤 c 串联型a p f 图2 - 4串联型a p f 补偿原理 f i g 2 4c o m p e n s a t i o np r i n c i p l eo fs e r i a la p f 2 2 3混合型有源电力滤波器 在补偿大容量的谐波源时，需要大容量的有源电力滤波器，这无疑会加大装 置的成本。如果将较小容量的a p f 与较大容量的无源电力滤波器( p a s s i v ef i i t e r ， 简称p f ) 混合使用，谐波抑制主要由无源电力滤波器完成，而a p f 只起改善补偿 特性的作用，则会使装置成本降低。a p f 与无源电力滤波器混合使用，即构成了混 合型有源电力滤波器。 目前实用化的混合型a p f 有两种结构，如图2 5 所示。 ( a ) 并联混合型a p f( b ) 串联混合型a p f 图2 - 5 混合型有源电力滤波器示意图 f i g 2 5f r a m eo fh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e rs y s t e m 图2 5 ( a ) 为并联型a p f 与无源电力滤波器混合使用，称并联混合型a p f 。图 2 5 ( b ) 为串联型a p f 与无源电力滤波器混合使用，称为串联混合型a p f 。 一、并联混合型a p f 该电路结构如图2 5 ( a ) 所示。其中，a p f 起谐波补偿的作用，p f 可滤除大部分 谐波，因此所需a p f 的容量较小。但在使用时，电源与a p f 及a p f 与p f 之间存在谐波 圈 生 竺 通道，特别是a p f 与p f 之问的谐波通道，可能使a p f 注入的谐波电流又流入p f 及电 网中其它节点连接的滤波电容中。 二、串联混合型a p f 该电路结构如图2 5 ( b ) 所示。其中，a p f 对谐波呈现高阻抗，而对工频呈现低 阻抗。因此，a p f 相当于电源和负载之间的一个谐波隔离装置，电网的谐波电压不 会j j j l 蛩j 负载和p f 上，而负载的谐波电流也不会流入电网。理论上该方法具有良好 的谐波电流和谐波电压的抑制能力。 基于以上的分析结果，发现要同时补偿谐波和无功电流只能采用并联混合型 a p f 。而且在电气化铁道牵引变电所变压器副边侧已装设了消除固定奇次谐波的无 源电力滤波器( p f ) ，只需要加入并联型a p f 作为谐波和无功补偿的有效补充，同 时也降低整体滤波系统的制造成本。因此这种并联混合型a p f 无疑是首选的类型。 本文所提出的设计思路就是基于并联a p f 和无源电力滤波器的混合型滤波系统， p f 主要承担负载谐波电流的补偿任务，a p f 主要承担负载无功电流的补偿任务， 不再补偿谐波电流，这样就阻止了a p f 注入的谐波电流注入p f ，弥补了并联混合 型a p f 的原有缺点。”w 。 2 3单相混合型滤波系统的结构与原理分析 1 9 8 7 年t a k e d a m 等人提出用并联a p f 和并联p f 相结合的混合型有源电力滤 波器方案，如图2 5 ( a ) 所示。在这种电路中，p f 包括多组单调滤波器及高通滤波 器，对于单相h 桥相控整流电路，p f 典型的组成包括3 次、5 次、7 次及高通滤波器， a p f 的主电路由单相电压型桥式逆变器组成，考虑到电气化铁道牵引供电系统需要 补偿容量比较大，因此采用了两个逆变器模块并联的设计方式，用以降低单个逆 变器模块的补偿容量，如图2 6 所示。这样，绝大多数由负载产生的谐波己由无源 电力滤波器滤除，有源电力滤波器补偿负载产生的无功电流。将单相混合型滤波 系统安装在电气化铁道牵引变压器的副边侧用以补偿相控电力机车产生的谐波和 无功电流。 9 图2 6电铁用单相混合型滤波系统结构示意图 f i g 2 6f r a m eo fs i n g l e - p h a s eh y b r i df i l t e rs y s t e m 由于两个逆变器模块并联，同时采用相同的指令电流的算法、控制策略以及 主电路参数等。因此在下文的指令电流的算法和控制策略的研究中，为突出关键 技术问题，将两个逆变器模块看成单个模块进行研究。下面首先对单相混合型滤 波系统的补偿原理进行分析。 采用含有电压型逆变器a p f 的单相混合型滤波系统对负载谐波和无功电流进 行补偿时，p f 补偿谐波电流，而a p f 补偿无功电流，两者相互独立互不影响。 那么先假设滤除谐波电流，非线性负载为电流型谐波源，这时a p f 不作用， 相当于断路，系统的等效电路如图2 7 所示。 甜砌 i l h = i s hd - l o p h 卜 图2 7 单相混合魁滤波系统的偕波等效电路 f i g 2 7h a r m o n i ce q u i v a l e n tc i r c u i to fs i n g l e p h a s eh y b r i df i l t e rs y s t e m 其中，“曲为电网电压谐波分量；i 如为电网电流的谐波分量；也为负载电流的 谐波分量；z ，为电源阻抗；z m 为p f 对于谐波电流的等效阻抗。 由此可得： u 幽= i p h z 肋+ i s 。z ， ( 2 1 ) l o l 。p h = 乙一也 ( 2 2 ) 由式( 2 - 1 ) 和( 2 2 ) 可得： 2 上z p h + z ，+ 轰i p , i 1 2 蚝一瓦瓦t ( 2 - 3 ) 如果电源没有畸变，那么u 。= 0 ，p f 对于固定次谐波显示出低阻抗，可以近 似认为z p 。= 0 ，那么电源谐波电流i s h = 0 。这样就达到了补偿电源谐波电流的目 的。 再假设对于基波电流，负载z ，= r + j x l ，其中x ，譬0 ，p f 对基波的等效阻抗 为z ，。这时a p f 可以等效为一个受控电流源，产生的电流为i w 。由于系统阻抗 很小，在这罩我们认为z 。= 0 ，可以把负载z ，和p f 的等效阻抗z ，统一看作电源的 负载z ，此时系统的等效电路如图2 8 所示。 图2 - 8 单相混合型滤波系统的基波等效电路 f i g 2 8f u n d a m e n t a le q u i v a l e n tc i r c u i to fs i n g l e p h a s eh y b r i df i l t e rs y s t e m 其中， u s 为电源基波电压：l s p 为电网电流的有功分量；l s q 为电网电流的无功 分量；如为负载电流的有功分量；t 为负载电流的无功分量。 由此可得： t + i 彳脬一f ，= 0 ( 2 4 ) 即： 0 + 乞+ 阿2 易+ ( 2 5 ) 若使电源只产生有功电流，即t = 0 ，那么由式( 卜5 ) 可得： l 印2l t p 1 ： 一 ( 2 一八 h 阡= l 。l q 怕o 由式( 2 6 ) 发现，a p f 以电流源的方式进行补偿，产生一个与负载无功电流大 小相等、方向相反的无功电流注入电网，抵消负载所产生的无功电流，使得电源 只提供有功电流，电源电流与电源电压同相位，达到功率因数为l 的目的。 又因为 = 丽知 ( 2 - 7 ) 当牵引变电所的供电臂上空载时，即z ，= o o 。那么由式( 2 7 ) 可得 = “，z j p ( 2 8 ) 发现，此时a p f 仍能补偿p f 产生的无功电流。这样也就解决了当供电臂空载 时，p f 对电源的容性无功反馈的问题。 基于以上分析不难发现，我们提出的设计方案p f 主要承担对牵引供电系 统谐波电流的补偿，a p f 主要承担负荷动态无功功率的补偿，将两者结合起来可 以达到对现有电气化铁道牵引供电系统谐波和无功综合补偿的目的。 根据株洲所提出的要求：a p f 只承担补偿无功电流的任务，所以能否对负载 电流的无功分量进行准确的计算和提取，成为本系统成功与否的关键。但是现有 的a p f 指令电流的检测算法大部分是计算谐波电流或者谐波和无功电流的总和， 因此要对其进行一定的修f ，使其更有针对性，从而满足a p f 只对无功电流进行 补偿的要求。在下面的章节中，将对负载电流无功分量的检测方法和有源电力滤 波器的开关控制策略作详细的论述。 2 4本章小结 1 ) 主要介绍了a p f 的发展沿革、补偿原理和系统结构； 2 ) 分析和比较了两种混合型a p f 的结构和应用特点； 3 ) 提出了本文研究的单相混合型滤波系统的方案和结构原理，对其谐波和无 功补偿原理进行了详细分析。 3 有源电力滤波器指令电流的生成方法 有源电力滤波器的工作性h 匕匕- t e k l 大程度上取决于对负载电流中无功分量的实 时、准确地检测。无功电流检测电路的输出是控制电路的输入，从而决定了控制 电路的输出。而控制电路的输出又决定了有源电力滤波器的输出补偿电流，所以 有源电力滤波器补偿电流的大小、方向、相位及精度等，都很大程度上取决于无 功电流的检测环节。 3 1谐波及无功电流的检测方法 谐波及无功电流的常用检测方法有如下几种聃1 ：模拟带阻滤波法、基于快速傅 立叶变换的数字分析法、同步检测法、有功电流分离法、瞬时无功功率理论、自 适应检测法等。 ( 1 ) 模拟带阻滤波法 这是一种最简单的谐波电流检测方法，其基本原理是设计一个低阻滤波器， 将基波分量滤除，从而获得总的谐波分量。这种方法结构简单，造价不高，但精 度很低，不能满足谐波分析的需要，一般不单独使用。 ( 2 ) 基于快速傅立叶变换的数字分析法 该方法的基本思想是对非i f 弦连续的时间周期函数进行采样，经a d 转换后 再用计算机进行快速傅立叶变换，从而得到各次谐波的幅值和相位。此种方法由 于采样需要消耗一定的时间，因而具有较长的时间延迟，实时性较差。 ( 3 ) 同步检测法 该方法原理是对于单相工频供电系统理想的工作状况，应该是单相电源都输 出与电压同相位的对称的纯j 下弦基波电流。按此要求，可以构造称为“同步检测 方法”的参考电流生成方法。优点是简单、便于硬件实现，缺点是无法分别产生 正序无功、负序无功和谐波电流的补偿信号。 ( 4 ) 有功电流分离法 该方法的原理是对负载电流进行分解，检测出其中的基波有功分量。该分量 与电压同频率、同相位。负载电流与基波有功分量的差值即为所需的补偿电流指 令。 ( 5 ) 瞬时无功功率理论 8 0 年代同本学者h a k a g i 提出的基于瞬时无功功率理论的检测方法，是以电 网电压和电流在q 一6 坐标系下进行坐标变换为基础，建立瞬时有功功率p 和瞬 时无功功率q 的定义。它突破了以平均值为基础的传统无功功率定义，可以用于 谐波和无功电流的实时检测。由于基于瞬时无功功率理论的检测法有较好的实时 性，简单易行，性能良好，理论上已趋于成熟和完善，因此在检测谐波及无功电 流时是一种比较好的选择。 ( 6 ) 自适应检测法 自适应检测法是根据信号处理技术中的自适应干扰对消的原理发展而来的， 在原始输入端加入的信号与在参考输入端加入的信号相同的部分将被完全抵消， 因此在输出端将不存在与参考输入端信号相同的成分。此检测法将电压作为参考 输入，负载电流作为原始输入，从负载电流中消去与电压波形相同的有功分量， 从而得到需要补偿的谐波分量。该种方法能对电网电压畸变、频率偏移及电网参 数变化有较好的自适应能力，但其缺点是动态响应速度慢。 3 2基于有功电流分离法的单相无功电流检测方法 在此种方法中，采用与电网电压同频的单位余弦信号与负载电流直接相乘， 并经积分器后得到负载电流中的基波无功电流的直流分量，进而得到基波无功电 流的瞬时值。 以a 相为例，设电网相电压和含有谐波的负载相电流分别为 g 。= x 2 - es i n0 _ 9t ( 3 1 ) ) = 厄j fhs i n ( 甩c ot + 缈。) ( 3 2 ) i l ( f ) 可分解为 t ( f ) = 历ic o s ( 妒1 ) s i n ( c o t ) + 扬ls i n ( 伊1 ) c o s ( c o t ) + 2 - 1 加s i n ( n c o t + 矽。) = i lp ( t ) + i i 目( t ) + i ( t ) ( 3 3 ) 式( 3 3 ) 中t 。，( f ) 为基波有功分量，i 啪( t ) 为基波无功分量，i 。( t ) 为谐波分 量。 将式( 3 - 3 ) 两边同乘于c o s c ot ，此时应采用过零同步和锁相坏( p l l ) 产生与电 源电压同步的标准函数c o s 缈t 。再将该式从时n o n7 进行积分，此处功电源电压 的周期，可得： j 。t 吒( f ) c 。s ( c o f ) d 仁i o 、f 2 - i ，s i n ( c p ，) c o s 2 ( c o f ) d t + j 。x 2 i l ic o s ( 0 1 ) s i n ( w t ) c o s ( c o t ) d t ( 3 4 + i o 羔历一i n ( ，z 国f + 妒。) c 。s ( o t ) d t 1 4 根据三角函数的f 交性质，上式后两项等于零。于是 r f ( f ) c 。s ( 缈f ) 以= r 4 7 s 。s i n ( 缈。) c o s2 ( 彩f ) 以= ；五。s i n ( 缈。) ( 3 5 ) 将式( 3 - s ) 代入式( 3 6 ) ： f 1 。( f ) = 4 7 ls i n ( 缈1 ) c o s ( 彩f ) ( 3 6 ) 得到负载电流的基波无功分量为 。小) = 即“咖o s ( 州出 c o s ( 州 ( 3 _ 7 ) 负载电流的基波无功电流t 。( f ) 就是a p f 的要生成的指令电流e ( f ) ，即 知) = i l l q = “们o s ( 啪 c o s ( 州 ( 3 _ 8 ) 无功分量提取算法如图3 - 1 所示。实际此时的锁相环可以去掉，而通过控制电 路产生与电网电压频率的正余弦信号，相位可以任意。在实现时，让控制系统内部 自己产生的与电网电压同频的正余弦信号参与计算，这样实现起来更加简单。 图3 - 1单相有功l 乜流分离法原理图 f i g 3 1p r i n c i p l eo f t h es i n g l e - p h a s ep o w e rc u r r e n ts e p a r a t i o nd e t e c t i n gm e t h o d 3 3 基于瞬时无功功率理论的单相无功电流检测方法 瞬时无功功率理论在只检测无功电流时，可以完全无延时地得出检测结果。 检测谐波电流时，延时与被检测对象电流中谐波的构成和采用的低通滤波器性能 设三相电路中，相电压的瞬时值分别为乞，巳，相电流的瞬时值为之，毛， 之，将它们变换到二相静止仪一p 坐标系中 三： = 手 三、- 压1 ，2 2 一- 、压1 ，2 2 l 三；j 。3 9 a ， ；： = 手 三、- 压1 ，2 2 一- 、压1 ，2 2 芝 c3 9 b ， 定义三相电路的瞬时有功功率p 和瞬时无功功率q 分别为： p = e a i a + e8 lb q = e 岱1 8 一e p t 口 写为矩阵形式： p = r 气 g jl 一够 如果三相电压、电流为对称f 弦时，可以证明p 、 功功率p 相等。证明如下： ( 3 - 1 0 a ) ( 3 - 1