電氣化鐵道牽引供電系統混合有源電力濾波器的仿真研究

閆小雷 河鋼集團宣鋼公司運輸部

電氣化鐵道牽引供電系統混合有源電力濾波器的仿真研究

閆小雷 河鋼集團宣鋼公司運輸部

為了抑制電氣化鐵道產生的諧波污染，本文采用了一種新型混合有源電力濾波器的拓撲結構，并分析了這種新型拓撲結構的工作原理及濾波特性。通過MATLAB仿真，驗證了新型混合有源電力濾波器的濾波特性。仿真結果表明這種新型混合有源電力濾波器具有優良的濾波性能。

電氣化鐵道；混合有源電力濾波器；MATLAB仿真

1 引言

如何降低混合有源濾波器中有源部分的容量, 使之應用于大功率場合, 一直是混合型濾波器研究的重要內容。傳統的電壓源型并聯混合電力濾波器在大大改善了無源濾波器濾波效果的同時存在著有源部分功率容量較大的缺點。有鑒于此,本文介紹了一種可大大減小有源部分容量的新型混合有源電力濾波器拓撲結構，并利用MATLAB7.0對這種混合有源電力濾波器進行了仿真研究。

2 電氣化鐵道供電系統結構圖

圖1 電氣化鐵道牽引供電系統原理圖

電氣化鐵道牽引供電系統原理圖如圖1所示。電力系統經過牽引變電所后為牽引網供電，電力機車通過牽引網獲流，經鋼軌回流。a、b為供電臂，為了連續供電，設立了分區亭。電氣化鐵道產生的諧波將影響到為其供電的電力系統的電能質量。

3 新型混合有源電力濾波器的基本原理[3]

新型混合有源電力濾波器拓撲結構如圖2所示。圖中us表示電氣化鐵道供電系統的電壓，Zs表示牽引阻抗。L3、C3、 L5、C5、L7、C7、Lh、Ch、Rh分別構成3 次、5次、7次單調諧濾波器和高通濾波器；L1、C1構成基波諧振支路，起到分流基波無功電流的作用，有源電力濾波器APF的輸出電流經濾波電感L0后，通過耦合變壓器與基波諧振支路并聯后再與無源電力濾波器串聯，然后并入牽引網。APF等效為受控電流源，以改善無源濾波器的濾波性能并抑制其與牽引網發生諧振。由于有源濾波器僅承受較小的諧波電壓和諧波電流，故其容量大大降低。

圖2 新型混合有源電力濾波器拓撲結構圖

4 控制策略及其濾波特性分析

本系統中通過檢測負載電流中的諧波成分，將有源電力濾波器APF控制成受控電流源iAPF，單相等效電路如圖3所示。

按照疊加原理將圖3進一步分解為牽引網基波電壓和負載基波電流作用下的等效電路（如圖4－a）、系統諧波電壓作用下的等效電路（如圖4－b）、負載諧波電流作用下的等效電路（如圖4－c）。

圖3 單相等效電路圖

圖4 －a 基波等效電路圖

圖4 －b 系統諧波電壓作用下的等效電路圖

由于有源濾波器僅輸出諧波電流, 在電網基波電壓和負載基波電流作用下, 相當于開路; 由于基波諧振支路在基波下處于諧振狀態, 其電壓等于零,相當于短路,這樣, 在基波作用下就可以等效為圖4－a所示的形式。從電路中可以看出, 在基波下, 濾波器相當于無功補償器, 起到補償固定無功的作用。本文采用檢測負載諧波電流的控制策略即有源電力濾波器的參考電流為

圖4 －c 負載諧波電流作用下的等效電路

在系統諧波電壓單獨作用下

根據圖4－b，可得

由式（3）可知，有源電力濾波器和基波諧振支路的加入相當于在系統中加入了一個阻抗Z1，從而起到抑制系統諧波電壓產生諧波電流的作用，同時也避免了無源濾波器與電網產生諧振。

負載諧波電流單獨作用的等效電路圖如圖4－c所示。由圖3－c可得

5 APF直流側電壓控制

為了獲得良好的補償效果需要有效的保證APF直流側電壓的穩定。在仿真中采用了單相整流電路，將檢測出的負載諧波電流iLh作為整流電路的輸入，整流電路接負載電阻，將負載電路的輸出電壓作為APF直流側的電壓ud，ud經過PWM逆變器以后得到補償電流ic。

這樣雖然增加了初期硬件投入，但是這樣卻可以獲得穩定的直流側電壓，而且不用計算直流側電壓的具體值，只需估算電壓等級，以此作為器件選型的理論依據，且整流電路技術較為成熟在工程上具有實用推廣價值。

6 仿真驗證

本文采用MATLAB7.0進行了仿真驗證。其中牽引網電壓us＝25KV，牽引網抗Zs＝30 Ω,阻感負載R＝5 Ω，L＝50mH。

諧波檢測得到的諧波電流，APF的輸出電流（即補償電流）應實時跟蹤諧波檢測得到的諧波電流。為了消除APF的輸出電流中的毛刺，需要利用濾波電感。

APF的輸出電流（補償電流）緊緊的跟蹤上了負載電流的諧波分量。加入濾波電感后APF的輸出電流的毛刺現象得到了很大的改善。

7 結束語

本文介紹的新型混合有源電力濾波器通過MATLAB7.0進行了仿真驗證，達到了期望的補償目標。新的拓撲結構具有以下優點：

(1) 控制結果表明裝設并聯混合型APF相當于在網側等效串入一個諧波阻抗,阻抗越大,濾波效果越好；且屬于開環控制,不存在系統不穩定的情況。

(2) 理論分析和實驗結果表明,這種結構充分發揮了無源濾波器和有源濾波器各自的優點 ,改善了無源濾波器的性能。

[1] 李群湛 著.牽引變電所供電分析及綜合補償技術[M]. 中國鐵道出版社 .2006.10

[2] 趙俊莉,楊君, 裴云慶, 王兆安 . 電氣化鐵道用有源電力濾波器方案研究.機車電傳動 .2000年第5期：10～14

[3]涂春鳴 .新型諧振阻抗型混合型電力濾波器的研究[D]. 中南大學博士論文.2003年

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.14.052