城市軌道交通電力系統(tǒng)諧波抑制技術(shù)研究

米秋實(shí)，高曉蓉，黃小紅，朱宏娜

0 引言

隨著電子器件、電力系統(tǒng)的日益發(fā)展，電能的質(zhì)量問題[1]越來越成為世界各國(guó)所關(guān)注的問題。為了解決該問題，人們提出了有源濾波器[3]的概念，其基本原理是通過向電網(wǎng)注入與原有諧波等大反相的補(bǔ)償電流，達(dá)到消除諧波[4]的目的。與無源濾波器相比，有源濾波的方法具有一定的優(yōu)越性，它能對(duì)電網(wǎng)中的各次諧波進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償[5]，避免了諧振的發(fā)生，其補(bǔ)償方法受電網(wǎng)阻抗和頻率變化的影響較小，易實(shí)現(xiàn)控制。從20 世紀(jì)80 年代第一臺(tái)APF 正式投入使用以來，經(jīng)過多年的發(fā)展，有源濾波技術(shù)[6]也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，現(xiàn)階段投入運(yùn)營(yíng)的APF 功率范圍越來越寬，從50 kV·A 到60 MV·A，控制電路越來越豐富，現(xiàn)階段電壓波動(dòng)抑制、電壓平衡[7]、三相電力系統(tǒng)終端調(diào)節(jié)[8]等問題已得到解決。截止2012 年底，國(guó)內(nèi)已有50 多個(gè)城市的軌道交通項(xiàng)目處于在建、籌建或規(guī)劃中。城市軌道交通系統(tǒng)的安全運(yùn)行對(duì)供電系統(tǒng)提出了較高的要求。目前已投入運(yùn)營(yíng)的城軌供電系統(tǒng)中的整流器，在實(shí)際直流供電系統(tǒng)中起著不可替代的作用，但同時(shí)其非線性負(fù)載[9]給整個(gè)系統(tǒng)注入的諧波亦不可忽視。本文針對(duì)現(xiàn)階段城市軌道交通供電系統(tǒng)中廣泛使用的12 脈波并聯(lián)式整流器，分析了其諧波的特點(diǎn)，探討了濾波的方法，并通過仿真[10]分析，驗(yàn)證了濾波效果。

1 諧波源分析

目前，城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)廣泛采用2套12 脈波整流機(jī)組并列運(yùn)行，構(gòu)成等效24 脈波。整流機(jī)組產(chǎn)生的諧波電流次數(shù)與輸出的脈數(shù)有關(guān)，理想情況下，反映到牽引整流機(jī)組高壓側(cè)的諧波電流次數(shù)為K×P±1（P 為脈波數(shù)，K 為正整數(shù)）。

下面分析該系統(tǒng)一次側(cè)的諧波成分。在仿真模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，設(shè)定變壓器為三相變壓器，二次側(cè)一為星形連接，一為三角形連接，由變壓器的原理得出變壓器二次側(cè)的相位差為30°，這樣便可模擬12 脈波整流機(jī)組的仿真實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停▓D1）。

分析中忽略了交流側(cè)電抗引起的換相過程影響，及直流側(cè)電感量不足引起的直流電流脈動(dòng)影響，即假定交流側(cè)電抗為零，而直流側(cè)電感無窮大。

圖1 諧波源的模擬電路（繞組連接方式為Y/ Δ-Y）圖

下面，對(duì)直流側(cè)產(chǎn)生的非特征次諧波做分析。橋1 的閥側(cè)線電流為

橋2 的閥側(cè)線電流也比橋1 的閥側(cè)線電流超前了30°，則有：

從式（2）可得其感應(yīng)的網(wǎng)側(cè)線電流為

所以合成的網(wǎng)側(cè)線電流為

由此可見，2 個(gè)整流橋產(chǎn)生的5 次、7 次、17次、19 次等高次諧波相互抵消了，注入電網(wǎng)的只有12k±1 次的諧波。對(duì)實(shí)際的模型作仿真分析，仿真結(jié)果如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)諧波成分分析圖

從圖2 可以看出，系統(tǒng)除了基波之外，其他次諧波是特征次的諧波，如11 次、13 次、23 次、25次等，這驗(yàn)證了從理論分析得到的系統(tǒng)的諧波成分是12k±1 次，即整流機(jī)組注入系統(tǒng)的諧波成分。

2 濾波原理

有源電力濾波器系統(tǒng)由2 部分組成，即指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路。其中，指令電流運(yùn)算電路的核心是檢測(cè)出被補(bǔ)償對(duì)象電流中的諧波和無功等電流分量；補(bǔ)償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)指令電流運(yùn)算電路得出補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ)償電流。如圖3 所示。主電路用來產(chǎn)生補(bǔ)償電流，目前大多采用PWM 變流器。

圖3 有源電力濾波器的原理框圖

圖3 中，

因此，其工作原理為有源電力濾波器檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象電流iL的諧波分量iLH，將其反極性后作為補(bǔ)償電流指令信號(hào)，由補(bǔ)償電流發(fā)生電路產(chǎn)生的補(bǔ)償電流iL即與負(fù)載電流中的諧波分量iLH等大反向，因而兩者互相抵消，使得電源電流iS中只含基波，不含諧波，這樣就達(dá)到了抑制電源電流中諧波的目的。

3 控制策略與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

建模過程中，由濾波電感式（9）來模擬實(shí)際濾波電感的值：

式中，Ud為直流側(cè)控制電壓的峰值，實(shí)際情況下取Ud= 150 V；K 為波形系數(shù)，一般取0.3～0.4，在實(shí)驗(yàn)中，將系數(shù)取成0.34；Imax為諧波電流有效值的最大值，取在實(shí)際中得到的數(shù)據(jù)0.26 A；fpwm為PWM 控制電路的開關(guān)頻率，根據(jù)實(shí)際情況取4.5×104Hz。

將參數(shù)代入式（9）計(jì)算，得L = 1.22×10-2(H)，因此實(shí)驗(yàn)中近似地取L = 0.01 (H)模擬實(shí)際情況。

3.1 檢測(cè)電路

實(shí)驗(yàn)中采用ip-iq法來檢測(cè)電網(wǎng)中的諧波，ip-iq檢測(cè)法是由p - q 檢測(cè)法派生出來的一種基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波、無功和負(fù)序電流檢測(cè)方法。

3.2 控制部分

并聯(lián)有源電力濾波器電流控制電路主要作用是根據(jù)由檢測(cè)系統(tǒng)得到補(bǔ)償電流指令信號(hào)，得出主電路開關(guān)器件通斷的PWM 信號(hào)，保證補(bǔ)償電流跟蹤其指令電流信號(hào)的變化。為了取得理想補(bǔ)償特性，APF 電流控制方法的選擇十分重要。

（1）并聯(lián)有源電力濾波器直流側(cè)電壓控制。實(shí)驗(yàn)中選取的是PI 調(diào)節(jié)控制使直流側(cè)電容直接從電力有源濾波器交流側(cè)獲取能量，并維持其電壓為適當(dāng)值。如圖4 所示。uce是uc的給定值。

圖4 PI 調(diào)節(jié)控制圖

ucr是uc的反饋值，兩者之差經(jīng)PI 調(diào)節(jié)后得到Δip，它疊加到瞬時(shí)有功電流分量iq上，經(jīng)運(yùn)算在指令信號(hào)中包含一定的基波有功電流，使電力有源濾波器直流側(cè)與交流側(cè)交換能量，從而將uc調(diào)至給定值。調(diào)節(jié)過程的關(guān)鍵在于有源電力濾波器和交流側(cè)間如何進(jìn)行能量交換。

（2）有源電力濾波器電流跟蹤控制技術(shù)。實(shí)驗(yàn)中采用滯環(huán)比較（瞬時(shí)值比較）的方式實(shí)現(xiàn)電流的跟蹤控制。如圖5 所示為一相的控制原理圖。

圖5 滯環(huán)比較器原理圖

3.3 逆變部分

圖6 是有源濾波器逆變電路原理圖，其主電路開關(guān)器件的通斷是由采樣時(shí)刻Δic和的極性決定，可以從表1 看出。

圖6 有源濾波器逆變電路原理圖

以a 相為例進(jìn)行分析，當(dāng)Δica＞0 時(shí)，Ka＞0 應(yīng)該使Ka＞0，而Δica＜0 時(shí)，應(yīng)該使Ka＜0，從而使得減小，達(dá)到補(bǔ)償電流ica跟隨指令信號(hào)電流變化的目的。因?yàn)棣ca+ Δicb+Δicc=0，所以絕對(duì)值Δica，Δicb，Δicc最大的一個(gè)總是與其他2 個(gè)方向相反。前者所對(duì)應(yīng)的開關(guān)系數(shù)不是就是相應(yīng)的后者所對(duì)應(yīng)的系數(shù)不是就是這樣各相之間偏差不平衡始終呈現(xiàn)出減弱的趨勢(shì)。

表1 主電路工作模式與開關(guān)系數(shù)一覽表

3.4 濾波效果

圖7 是未濾波之前的電網(wǎng)波形。可以看出，在未濾波之前，電網(wǎng)電流波形有明顯的畸變，呈平頂波。諧波的畸變率有12.36%（圖8）。

圖7 未濾波之前電網(wǎng)波形圖

圖8 未濾波之前諧波含量示意圖

濾波之后，補(bǔ)償進(jìn)入電網(wǎng)的補(bǔ)償電流 *

從畸變率上看，11 次諧波的THD 從濾波之前6.36%到濾波之后的0.10%，其余各次諧波的含量也都相應(yīng)減小，說明在該實(shí)驗(yàn)中所構(gòu)造的有源濾波器是有效果的。

圖9 檢測(cè)的諧波與補(bǔ)償進(jìn)入電網(wǎng)的電流比較圖

圖10 濾波后電網(wǎng)波形圖

4 結(jié)論

由于各種電力電子元件的發(fā)展與普及，其作為非線性負(fù)載所引起的電能質(zhì)量問題越來越受到大家的關(guān)注。諧波及其抑制技術(shù)的研究也正成為目前電力系統(tǒng)發(fā)展的重要課題之一。本文從城市軌道交通中所應(yīng)用到的12 脈波整流機(jī)組入手，研究了其作為諧波源對(duì)電力系統(tǒng)造成的影響。從而得出如下結(jié)論：

（1）整流機(jī)組作為非線性負(fù)載是城市軌道交通供電系統(tǒng)的主要次諧波。

（2）針對(duì)諧波的特點(diǎn)，仿真實(shí)驗(yàn)采用了ip-iq法，結(jié)果說明了該方法能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)負(fù)載穩(wěn)定時(shí)的諧波電流。

（3）實(shí)驗(yàn)中，采用了滯環(huán)比較的方法，將并聯(lián)有源濾波器應(yīng)用于系統(tǒng)，進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，得到了有效的結(jié)果。

通過實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)到有源濾波技術(shù)有以下特點(diǎn)：

（1）實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可對(duì)頻率大小都變化的諧波進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)補(bǔ)償對(duì)象的變化反應(yīng)極快。

（2）可同時(shí)對(duì)諧波和無功功率進(jìn)行補(bǔ)償。

（3）補(bǔ)償諧波時(shí)所需的儲(chǔ)能元件容量不大。

（4）即使補(bǔ)償對(duì)象電流過大，有源電力濾波器也不會(huì)發(fā)生過載，并能正常工作。

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