補償電鐵諧波及無功電流的有源濾波器的研究

　0 引 言

　　電鐵牽引負荷對電力系統的影響主要反映在功率因數、負序及高次諧波電流等方面。負序電流的問題已經基本解決，而諧波和無功補償仍然是限制電鐵發展的兩大難題。

　　有源濾波器可用來對系統的諧波電流、無功電流進行綜合補償。本文根據電氣化鐵道的發展水平研究了用于補償諧波及無功電流的有源濾波器。由有源濾波器的工作原理可知其由兩大部分組成：諧波及無功電流檢測電路及補償電流發生電路。前者的作用是檢測出負載電流中的諧波及無功電流分量；后者的作用是根據檢測出來的電流分量產生相應的補償電流。

　　1 基于鑒相原理的各電流分量檢測方法

　　具有諧波及無功電流補償作用的有源濾波器，其諧波及無功電流檢測采用基于鑒相原理的檢測方法，其原理如下：

　　設單相電網瞬時電壓us為：

　　而電網瞬時非正弦電流is可以分解為：

　　其中：ip(t)為瞬時基波有功電流；iq(t)為瞬時基波無功電流；ih(t)為瞬時諧波電流。

　　將式(2)兩端乘以sinωt得：

　　式(3)實際上是由直流分量和交流分量組成，當采用低通濾波器并選取恰當的截止頻率，并將增益擴大一倍即得到基波有功電流的直流量Ipm，將之與sinωt相乘，就能得到瞬時基波有功電流ip(t)=Ipmsinωt。同理，將式(2)兩端同乘以cosωt就能得到直流量Iqm的一半，再將之擴大一倍與cosωt相乘得到瞬時基波無功電流：iq(t)=Iqmcosωt。

　　從而得到瞬時諧波電流ih(t)為：

　　式中：if(t)為瞬時基波電流。

　　2 改進的三角波調制控制方法

　　隨著電力電子技術的發展，對電力電子系統控制技術的研究引起了人們的重視。PWM變流器和有源濾波器控制技術，都可歸結為如何高效組織PWM脈沖，使變流器輸出電壓或電流跟蹤特定的波形。通過比較幾種常用的電流跟蹤型PWM控制方法，發現三角波調制法比較適合電鐵單相有源濾波器中變流器補償電流的控制，并且由仿真結果可發現，當單相有源濾波器采用傳統的三角波調制電流控制方法時，跟蹤補償量的響應速度較慢，所以本文采用改進的三角波調制電流控制法。

　　圖1所示的主電路圖中，它將變流器每相橋臂等效為一個理想的單刀雙擲開關，由電路知識得：

　　式中：us為電源電壓；u為變流器的輸出電壓；dic／dt為濾波電感L上的電流變化率。

　　那么，每一橋臂輸出的電壓分別為：

　　式中：ka，kb為待定的開關系數；Udc為直流側電容電壓值。

　　變流器正常工作時，開關A，B共有四種邏輯組合，若設開關與上橋臂接通時狀態為“1”，與下橋臂接通時狀態為“0”，那么對應于變流器主電路就有四種工作狀態，這四種工作狀態對應確定的開關系數。由式(5)可以看出，有源濾波器的補償電流是由變流器輸出電壓kUdc與交流側電源電壓us共同作用在濾波電感L上產生的，對于該電流有(以開關工作模式為[1 0]為例)：

　　式中：ic*為變流器的指令電流；uc*為與ic*相應的變流器上的指令電壓，由式(7)可得：

　　由此可見，uc*與電源電壓us有關，它們之間存在線性的比例關系，所以引入一個與電源電壓成正比的參數K2，那么uc作為變流器的輸出指令電壓，其控制關系如下：

　　其中：K1，K2為比例系數，均可通過PI控制器來實現；ic為變流器的補償電流。

　　改進的三角波調制電流控制方法與傳統的三角波調制電流控制方法相比，通過在輸出指令電壓中增加一個與電源電壓成正比的量，消除了電源電壓的干擾，可減小電流誤差的波動范圍。

　　3 仿真結果分析

　　交直型電力機車是電鐵供電系統的負載和諧波源，其主電路采用大功率晶閘管與二極管組成的不對稱不等分4段半控橋式整流電路。本文對電力機車的整流系統進行了簡化，采用單相可控整流橋代替多段半控橋，其仿真波形如圖2所示。

　　為了驗證濾波效果，用Matlab軟件搭建了有源濾波器的仿真模型，仿真波形如圖3所示。

　　從圖3可以看出，采用補償諧波及無功電流的有源濾波器，它可以同時補償負載中的諧波及無功電流，使得電源電流中只含有負載電流的基波有功成分。

　　4 結語

　　本文用Matlab／Simulink中的電力系統模塊對電鐵供電系統的有源濾波器進行了仿真研究，結果表明單相有源濾波器用于電鐵供電系統具有良好的諧波及無功電流的抑制效果。