基于单相电铁有源滤波器的仿真研究|有源滤波器仿真
时间：2019-04-21 03:18:14 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
摘 要：随着我国现代化进程的迅速发展，电气化铁路所带的牵引负荷也越来越大，因此在电气化铁路的牵引供电系统中，基于电力电子技术的有源动态补偿也被越来越多的使用到。为了消除无功和谐波电流对供电系统侧的负面影响，使电力系统侧三相平衡，同时考虑到电气化铁路的单相供电方式，文章提出了针对此供电系统的单相有源滤波器的系统结构以及控制策略。
关键词：电气化铁道；无功和谐波补偿；单相有源电力滤波器；指令电流；PWM控制
中图分类号：TN713.8 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2012）11-0087-02
为了适应电气化铁路的发展需要，我国使用了大量的交直型电力机车以增加电力牵引负荷，但是随之而来的是此类牵引负荷所导致的谐波，无功含量大的问题日益明显。我国电气化铁路的牵引负荷属于单相大功率整流负荷，此类负荷电流随机性和不对称性很严重，会对电力系统产生较大干扰，因此如何处理好电力牵引负荷的谐波以及无功是目前亟待研究发展的一个课题。我国目前采取的措施是为牵引变电所安装三次，五次调谐滤波器，但是这个方法其效果并不理想。理想的方法采用有源滤波器将进行谐波处理，安装补偿装置以补偿牵引供电系统中存在的谐波以及无功电流。本文基于有源动态补偿技术，设计了适用于电气化铁路牵引供电系统的有源补偿装置，并且提出单相有源滤波器的系统结构及其控制策略，并进行仿真实验。
1 单相电铁有源滤波器主电路的建立
图1是铁路供电系统的原理简化图，其中1是该区域的变电站或者发电站；2是三相交流高压输电线。1与2共同组成了以发电，变电以及输电为功能的一次供电系统。3是牵引变电所，其作用是将由一次供电系统传输来的三相交流高压电降压到适合电力机车所需的等级；4是馈电线，将由牵引变电所降压后的电传送至接触网；5是接触网部分，负责将电送至机车；6是轨道以及大地，共同构成牵引电流的回流通路；7是回流线，将轨道和大地中的牵引回流导入牵引变电所的主变压器；8是电力机车部分。其中，4~7部分为接触网部分，牵引变电所与接触网共同构成了牵引供电系统。
①电源。YnD11牵引变压器的原边侧是电压等级为110 kV的大容量三相电力系统，其副边侧则可以看做是一个电压等级为27.5 kV的大容量单相电压源。
②接触网。根据铁路部门提供的资料，再根据牵引臂的长度即可得到整个牵引网的阻抗。本文在讨论中采取了理想化状态，不把接触网的阻抗计算考虑在内。
③机车负载。电力机车在电气化铁路供电系统中是负载的同时也属于谐波源，通常采用软电气性的直流串励电动机作为牵引电机，其主电路属于不对称，不等分的四段半控桥式整流电路，由大功率晶闸管以及二极管组成，依靠晶闸管之间的顺序控制达到分四段等分的目的，本文为了便于比较分析，对此模型进行了理想化处理，电力机车的基波，三次，五次，七次谐波由可控电流源产生。通过对某牵引变电所的实时测试得到的数据，得到在变电所牵引端相的功率因数是0.7732，p相的功率因数是0.7304，该变电所与其他三个牵引变电所的公共节点在某变电站的110 kV母线，其最大最小运行方式下，三相短路容量分别是1131 MVA，614 MVA。
2 APF控制电路的建立
检测控制电路由MATLAB提供的乘法运算，低通滤波，正余弦发生，无功提取，谐波提取，可控脉冲产生等模块组成，可分为负载谐波以及无功电流运算电路部分，以及APF控制策略实现电路部分。MATLAB在SimPowerSystems工具箱的Extras库中Control Blocks子库下的PWM Generator（PWM发生器），是PWM技术逆变器的控制核心部分。
3 APF主电路的建立
为了对电网侧达到有源滤波APF与无功补偿SVG的目的，需要对电网电流注入其所需的功率因数角的正弦电流，而并联型有源电力滤波器可以实现这个要求，它可以看做是等效可控电源，能产生所需的与被补偿量大小相当相位相反的补偿电流。实际上，当基于PWM整流器拓扑结构的有源环节只向电网注入无功电流而不补偿谐波电流时，该有源环节可以等效为静止无功补偿器（SVG）。
4 未加入有源滤波器的系统仿真
在没有加入有源滤波装置以前，对电力系统进行仿真，此时机车负载含有三次，五次，七次谐波，a,b相电压大小相等，c相接地，起到在实际系统中钢轨的作用，机车负载的谐波含量达到了约27.9%，其中三、五、七、九、十一次谐波含量递减。
5 加入有源滤波器后的系统仿真
不考虑电源电压畸变，提取出机车电流，通过单相电路瞬时无功电流实时监测，计算出指令电流大小，此方法在本文第四章有所介绍，图2所示为带有源滤波装置的牵引供电系统模型。
此时三相电源侧的电压电流波形如图3所示，机车电流如图4所示，表1为谐波含量，可以看出来，此时电力系统的电能质量提高很多，谐波含量只剩下1.34%，同时功率因数也提高了很多。
需补偿的谐波和无功电流如图5所示；无功和谐波电流输入—输出反馈比较后的电流信号如图6所示；PWM控制信号如图7所示。
从上面对于加入有源滤波器之后的牵引供电系统进行的仿真分析可以看出，本文所提出的此系统结构以及控制方法是具有实际效果的，能起到平衡三相电力系统，消除无功和谐波电流的作用。同时，主电路的参数设计，也是科学合理的。
6 结 语
本文研究了如何建立电气化铁路单相牵引供电系统中的有源滤波器的主电路，检测控制电路，以及PWM驱动电路，搭建了各个子系统模块，形成完整的有源滤波器模型。同时对比分析了加入有源滤波器前后的谐波情况，验证了本文所提出的加入单相有源滤波器的系统结构和控制策略是合理的。
参考文献：
[1] 徐祥征.电气化铁道谐波抑制[J].电子设计,2007,(2).
[2] 吕晓琴,章春军,张秀峰.电气化铁道负序、谐波及无功电流实时检测[J].电力自动化设备,2008,(12).
[3] 谭秀炳.交流电气化铁道牵引供电系统[M].成都:西南交通大学出版社,2007.
[4] 孟军,杨乃琪,张瑾.基于MATLAB/Simulink的电力系统仿真[M].峨眉:西南交通大学出版社,2008.
[5] 周渊深.电力电子技术与MATLAB仿真[M].北京:中国电力出版社,2005.
