城市軌道交通電力系統(tǒng)諧波抑制技術(shù)研究

米秋實，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償電流，達到消除諧波[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，它能對電網(wǎng)中的各次諧波進行動態(tài)跟蹤補償[5]，避免了諧振的發(fā)生，其補償方法受電網(wǎng)阻抗和頻率變化的影響較小，易實現(xiàn)控制。從20 世紀80 年代第一臺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]也得到了長足的發(fā)展，現(xiàn)階段投入運營的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，國內(nèi)已有50 多個城市的軌道交通項目處于在建、籌建或規(guī)劃中。城市軌道交通系統(tǒng)的安全運行對供電系統(tǒng)提出了較高的要求。目前已投入運營的城軌供電系統(tǒng)中的整流器，在實際直流供電系統(tǒng)中起著不可替代的作用，但同時其非線性負載[9]給整個系統(tǒng)注入的諧波亦不可忽視。本文針對現(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，探討了濾波的方法，并通過仿真[10]分析，驗證了濾波效果。

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 脈波整流機組并列運行，構(gòu)成等效24 脈波。整流機組產(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。在仿真模擬實驗系統(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 脈波整流機組的仿真實驗?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。對實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，即指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路。其中，指令電流運算電路的核心是檢測出被補償對象電流中的諧波和無功等電流分量；補償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)指令電流運算電路得出補償電流的指令信號，產(chǎn)生實際的補償電流。如圖3 所示。主電路用來產(chǎn)生補償電流，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出補償對象電流iL的諧波分量iLH，將其反極性后作為補償電流指令信號，由補償電流發(fā)生電路產(chǎn)生的補償電流iL即與負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，這樣就達到了抑制電源電流中諧波的目的。

3 控制策略與實驗結(jié)果

建模過程中，由濾波電感式（9）來模擬實際濾波電感的值：

式中，Ud為直流側(cè)控制電壓的峰值，實際情況下取Ud= 150 V；K 為波形系數(shù)，一般取0.3～0.4，在實驗中，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)實際情況取4.5×104Hz。

將參數(shù)代入式（9）計算，得L = 1.22×10-2(H)，因此實驗中近似地取L = 0.01 (H)模擬實際情況。

3.1 檢測電路

實驗中采用ip-iq法來檢測電網(wǎng)中的諧波，ip-iq檢測法是由p - q 檢測法派生出來的一種基于瞬時無功功率理論的諧波、無功和負序電流檢測方法。

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)由檢測系統(tǒng)得到補償電流指令信號，得出主電路開關(guān)器件通斷的PWM 信號，保證補償電流跟蹤其指令電流信號的變化。為了取得理想補償特性，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。實驗中選取的是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，它疊加到瞬時有功電流分量iq上，經(jīng)運算在指令信號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)間如何進行能量交換。

（2）有源電力濾波器電流跟蹤控制技術(shù)。實驗中采用滯環(huán)比較（瞬時值比較）的方式實現(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 相為例進行分析，當Δica＞0 時，Ka＞0 應(yīng)該使Ka＞0，而Δica＜0 時，應(yīng)該使Ka＜0，從而使得減小，達到補償電流ica跟隨指令信號電流變化的目的。因為Δica+ Δicb+Δicc=0，所以絕對值Δica，Δicb，Δicc最大的一個總是與其他2 個方向相反。前者所對應(yīng)的開關(guān)系數(shù)不是就是相應(yīng)的后者所對應(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。

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?？梢钥闯?，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，補償進入電網(wǎng)的補償電流 *

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，說明在該實驗中所構(gòu)造的有源濾波器是有效果的。

圖9 檢測的諧波與補償進入電網(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 脈波整流機組入手，研究了其作為諧波源對電力系統(tǒng)造成的影響。從而得出如下結(jié)論：

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

（2）針對諧波的特點，仿真實驗采用了ip-iq法，結(jié)果說明了該方法能實時、準確地檢測負載穩(wěn)定時的諧波電流。

（3）實驗中，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)，進行了仿真實驗，得到了有效的結(jié)果。

通過實驗，認識到有源濾波技術(shù)有以下特點：

（1）實現(xiàn)了動態(tài)補償，可對頻率大小都變化的諧波進行補償，對補償對象的變化反應(yīng)極快。

（2）可同時對諧波和無功功率進行補償。

（3）補償諧波時所需的儲能元件容量不大。

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

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