補(bǔ)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(fù)荷對(duì)電力系統(tǒng)的影響主要反映在功率因數(shù)、負(fù)序及高次諧波電流等方面。負(fù)序電流的問題已經(jīng)基本解決，而諧波和無功補(bǔ)償仍然是限制電鐵發(fā)展的兩大難題。
    有源濾波器可用來對(duì)系統(tǒng)的諧波電流、無功電流進(jìn)行綜合補(bǔ)償。本文根據(jù)電氣化鐵道的發(fā)展水平研究了用于補(bǔ)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(cè)電路及補(bǔ)償電流發(fā)生電路。前者的作用是檢測(cè)出負(fù)載電流中的諧波及無功電流分量；后者的作用是根據(jù)檢測(cè)出來的電流分量產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償電流。

1 基于鑒相原理的各電流分量檢測(cè)方法
    具有諧波及無功電流補(bǔ)償作用的有源濾波器，其諧波及無功電流檢測(cè)采用基于鑒相原理的檢測(cè)方法，其原理如下：
    設(shè)單相電網(wǎng)瞬時(shí)電壓us為：

   
    而電網(wǎng)瞬時(shí)非正弦電流is可以分解為：
   

其中：ip(t)為瞬時(shí)基波有功電流；iq(t)為瞬時(shí)基波無功電流；ih(t)為瞬時(shí)諧波電流。
    將式(2)兩端乘以sinωt得：

    式(3)實(shí)際上是由直流分量和交流分量組成，當(dāng)采用低通濾波器并選取恰當(dāng)?shù)慕刂诡l率，并將增益擴(kuò)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(shí)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?dāng)U大一倍與cosωt相乘得到瞬時(shí)基波無功電流：iq(t)=Iqmcosωt。
    從而得到瞬時(shí)諧波電流ih(t)為：

   
    式中：if(t)為瞬時(shí)基波電流。

2 改進(jìn)的三角波調(diào)制控制方法
    隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)電力電子系統(tǒng)控制技術(shù)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(shù)，都可歸結(jié)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(fā)現(xiàn)三角波調(diào)制法比較適合電鐵單相有源濾波器中變流器補(bǔ)償電流的控制，并且由仿真結(jié)果可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)單相有源濾波器采用傳統(tǒng)的三角波調(diào)制電流控制方法時(shí)，跟蹤補(bǔ)償量的響應(yīng)速度較慢，所以本文采用改進(jìn)的三角波調(diào)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(gè)理想的單刀雙擲開關(guān)，由電路知識(shí)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(guān)系數(shù)；Udc為直流側(cè)電容電壓值。
    變流器正常工作時(shí)，開關(guān)A，B共有四種邏輯組合，若設(shè)開關(guān)與上橋臂接通時(shí)狀態(tài)為“1”，與下橋臂接通時(shí)狀態(tài)為“0”，那么對(duì)應(yīng)于變流器主電路就有四種工作狀態(tài)，這四種工作狀態(tài)對(duì)應(yīng)確定的開關(guān)系數(shù)。由式(5)可以看出，有源濾波器的補(bǔ)償電流是由變流器輸出電壓kUdc與交流側(cè)電源電壓us共同作用在濾波電感L上產(chǎn)生的，對(duì)于該電流有(以開關(guān)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(yīng)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(guān)，它們之間存在線性的比例關(guān)系，所以引入一個(gè)與電源電壓成正比的參數(shù)K2，那么uc作為變流器的輸出指令電壓，其控制關(guān)系如下：

   
其中：K1，K2為比例系數(shù)，均可通過PI控制器來實(shí)現(xiàn)；ic為變流器的補(bǔ)償電流。
    改進(jìn)的三角波調(diào)制電流控制方法與傳統(tǒng)的三角波調(diào)制電流控制方法相比，通過在輸出指令電壓中增加一個(gè)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(dòng)范圍。

3 仿真結(jié)果分析
    交直型電力機(jī)車是電鐵供電系統(tǒng)的負(fù)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(duì)稱不等分4段半控橋式整流電路。本文對(duì)電力機(jī)車的整流系統(tǒng)進(jìn)行了簡(jiǎn)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(yàn)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(bǔ)償諧波及無功電流的有源濾波器，它可以同時(shí)補(bǔ)償負(fù)載中的諧波及無功電流，使得電源電流中只含有負(fù)載電流的基波有功成分。

4 結(jié)語(yǔ)
    本文用Matlab／Simulink中的電力系統(tǒng)模塊對(duì)電鐵供電系統(tǒng)的有源濾波器進(jìn)行了仿真研究，結(jié)果表明單相有源濾波器用于電鐵供電系統(tǒng)具有良好的諧波及無功電流的抑制效果。