黃靖濤

(西北民族大學(xué)電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730030)

諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍。電壓和電流波形，不僅有相同的電源頻率的正弦波(亦為基波分量)，而這種整數(shù)倍基波頻率的正弦波(高次諧波成分)分量稱為電力諧波。產(chǎn)生諧波的根本原因在于電力系統(tǒng)中存在大量非線性負(fù)荷使基波電流發(fā)生畸變。電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)自身作為一種單相非線性負(fù)荷系統(tǒng)，對(duì)電力公網(wǎng)帶來很多諧波。

1 有源電力濾波器

有源電力濾波器(Active Power Filter，簡稱APF)是近幾年出現(xiàn)的一種較新的電力電子設(shè)備。其基本原理是產(chǎn)生與需要補(bǔ)償電流大小相同、方向相反的電流，注入到電力系統(tǒng)中從而達(dá)到補(bǔ)償電流的效果，能夠?qū)χC波電流和無功電流進(jìn)行有效的綜合補(bǔ)償。APF由指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路(電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)隔離電路、主電路)兩大部分組成。前部分的作用是檢測負(fù)載電流中的諧波電流等分量;后部分的作用則是根據(jù)檢測出的諧波電流產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償電流。

圖1 有源電力濾波器的原理圖

有源濾波器由和電網(wǎng)連接方式的不同分為串聯(lián)型、并聯(lián)型、串并聯(lián)型。串聯(lián)型APF補(bǔ)償電壓能消除負(fù)載諧波電壓;與LC濾波器混合使用的并聯(lián)型APF是以減小APF的容量為目的，利用PPF來承擔(dān)部分APF的補(bǔ)償任務(wù)，其特性不同，應(yīng)運(yùn)范圍也不同;單獨(dú)使用的并聯(lián)型APF最為靈活豐富且操作簡單易行，只需選擇恰當(dāng)?shù)姆椒▉韺?shí)現(xiàn)目標(biāo)的各種補(bǔ)償。因此，本文采用單相并聯(lián)型APF進(jìn)行諧波抑制。

2 諧波電流的檢測及其控制方法

2.1 諧波電流的檢測

諧波電流的檢測方法一般有基于瞬時(shí)無功功率理論、自適應(yīng)原理及鑒相原理的檢測方法。由于基于瞬時(shí)無功功率理論的檢測法濾波效果取決于增益倍數(shù)，過大過小都會(huì)影響相應(yīng)的反應(yīng)速度;基于自適應(yīng)原理的諧波檢測結(jié)構(gòu)簡單、算法容易實(shí)現(xiàn)、有較好的自適應(yīng)性，但其硬件電路復(fù)雜，軟件耗時(shí)較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢;基于鑒相原理檢測方法中的各電流分量，分別采用與牽引母線和電網(wǎng)電壓同頻率的單位正余弦信號(hào)和電網(wǎng)電流相乘，并經(jīng)過LPF，得出電網(wǎng)電流中瞬時(shí)基波無功電流和瞬時(shí)基波有功電流，從而得出瞬時(shí)諧波電流。因此該檢測法實(shí)時(shí)性好，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較快，延遲小，且算法與實(shí)現(xiàn)較簡單。電力機(jī)車本身作為一個(gè)諧波源，帶動(dòng)牽引負(fù)荷忽高忽低，以致變化幅度大且變化劇烈，因此選用基于鑒相原理的檢測法對(duì)單相非線性負(fù)荷的諧波電流進(jìn)行檢測。

2.2 有源電力濾波器的控制

電流滯環(huán)跟蹤控制法是近些年使用很普遍的一種非線性閉環(huán)電流控制方法。其采用電流滯環(huán)比較器變成一個(gè)以0為中心上下限為-H和H的死區(qū)或滯環(huán)，根據(jù)補(bǔ)償電流與滯環(huán)寬度之間的差異，來控制逆變器的開關(guān)動(dòng)作。這種方法具有系統(tǒng)魯棒特性好、電壓和電流的閉環(huán)系統(tǒng)控制簡單易行，響應(yīng)速度快、電路簡單等顯著優(yōu)點(diǎn)。本文將選用電流滯環(huán)跟蹤控制方法對(duì)有源電力濾波器的電流環(huán)進(jìn)行有效控制。

3 系統(tǒng)建模及仿真分析

原系統(tǒng)是指沒有引入濾波裝置的系統(tǒng)，在不影響問題研究的前提下，為減少仿真時(shí)間，原系統(tǒng)簡化為從變壓器二次側(cè)開始，忽略牽引網(wǎng)阻抗。

從圖3的仿真波形可以看出，單相非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流主要是奇次，并且總的諧波電流畸變率已大大超出了國家標(biāo)準(zhǔn)的限值，所以要對(duì)它進(jìn)行諧波治理。

本文采用并聯(lián)型有源濾波器，電流環(huán)控制用電流滯環(huán)跟蹤的控制方法。整體仿真模型如圖5所示。逆變器直流側(cè)電壓取25kV，主電路交流側(cè)電感L值取0.2mH。滯環(huán)寬度設(shè)置為10，仿真過程所用的時(shí)間越長，說明測量誤差越小;開關(guān)頻率越高，設(shè)備的性能要求越能在實(shí)踐中得到良好的改善。

從圖4(a)(b)所示波形可以看出，只補(bǔ)償諧波電流后，電源側(cè)電流接近正弦波，且與電源電壓相位相同，說明該有源電力濾波器基本實(shí)現(xiàn)了消除整個(gè)系統(tǒng)諧波的功能，其畸變率大大降低，對(duì)諧波起到一定的抑制作用，改善了電氣化鐵道供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

從圖4(c)(d)所示波形可以看出，同時(shí)補(bǔ)償諧波及無功電流后，電源側(cè)電流接近正弦波，且與電源電壓相位相同，電源側(cè)電流經(jīng)過一段的時(shí)間慢慢漸變?yōu)檎也ㄆ湓陔娫措妷弘A段，說明有源電力濾波器基本消除諧波和基波無功，產(chǎn)生波形的刺頭明顯減少，有效提高了電氣化鐵路供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

4 總結(jié)

APF能實(shí)時(shí)跟蹤負(fù)載諧波電流的變化，并能有效抑制當(dāng)前電源側(cè)負(fù)載電流突變，使畸變率大大降低，從而知其具有良好的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性及良好的濾波效果。對(duì)APF采用補(bǔ)償諧波及無功電流，可同時(shí)補(bǔ)償負(fù)載中的基波無功分量和諧波電流，極大的提高其利用率。通過適當(dāng)調(diào)整，單相并聯(lián)有源電力濾波器可以有效抑制電氣化鐵路供電系統(tǒng)的無功電流和諧波。

［1］王兆安，楊君，劉進(jìn)軍《諧波抑制和無功功率補(bǔ)償》，北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998

［2］李勇，《電力系統(tǒng)諧波抑制的方法研究與發(fā)展趨勢》，載《上海船舶運(yùn)輸科學(xué)研究所學(xué)報(bào)》，2011，35(2)，119～122