CN100336276C - 电气化铁道用并联混合型电力滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电气化铁道用并联混合型电力滤波器，包括一组纯串联调谐的LC无源电力滤波器(Z_f)、阳加电感(L_a)、有源电力滤波器(APF)、耦合变压器(T)、控制系统，其中有源电力滤波器(APF)控制成电流源，有源电力滤波器(APF)连接在耦合变压器(T)的初级，耦合变压器(T)的次级与附加电感(L_a)并联后与纯串联调谐的LC无源滤波器(Z_f)串联，组成并联混合型混合滤波系统，并将耦合变压器(T)次级的一端接地，另一端通过纯串联调谐的LC无源电力滤波器(Z_f)接入电网。由于有源电力滤波器(APF)容量很小，小于谐波源容量的1%，因而不会增加很多的成本，控制方式简单可靠，可抑制电气化铁道铁路的“背景谐波”对无源滤波器的影响。

Description

电气化铁道用并联混合型电力滤波器

                        技术领域

本发明涉及一种混合型电力滤波器，进一步涉及一种电气化铁道用并联混合型电力滤波器。

                        背景技术

我国目前广泛使用工频交流整流器式电力机车(即所谓的交直传动机车)。其主要问题有三点：谐波电流大、功率因数低、产生负序电流。目前的焦点问题是谐波。

为解决电力机车的谐波问题，有两条基本思路：一是装设补偿装置，二是对机车改型，使其不产生谐波，且功率因数为1。目前，后一思路已在一些国家得到实施，但其几乎不可能对运行中的交直机车进行改造。针对目前我国运行中的大量电力机车所产生的谐波问题，切实可行的解决方法是设置谐波补偿装置。

目前针对电气化铁道供电系统存在的谐波问题，主要的解决方法是装设电力滤波器，包括无源电力滤波器和有源电力滤波器两种。目前大量应用的是无源滤波器，其在实用中发挥了很大的作用。但为了防止无源滤波器与系统阻抗发生谐振，引起谐波放大，需人为的按照一定的频偏设计滤波器，以保障系统的安全运行。但由于频偏的存在，加之系统阻抗参数的变化以及无源滤波器元件参数的漂移，使得无源滤波器很难达到理想的滤波效果。

无源电力滤波器的使用，一种是装设在电铁变电所，它主要用于补偿无功，同时可加电感调谐到3次谐波附近，补偿3次谐波。另一种是装在机车上，它也是在补偿无功的基础上调谐至3次或5次，补偿谐波。两种方法均在实用中发挥了很大作用，但效果并不理想，存在谐振的危险等，很难克服。

谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器。由于有源电力滤波器能动态地补偿谐波、无功及负序电流，而又不会与系统发生谐振，所以可以取得比无源电力滤波器好的多的滤波效果。但由于单独使用的有源电力滤波器容量大、成本高，目前国内还没有应用。

                        发明内容

从上述对现有技术的介绍和分析中可见，目前在国内外还没有见到通过将无源滤波器中LC滤波支路分为纯调谐和附加电感再将有源电力滤波器并联于串联电感来使用的报道。

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的是提供一种替代通常单独使用的无源电力滤波器的电气化铁道用并联混合型电力滤波器。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种电气化铁道用并联混合型电力滤波器，其特征在于，它包括一组纯串联调谐的LC无源电力滤波器Z_f、附加电感L_a、有源电力滤波器APF、耦合变压器T、控制系统，其中有源电力滤波器APF控制成电流源，有源电力滤波器APF连接在耦合变压器T的初级，耦合变压器T的次级与附加电感L_a并联后与纯串联调谐的LC无源滤波器Z_f串联，组成并联混合型混合滤波系统，并将耦合变压器T次级的一端接地，另一端通过纯串联调谐的LC无源电力滤波器Z_f接入电网。

本发明的电气化铁道用并联混合型电力滤波器，将原来有固定频偏的无源滤波器改造为纯调谐LC滤波电路和附加电感L_a串联，然后将有源电力滤波器(APF)控制成电流源，与附加电感L_a并联，共同组成混合滤波系统，在这种电铁用并联混合型电力滤波器中，由于有源电力滤波器APF容量很小，小于谐波源容量的1％(基波无功电流全部流入附加电感L_a，不流经有源滤波器)，因而不会增加很多的成本，但却可以极大地改善滤波效果。并可抑制电气化铁道铁路的“背景谐波”对无源滤波器的影响，并防止无源滤波器和电网阻抗发生谐振，大大增强了滤波系统的整体安全性和可靠性。即使有源部分发生故障，可通过熔断器自动从系统脱离，无源滤波器仍可实现原有的无功及谐波补偿功能。有源滤波器的控制方式简单可靠。

                        附图说明

图1是本发明的混合滤波系统的原理图；

图2为混合滤波系统的等效电路图，其中a)为等效电路图，图b)为对I_Sh的等效电路，图c)为对I_sl的等效电路图；

图3为本发明小功率实验装置实施例示意图；

图4为本发明的实验结果波形图，图a)为补偿对象的电流波形，图b)为投入无源滤波器后的电源电流波形，图c)为投入混合滤波系统后的电源电流波形。

                      具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明的电气化铁道用并联混合型电力滤波器及其工作原理作进一步地详细描述。

在本发明中，首先将原来有固定频偏的无源滤波器改造为纯调谐LC滤波电路和附加电感L_a串联，然后将有源电力滤波器APF控制成电流源，与附加电感L_a并联，共同组成混合滤波系统，在这种电铁用并联混合型电力滤波器中，由于有源电力滤波器APF容量很小，小于谐波源容量的1％(基波无功电流全部流入附加电感L_a，不流经有源滤波器)，因而不会增加很多的成本，但却可以极大地改善原有无源滤波器的滤波效果。并可抑制电气化铁路的“背景谐波”对无源滤波器的影响，并防止无源滤波器和电网阻抗发生谐振，大大增强了滤波系统的整体安全性和可靠性。即使有源部分发生故障，可通过熔断器自动从系统脱离，无源滤波器仍可实现原有的无功及谐波补偿功能。有源滤波器的控制方式简单可靠。

图1中，最右侧负载为电力机车，连接于牵引线与地之间，一组纯串联的调谐LC无源电力滤波器Z_f(由分别调谐于3次、5次、7次的LC串联谐振滤波器并联组成，具体包括几条支路可根据滤波和无功性能指标确定)并联于电网，有源电力滤波器APF通过耦合变压器与附加电感L_a并联接入纯调谐无源滤波器与地之间。APF的主电路采用单相桥式结构，其中的开关器件采用IGBT，其控制信号来自驱动电路。

图1中其他符号说明如下：

i_S——电网侧电流

i_F——滤波系统电流

i_L——负载电力机车电流

图2所示为混合滤波系统的等效电路图。

图2中其他符号说明如下：

Ush为电网谐波电压

Zsh为电网对谐波的阻抗

将APF控制为一个受控电流源i_APF(i_APF＝k_l·i_lh+k_s·i_sh，i_lh、i_sh分别为负载侧和电网侧电流的谐波分量，k_l、k_s分别为前馈和反馈的增益系数)，谐波源可看作一个电流源I_lh。

不接有源滤波器时，负载谐波电流I_Lh由无源滤波器补偿。由附图2a有：

$i_{\mathrm{sh}}=\frac{1}{z_{\mathrm{sh}}+(z_{\mathrm{fh}}+z_{\mathrm{ah}})}{U}_{\mathrm{sh}}+\frac{(z_{\mathrm{fh}}+z_{\mathrm{ah}})}{z_{\mathrm{sh}}+(z_{\mathrm{fh}}+z_{\mathrm{ah}})}{i}_{\mathrm{lh}---\left(1\right)}$

如果电网阻抗很小(|Z_S|≈0)，通常为了避免纯调谐无源滤波器与电网阻抗发生谐振导致出现谐波放大现象，在纯调谐无源滤波器支路串入电感L_a，这样整个无源支路阻抗(z_fh+z_ah)通常较大，导致无源滤波器滤波效果不理想。

接入有源滤波器，并按以下规律将其控制为一个电流源：

            i_APF＝k_l·i_lh+k_s·i_sh                       (2)

当有源滤波器按上面规律控制时，由附图2b可知：

$i_{\mathrm{sh}}=\frac{1}{z_{\mathrm{sh}}+z_{\mathrm{fh}}+(1+k_s)\·z_{\mathrm{ah}}}{U}_{\mathrm{sh}}+\frac{z_{\mathrm{fh}}+(1-k_l)\·z_{\mathrm{ah}}}{z_{\mathrm{sh}}+z_{\mathrm{fh}}+(1+k_s)\·z_{\mathrm{ah}}}{i}_{\mathrm{lh}---\left(3\right)}$

由于z_fh≈0，前馈控制中将前馈控制增益系数k_l设为1，并在系统不振荡的情况下尽量将反馈控制中的反馈增益系数k_s取较大的值，由式(3)可知电网电流谐波中由负载谐波电流源产生的部分将主要流入滤波支路，由电源谐波电压产生的部分通过反馈控制也将得到一定的抑制。

由附图2c可得

$\stackrel{\‾}{v_{a1}}=(\stackrel{\‾}{v_{s1}}-z_{s1}\·\stackrel{\‾}{i_{l1}})\·\frac{z_{a1}}{z_{f1}+z_{a1}}\≈\frac{z_{a1}}{z_{f1}+z_{a1}}\·\stackrel{\‾}{v_{s1}}---\left(4\right)$

为L_a两端电压中的基波部分，也是加在有源滤波器上的基波电压，其大小基本上等于L_a与纯调谐部分在基波下的阻抗进行串联分压，同时由于基波电流主要流过L_a，所以有源滤波器的容量很小。

由原理图分析可得有源部分容量与负载容量的比为

$\frac{{\mathrm{VA}}_{\mathrm{APF}}}{{\mathrm{VA}}_{\mathrm{LOAD}}}=\frac{\frac{z_{a1}}{z_{f1}+z_{a1}}\·\stackrel{\‾}{v_{s1}}\·\stackrel{\‾}{i_{\mathrm{lh}}}}{\stackrel{\‾}{v_{s1}}\·\stackrel{\‾}{i_l}}=\frac{z_{a1}}{z_{f1}+z_{a1}}\×{\mathrm{THD}}_i---\left(5\right)$

Z_S——电网阻抗

Z_F——TSF的阻抗

I_Fh——I_F的谐波分量

Z_Sh——电网对谐波的阻抗

以下是发明人给出的小功率实验装置实施例。

小功率实验装置实施例如附图3所示。图中u_s为交流电源的感应电压，uc为耦合变压器的感应电压；其中采用单相全控桥式整流器模拟机车负荷，输入电压380V、输出电压0～500V可调、输出电流i_s为0～60A可调。无源滤波器参数为：3次滤波器：L₃＝4.65mH，C₃＝242μF；5次滤波器：L₅＝3.86mH，C₅＝95μF；附加电感L_a＝0.95mH。有。电力滤波器采用的开关元件IGBT型号为BSM50GB120DN2。

图4给出了实验结果波形图，对以上实验结果进行整理，得下表：

          表1电源电流中3次、5次谐波电流含有率

从实验结果可以看出，投入新型混合型滤波器进行补偿后，电网电流中的3次、5次谐波含量分别从27.31％、14.73％降为1.96％、1.32％，取得了很好的滤波效果。而且，APF的容量小于谐波源负载容量的1％，因此，这种新型单相混合滤波器具有很高的实用价值。

Claims (1)

1.一种电气化铁道用并联混合型电力滤波器，其特征在于，它包括一组纯串联调谐的LC无源电力滤波器(Z_f)、附加电感(L_a)、有源电力滤波器(APF)、耦合变压器(T)、控制系统，其中有源电力滤波器(APF)控制成电流源，有源电力滤波器(APF)连接在耦合变压器(T)的初级，耦合变压器(T)的次级与附加电感(L_a)并联后与纯串联调谐的LC无源滤波器(Z_f)串联，组成并联混合型混合滤波系统，并将耦合变压器(T)次级的一端接地，另一端通过纯串联调谐的LC无源电力滤波器(Z_f)接入电网。

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