CN101335452A - 一种用于消除铁路谐波的单相滤波器及其复合控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于消除铁路谐波的新型单相滤波器及其基于能量平衡的复合控制方法。控制信号由两部分组成，一部分是检测到的负载谐波电流，采用递推积分控制器对该信号进行控制，用于消除牵引配电网中的谐波电流；另一部分通过有源部分逆变器两侧的能量平衡分析得到，该部分信号的控制系数通过数学分析精确推导，用于消除电力机车引起的电网电压畸变造成的有源部分直流侧电压抬升问题，两个信号叠加得到总的滤波器PWM控制信号。本用于消除铁路谐波的基于能量平衡的控制方法采用控制电网负载侧谐波电流与逆变器两侧能量信号的复合控制方法，与有源电力滤波传统控制方法相比，电流的跟踪精度更高，克服了电网电压畸变对有源电力滤波器造成的影响，提高了滤波器的滤波性能。

Description

一种用于消除铁路谐波的单相滤波器及其复合控制方法

技术领域

本发明涉及一种单相滤波器及其控制方法，特别是涉及一种用于消除铁路谐波的新型单相滤波器及其基于能量平衡的复合控制方法。

背景技术

随着我国市场经济的发展，传统的内燃机式机车已越来越不能满足市场的需求，电力机车运营成本可以降低30％～40％，因此越来越成为发展的方向。但是，由于电铁电力机车是波动性很大的大功率单相整流负荷，对于三相对称的电力系统供电来说，电铁牵引负荷具有非线形，不对称和波动性的特点，将产生三相不平衡的谐波电流注入系统，并使电力系统电压波动，因此针对电力机车对电力系统的影响须有足够的重视并且采取应对措施。铁路谐波是电气化铁路引起的严重问题之一，并已对国民经济经造成了严重危害。

解决电网谐波污染的主要方法是加装谐波抑制装置。谐波抑制装置主要有无源电力滤波器或有源电力滤波器。在电网中加装无源电力滤波器(PF)一直是传统补偿谐波的主要手段，其突出的优点是结构简单、运行可靠性高、运行费用低。但无源电力滤波器的滤波性能受电网频率、阻抗的影响较大。电网频率稍微偏离额定频率点，或电网阻抗的变化、滤波器元件的生产容差、老化或其它原因引起的参数偏离理想设计无源滤波器的滤波性能将大幅度下降。此外，无源滤波器是由大容量的电抗器和电容器组成，整机体积庞大，造价高。

有源电力滤波器APF作为一种能动态抑制谐波的电力电子装置更是广受关注。并出现了多种拓扑结构：单独型、多变流器混合型以及APF与PF混合型。由于大容量APF的成本相当高，而且自关断器件的容量有限，单独使用的APF仅适用于中低压、小功率系统。多变流器混合型APF的控制系统相当复杂和繁琐，而且成本更高，基本处于理论研究阶段，实用性不强。

APF与PF混合型主要有并联混合型有源电力滤波器和串联混合型有源电力滤波器。并联混合型有源电力滤波器可以实现的功能最为丰富，可用于：①补偿谐波电流；②补偿无功，补偿的多少可以根据需要连续调节；③补偿三相不对称电流；④补偿负序电流；⑤以上任意项的组合。其缺点是由于电网基波电压直接或通过变压器加在逆变桥上，由于电力机车所用电压等级为27.5kv，传统的并联混合型有源滤波器是和被补偿的谐波负载并联在电网上的，受容量的限制难以承受如此高的电压。此外，由于电力机车为冲击性的负荷在其经过牵引变电站时，会产生较大的电网电压畸变，严重影响有源滤波器的工作性能，急需相应的先进控制策略和控制方法对这种现象加以控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于消除铁路谐波的新型单相注入式混合有源滤波器，这种单相注入式混合有源滤波器不但能较好治理牵引配电网中的谐波，同时能够补偿大容量的无功功率。

本发明的另一目的是提供一种基于能量平衡的复合控制方法。

为实现上述的目的，本发明所采用的技术方案是：所述注入支路由第二电容、第一电容、第一电感串接组成单调谐滤波器，第一电容、第一电感组成基波谐振电路，有源电力滤波器通过耦合变压器与基波谐振电路并联连接，经第二电容滤波后接入电网，整条注入支路调谐在三次谐波频率处，无源滤波器由两组LC滤波器组成，分别用于消除5次和7次谐波。

上述的用于消除铁路谐波的新型单相注入式混合有源滤波器中，所述有源电力滤波器的输出经纹波滤波器滤波后接至耦合变压器的副边。

一种基于能量平衡的复合控制方法，包括以下步骤：

检测牵引配电网负载谐波电流I_lh；

采用递推积分控制器对该电流信号进行控制，得到其中一部分控制信号K_p·Δi_lh+K_i·∫Δi_lhd_t，K_p和K_i分别控制器的比例和积分控制系数；

检测逆变器输出侧电流I_o，并减去逆变器输出侧的用于滤出电网谐波电流的控制信号得到I_R；

检测直流侧电压E_DC，并实时计算其波动值 ${\mathrm{\ΔE}}_{\mathrm{DC}}=E_{\mathrm{DC}}-E_{\mathrm{DC}}^{*},$ E_DC ^*为参考值；

计算逆变器输出侧的回灌能量ΔE_DC·i_R，则另一部分控制信号为K₁·ΔE_DC·i_R，其中 $K_1=\frac{C\·(E_{\mathrm{DC}}+E_{\mathrm{DC}}^{*})}{6\·I_R^2\·T_S},$ T_s为系统采样时间，C为直流侧电容；

将两部分控制信号累加，得到总的得到有源电力滤波器的PWM控制信号为U_F＝K_p·Δi_Sh+K_i·∫Δi_Shd_t+K₁·ΔE_DC·i_R。

本发明的有益效果是：

1)用于消除铁路谐波的新型单相注入式混合有源滤波器中由于基波谐振电路在基波频率下发生谐振，因此注入支路将承担大部分电网电压，有源滤波器主要承受谐波电压而不承受系统基波电压，也没有基波电流流入，因而有利于减小有源滤波器的容量，降低成本，适用于25KV的高压牵引配电网中。

2)用于消除铁路谐波的新型单相注入式混合有源滤波器把串联谐振注入型APF和并联混合型有源滤波器结合在一起，综合这两种有源滤波器的优点，又互相弥补了各自的缺点，使得单独注入式有源电力滤波器兼具较大容量的无功静补能力和较小的逆变器容量。

3)结合用于消除铁路谐波的新型单相注入式混合有源滤波器的结构特点，根据电力机车冲击性负荷的特性，采用基于能量平衡的复合控制方法，与有源电力滤波传统控制方法相比电流的跟踪精度更高，克服了电网电压畸变对有源电力滤波器造成的影响，补偿效果更理想，提高了滤波器的滤波性能。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1是用于消除铁路谐波的新型单相注入式混合有源滤波器的系统结构。

图2为基于能量平衡的复合控制方法。

具体实施方式

如图1所示，用于消除铁路谐波的新型单相注入式混合有源滤波器，注入支路由电容C₁、电容C₂、电感L₁串接组成单调谐滤波器，电容C₁、电感L₁串联组成基波谐振电路，有源电力滤波器APF经LC滤波器(L₀、C₀)滤波后，通过耦合变压器T与基波谐振电路并联连接，再经滤波电容C₂接入电网。在用于消除铁路谐波的新型单相注入式混合有源滤波器的结构中，注入支路的主要作用是：给谐波提供一条低阻抗的通道，阻隔电网电压和补偿一定的无功，自身调谐在3次谐波频率处，用于滤除3次特征谐波。本发明可根据实际谐波输出和补偿无功的情况选择注入支路为N次单调谐滤波器。由于注入支路中的串联谐振LC网络谐振调谐于基波频率，其基波阻抗近似为0，相当于基波电流的短路通道，所以流过注入支路的基波电流都将流入该网络，而不会流入耦合变压器和逆变器。有源滤波器的作用主要有：改善整个滤波系统的滤波性能和滤波效果，抑制电网背景谐波电压对负载供电电压的影响，抑制无源滤波器和电网电感形成的串并联谐振，弥补无源电力滤波器存在的缺陷和不足等。无源电力滤波器由5次和7次无源滤波器组成，用于消除两个特征谐波，用于消除铁路谐波的新型单相注入式混合有源滤波器运行特点是：只由无源部分补偿无功功率，有源部分和无源部分共同抑制谐波。

参见图2，图2为基于基于能量平衡的复合控制方法框图。控制信号由两部分组成，第一部分为牵引配电网的谐波电流，由于控制器的输入量是一个周期为20ms的非正弦量，可以看成公倍周期为20ms的各种频率的正弦量的合成，传统的PI算法是对每个采样点进行积分，如式(1)所示。

$U_F\left(k\right)=K_p\·\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{Sh}}\left(k\right)+\underset{i=0}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}{K}_i\·{\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{Sh}}\left(i\right)---\left(1\right)$

K为采样时刻，递推积分PI算法(即对K、K-N、K-2N、…、K-CN时刻的电流值进行积分)如式(2)所示。

$U_F\left(k\right)=K_p\·{\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{Sh}}\left(k\right)+\underset{i=0}{\overset{C}{\mathrm{\Σ}}}{K}_i\·\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{Sh}}(k-\mathrm{iN})---\left(2\right)$

式中 $C=\mathrm{int}\frac{K}{N}$

为简化计算，在K-N时刻，式(3)可改写为

$U_F(k-N)=K_P\·{\mathrm{\Δi}}_{\mathrm{Sh}}(k-N)+\underset{i=0}{\overset{C-I}{\mathrm{\Σ}}}{K}_i\·\mathrm{\Δ}{i}_{\mathrm{Sh}}[k-(i+1)N]$

(3)

将式(3)减去式(2)，算式可写为

U_F(k)＝U_F(k-N)+K_P·Δi_Sh(k)-K_P·Δi_Sh(k-N)+K_i·Δi_Sh(k)    (4)

从式(4)中可以看出概算法大大减少了计算量不需再对U_F(k)在i＝0-C进行积分。根据能量守恒定律，逆变器两侧应满足：

$3\·[K_I\·{\mathrm{\ΔE}}_{\mathrm{DC}}\·I_R]\·I_R\·T_S=\frac{1}{2}C\·(E_{\mathrm{DC}}^2-E_{\mathrm{DC}}^{*2})---\left(5\right)$

$K_1=\frac{C\·(E_{\mathrm{DC}}+E_{\mathrm{DC}}^{*})}{6\·I_R^2\·T_S}$

(6)

由式(6)对控制系数K₁进行精确推导。

则总的控制信号为U_F＝K_p·Δi_Sh+K_i·∫Δi_Shd_t+K₁·ΔE_DC·i_R   (7)

Claims (3)

1、一种用于消除铁路谐波的新型单相滤波器，包括有源电力滤波器、注入支路和无源滤波器，其特征在于：所述注入支路由第二电容、第一电容、第一电感串接组成单调谐滤波器，第一电容、第一电感组成基波谐振电路，有源电力滤波器通过耦合变压器与基波谐振电路并联连接，经第二电容滤波后接入电网，整条注入支路调谐在三次谐波频率处，所述无源滤波器由两组LC滤波器组成，分别用于消除5次和7次谐波。

2、根据权利要求1所述的用于消除铁路谐波的新型单相滤波器，其特征在于：所述有源电力滤波器的输出经纹波滤波器滤波后接至耦合变压器的副边。

3、一种基于权利要求1的单相滤波器的基于能量平衡的复合控制方法，包括以下步骤：

检测牵引配电网负载谐波电流I_lh；

采用递推积分控制器对该电流信号进行控制，得到其中一部分控制信号K_p·Δi_lh+K_i·∫Δi_lhd_l，K_p和K_i分别控制器的比例和积分控制系数；

检测逆变器输出侧电流I_o，并减去逆变器输出侧的用于滤出电网谐波电流的控制信号得到I_R；

检测直流侧电压E_DC，并实时计算其波动值 $\mathrm{\Δ}{E}_{\mathrm{DC}}=E_{\mathrm{DC}}-E_{\mathrm{DC}}^{*},E_{\mathrm{DC}}^{*}$ 为参考值；

计算逆变器输出侧的回灌能量ΔE_DC·i_R，则另一部分控制信号为K_l·ΔE_DC·i_R，其中 $K_1=\frac{C\·(E_{\mathrm{DC}}+E_{\mathrm{DC}}^{*})}{6\·I_R^2\·T_S},$ T_S为系统采样时间，C为直流侧电容；

将两部分控制信号累加，得到总的得到有源电力滤波器的PWM控制信号为U_F＝K_p·Δi_Sh+K_i·∫Δi_Shd_t+K_I·ΔE_DC·i_R。

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