CN1141770C - 电气铁道用混合滤波系统中有源电力滤波器的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电气铁道用混合滤波系统中有源电力滤波器的控制方法，采用将有源电力滤波器(APF)引入TSF中，共同组成混合滤波系统，整个系统的补偿性能与TSF相比有很大的提高，对有源电力滤波器的进行适当的控制，达到整个滤波系统的良好性能，由于所需的有源电力滤波器容量很小，因而不会增加很大的成本，可以在付出不大的代价的前提下，极大地改善原有TSF装置的谐波补偿效果，并能够达到国家标准规定的要求。

Description

电气铁道用混合滤波系统中有源电力滤波器的控制方法

一.技术领域

本发明涉及一种有源电力谐波补偿控制方法，进一步涉及一种电气铁道用混合滤波系统中有源电力滤波器的控制方法。

二.背景技术

目前，我国电气化铁路已超过10000km，约13％的电力机车承担着20％的运量。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。其中，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电力滤波器，其在实用中发挥了很大的作用。但由于无源滤波器可能与系统发生谐振，所以滤波器的频偏对系统安全运行很重要，而又由于频偏的存在使无源电力滤波器很难达到理想的补偿效果。

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，较难克服。

目前国外已开始采用晶闸管对无源电力滤波器进行投切的装置(即晶闸管投切滤波器TSF)，我国正在积极研究这种方案，并已投入试运行，其补偿无功和抑制谐波均可达到较好的效果，但其本质上仍是无源滤波器，与前两种使用中的无源补偿方案是相似的，存在同样的问题。他们的补偿效果均很难达到国家标准的要求。

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。据报道，单独使用的有源电力滤波器已经在日本的电气化铁道中投入了运营，并且取得了很好的效果。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。

三.技术方案

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将晶闸管投切滤波器(TSF)和有源电力滤波器混合使用的报道。本发明的目的是提供一种电气铁道用混合滤波系统中有源电力滤波器的控制方法。

本发明采用的技术方案是：电气铁道用混合滤波系统中有源电力滤波器的控制方法包括以下步骤：

第1步，将晶闸管投切滤波器的接地端解开，将有源电力滤波器经过耦合变压器串联接入晶闸管投切滤波器和接地端之间，构成混合滤波系统；

第2步，利用傅立叶变换的方法或基于瞬时无功功率理论的方法，检测出电网侧电流的谐波电流分量；

第3步，检测到的电网侧谐波电流乘以有源电力滤波器的等效阻抗Z_APF，得到的结果作为有源电力滤波器补偿电压的指令信号；

第4步，检测有源电力滤波器的补偿电压，将其与第3步得到的指令信号比较，采用跟踪型PWM控制方法，获得控制有源电力滤波器主电路中各个IGBT器件的PWM信号；

第5步，将上一步得出的PWM信号分配给各个IGBT的驱动电路，经驱动电路放大施加到IGBT上，使有源电力滤波器输出补偿电压。

跟踪型PWM控制方法是：

第1步，将有源电力滤波器补偿电压的指令信号与检测到的有源电力滤波器补偿电压相减，差值作为跟踪型PWM控制电路的输入；

第2步，引入一个40kHz的时钟信号，每个时钟信号周期结束时检查输入信号的正负，若输入信号为正，向有源电力滤波器主电路中的IGBT发出使补偿电压增大的PWM信号；反之，向有源电力滤波器主电路中的IGBT发出使补偿电压减小的PWM信号。

本发明将有源电力滤波器(APF)引入晶闸管投切滤波器(TSF)中，共同组成混合滤波系统，整个系统的补偿性能与TSF相比有很大的提高，通过对有源电力滤波器进行适当的控制，达到整个滤波系统的良好性能。由于所需的有源电力滤波器容量很小，因而不会增加很大的成本。本发明可以在付出不大的代价的前提下，极大地改善原有晶闸管投切滤波器(TSF)装置的谐波补偿效果，并能够达到国家标准的要求。

四.附图说明

图1是本发明的混合滤波系统的原理图；

图2为APF控制电路的核心部分框图；

图3为混合滤波系统的等效电路图，包括：a)等效电路图、b)对I_Sh的等效电路、c)对U_Sh的等效电路；

图4为本发明的控制系统总体结构框图；

图5为本发明的控制系统的TMS320C32处理系统框图；

图6为本发明的控制系统的TMS320F240处理系统框图；

图7为本发明小功率实验装置实施例示意图；

图8为本发明的实验结果波形图，其中：a)补偿对象的电流波形；b)投入TSF补偿后的电源电流波形；c)投入混合滤波系统补偿后的电源电流波形。

五.具体实施方式

以下结合附图和实施例，对本发明作进一步地详细描述。

电气铁道用混合滤波系统中有源电力滤波器的控制方法包括如下步骤：

第1步，将晶闸管投切滤波器的接地端解开，将有源电力滤波器经过耦合变压器串联接入晶闸管投切滤波器和接地端之间，构成混合滤波系统；

第2步，利用傅立叶变换的方法或基于瞬时无功功率理论的方法，检测出电网侧电流的谐波电流分量；

第3步，检测到的电网侧谐波电流乘以有源电力滤波器的等效阻抗Z_APF，得到的结果作为有源电力滤波器补偿电压的指令信号；

第4步，检测有源电力滤波器的补偿电压，将其与第3步得到的指令信号比较，采用跟踪型PWM控制方法，获得控制有源电力滤波器主电路中各个IGBT器件的PWM信号；

第5步，将上一步得出的PWM信号分配给各个IGBT的驱动电路，经驱动电路放大施加到IGBT上，使有源电力滤波器输出补偿电压。

跟踪型PWM控制方法是：

第1步，将有源电力滤波器补偿电压的指令信号与检测到的有源电力滤波器补偿电压相减，差值作为跟踪型PWM控制电路的输入；

第2步，引入一个40kHz的时钟信号，每个时钟信号周期结束时检查输入信号的正负，若输入信号为正，向有源电力滤波器主电路中的IGBT发出使补偿电压增大的PWM信号；反之，向有源电力滤波器主电路中的IGBT发出使补偿电压减小的PWM信号。

参见图1，110kV为电网向铁路变电所供电的电压等级，经变压器降压为27kV后向牵引线电力机车1供电。电力机车1连接于牵引线与地之间，晶闸管投切滤波器2(TSF，分为多组，根据需要的容量确定投切的组数)通过一个降压变压器3连接到27kV牵引线侧。有源电力滤波器(APF)主电路6输出经连接变压器4串联接入晶闸管投切滤波器2中。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5。

IGBT的驱动电路可根据选用的IGBT器件，采用各种通用的IGBT集成驱动芯片组成，例如日本三菱公司的M57962L或富士公司的EXB840等。

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——电力机车电流

u_C——APF提供的补偿电压

i_T——公共连接点的电压

参见图2，图2为有源电力滤波器(APF)控制电路的核心部分框图。谐波电流检测电路7的输入信号为电源电流i_S和电网电压u_S，经运算后输出电源电流中的谐波分量i_Sh，放大器8将谐波电流检测电路7的输出i_Sh与设定的Z_APF相乘，产生补偿电压指令u_C ^*，减法器9将环节8输出与有源电力滤波器主电路6输出信号相减，结果输出至PWM发生器10，其输出(即各IGBT的PWM信号)连接至驱动电路5。

图2中符号说明如下：

i_Sh——i_S的谐波分量

u_S——电网电压

u_C ^*——APF补偿电压u_C的指令信号

Z_APF——APF的等效电阻

图3所示为混合滤波系统的等效电路图。将有源电力滤波器(APF)控制为一个受控电压源U_C(U_C＝Z_APFI_sh，I_sh为电网侧电流的谐波分量，Z_APF为APF对谐波的等效阻抗)，谐波源可看作一个电流源I_L。

不接有源滤波器(即Z_APF＝0)时，负载谐波电流I_Lh由TSF补偿，其补偿特性取决于Z_S和Z_F。由附图3a有： $I_{\mathrm{Sh}}=\frac{Z_F}{Z_S+Z_F}{I}_{\mathrm{Lh}}.....\left(1\right)$

如果电网阻抗很小(|Z_S|≈0)，或TSF没有调谐到负载的谐波频率(即|Z_F|＞＞|Z_S|)，就达不到要求的滤波特性。尤其是当Z_S与Z_F在特定频率发生并联谐振时(|Z_F+Z_S|≈0)，将出现谐波放大现象，流入电源的谐波电流比负载(电力机车)的谐波电流还要大。

接入有源滤波器，并按以下规律将其控制为一个电压源：

                        U_C＝Z_APF·I_Sh              (2)

只要适当地对APF进行控制，即选择适当的Z_APF，APF就能迫使负载中的谐波电流流入LC滤波器，使得电源电流中不含谐波。由上式还看出，APF不承受基波电压，因此只需较小的容量。

只考虑对I_Lh的补偿特性时，假设电源电压U_S为正弦。则电源电流的谐波分量I_Sh、公共连接点处谐波电压U_Th、APF输出的补偿电压U_C由以下三式给出： $I_{\mathrm{Sh}}=\frac{Z_F}{Z_S+Z_F+Z_{\mathrm{APF}}}{I}_{\mathrm{Lh}}........\left(3\right)$ $U_{\mathrm{Th}}=U_{\mathrm{Sh}}-Z_S{I}_{\mathrm{Sh}}=\frac{Z_F{Z}_S}{Z_S+Z_F+Z_{\mathrm{APF}}}{I}_{\mathrm{Lh}}......\left(4\right)$ $U_C=Z_{\mathrm{APF}}\·I_{\mathrm{Sh}}=\frac{Z_{\mathrm{APF}}{Z}_F}{Z_S+Z_F+Z_{\mathrm{APF}}}{I}_{\mathrm{Lh}}......\left(5\right)$

式(3)说明，对于I_Sh而言，附图3a和b是等效的，因而将等效电路图化作附图3b的形式，由图看出，这相当于给Z_S串接了阻抗Z_APF。如果|Z_APF|＞＞|Z_F|，则由负载产生的谐波电流将流入TSF。如果|Z_APF|＞＞|Z_S|，则滤波特性由Z_APF决定。除此外，Z_APF的存在还可使原本可能导致谐振的条件(|Z_F+Z_S|≈0)不起作用，从而起到阻尼Z_S和Z_F并联谐振的作用。Z_APF通常可取为TSF对3次谐波阻抗的3～5倍。

接下来，分析混合系统对电网电压谐波的滤波特性。假设不接负载(即I_Lh＝0)，等效电路如附图3c所示。由该等效电路得出： $I_{\mathrm{Sh}}=\frac{U_{\mathrm{Sh}}}{Z_S+Z_F+Z_{\mathrm{APF}}}......\left(6\right)$ $U_{\mathrm{Th}}=\frac{Z_F+Z_{\mathrm{APF}}}{Z_S+Z_F+Z_{\mathrm{APF}}}{U}_{\mathrm{Sh}}......\left(7\right)$ $U_C=\frac{Z_{\mathrm{APF}}}{Z_S+Z_F+Z_{\mathrm{APF}}}{U}_{\mathrm{Sh}}........\left(8\right)$

如果|Z_APF|＞＞|Z_S+Z_F|，则U_Sh将加在有源滤波器上。这就防止了由U_Sh产生的谐波电流流TSF。但是U_Sh出现在端电压U_Th中。

当Z_APF为无穷大时，混合系统可达到理想的滤波特性如下所示：

                             I_Sh＝0                 (9)

                             U_Th＝U_Sh              (10)

                             U_C＝Z_FI_Lh+U_Sh      (11)

图3中的符号说明：

Z_S——电网阻抗

Z_F——TSF的阻抗

U_Th——U_T的谐波分量

I_Fh——I_F的谐波分量

Z_Sh——电网对谐波的阻抗

发明人给出了以下的实施例。

1.控制方法实施例

参见图4～6，控制系统的具体实现如附图4所示。控制系统采用了两片数字信号处理器(DSP)11a和11b，数字信号处理器(DSP)11a采用TMS320C32(32位浮点型)，用于浮点计算和数据处理(浮点计算可以大大提高精度和动态范围)；数字信号处理器(DSP)11b采用TMS320F240，用于数据采集和大量的逻辑操作和控制。两者通过存储器12(IDT7026)进行数据交换。

TMS320C32运算能力强，但片内资源和I/O接口较少，逻辑处理能力弱，而TMS320F240正好相反，片内资源丰富，成本低，I/O使用方便，但其16位的定点内核对精度和速度有一定限制，因此两者的结合可充分发挥这两种芯片的优点。

本系统的控制电路是以双DSP(数字信号处理器11a和11b)为核心的数字、模拟混合控制电路。它主要分为数字系统和模拟系统以及两系统的接口三大部分。

数字系统主要实现数据采集(包括网侧电流，直流母线电压，输出电压)；数据处理(网侧电流谐波分析、补偿电流指令的计算等)。

模拟系统13主要是由各种输入信号的调理电路，保护，报警及一些I/O接口电路组成。

系统接口主要包括双口RAM 12(提供TMS320C32和TMS320F240两者之间的数据交换接口)和CPLD 14(协调各个子系统之间的逻辑。)

TMS320C32处理系统如附图5所示，包括和存储器15、存储器16、双口RAM12、UART18互联，UART18上连接有两片通讯接口17(RS485)并各自和上位机20、键盘液晶显示电路19连通，其主要功能有：负载电流谐波分析、补偿电流指令的计算以及实现与键盘显示模块、上位机的串行通讯。

存储器15(BOOT-LOAD EPROM)用于存储C32(11a)启动所需程序，存储器16(SRAM)用于存储实现以上功能的应用程序。通讯接口17(RS485)、18(URAT)用于C32与上位机20及液晶显示电路19之间的通讯。

TMS320F240处理系统如附图6所示，TMS320F240包括和存储器21(SRAM)、存储器22(串行存储器)、双口RAM12、CPLD 14、模数转换器23(AD7862)互联，CPLD 14上还有驱动缓冲电路24；主要功能包括数据采集、电流跟踪的数字控制、控制脉冲的形成和重要数据的存储。

存储器21(SRAM)、存储器22(串行存储器)用于存储TMS320F240的应用程序。模数转换器23(AD7862)用于将检测到的有源电力滤波器的补偿电压等模拟信号转换成数字信号输入F240中。驱动缓冲电路24用于将经过CPLD逻辑电路14处理的IGBT的PWM信号输出给IGBT的驱动电路。

2.装置的实施例

小功率实验装置实施例如附图7所示。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0～60A可调。TSF参数如为：3次滤波器：L₃＝23mH，C₃＝50μF；5次滤波器：L₅＝21mH，C₅＝20μF。电力有源滤波器开关元件采用BSM50GB120DN2连接变压器变比为10∶1。

图8给出了实验结果波形图，其中：a)补偿对象的电流波形；b)投入TSF补偿后的电源电流波形；c)投入混合滤波系统补偿后的电源电流波形。

对以上实验结果进行整理，重点对3次谐波的情况进行分析得出下表：

            表1电源电流中3次谐波电流含有率

从以上结果可见，投入混合滤波系统后，电源电流中的基波电流被补偿到只有基波电流的不到3％，取得了良好的补偿特性。

Claims (2)

1.一种电气铁道用混合滤波系统中有源电力滤波器的控制方法，其特征在于：包括以下步骤

第1步，将晶闸管投切滤波器的接地端解开，将有源电力滤波器经过耦合变压器串联接入晶闸管投切滤波器和接地端之间，构成混合滤波系统；

第2步，利用傅立叶变换的方法或基于瞬时无功功率理论的方法，检测出电网侧电流的谐波电流分量；

第3步，检测到的电网侧谐波电流乘以有源电力滤波器的等效阻抗【Z_APF】，得到的结果作为有源电力滤波器补偿电压的指令信号；

第4步，检测有源电力滤波器的补偿电压，将其与第3步得到的指令信号比较，采用跟踪型PWM控制方法，获得控制有源电力滤波器主电路中各个IGBT器件的PWM信号；

第5步，将上一步得出的PWM信号分配给各个IGBT的驱动电路，经驱动电路放大施加到IGBT上，使有源电力滤波器输出补偿电压。

2.根据权利要求1所述的电气铁道用混合滤波系统中有源电力滤波器的控制方法，其特征在于：所述跟踪型PWM控制方法是：

第1步，将有源电力滤波器补偿电压的指令信号与检测到的有源电力滤波器补偿电压相减，差值作为跟踪型PWM控制电路的输入；

第2步，引入一个40kHz的时钟信号，每个时钟信号周期结束时检查输入信号的正负，若输入信号为正，向有源电力滤波器主电路中的IGBT发出使补偿电压增大的PWM信号；反之，向有源电力滤波器主电路中的IGBT发出使补偿电压减小的PWM信号。

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