城市轨道交通电力系统谐波抑制技术研究

米秋实，高晓蓉，黄小红，朱宏娜

0 引言

随着电子器件、电力系统的日益发展，电能的质量问题[1]越来越成为世界各国所关注的问题。为了解决该问题，人们提出了有源滤波器[3]的概念，其基本原理是通过向电网注入与原有谐波等大反相的补偿电流，达到消除谐波[4]的目的。与无源滤波器相比，有源滤波的方法具有一定的优越性，它能对电网中的各次谐波进行动态跟踪补偿[5]，避免了谐振的发生，其补偿方法受电网阻抗和频率变化的影响较小，易实现控制。从20 世纪80 年代第一台APF 正式投入使用以来，经过多年的发展，有源滤波技术[6]也得到了长足的发展，现阶段投入运营的APF 功率范围越来越宽，从50 kV·A 到60 MV·A，控制电路越来越丰富，现阶段电压波动抑制、电压平衡[7]、三相电力系统终端调节[8]等问题已得到解决。截止2012 年底，国内已有50 多个城市的轨道交通项目处于在建、筹建或规划中。城市轨道交通系统的安全运行对供电系统提出了较高的要求。目前已投入运营的城轨供电系统中的整流器，在实际直流供电系统中起着不可替代的作用，但同时其非线性负载[9]给整个系统注入的谐波亦不可忽视。本文针对现阶段城市轨道交通供电系统中广泛使用的12 脉波并联式整流器，分析了其谐波的特点，探讨了滤波的方法，并通过仿真[10]分析，验证了滤波效果。

1 谐波源分析

目前，城市轨道交通牵引供电系统广泛采用2套12 脉波整流机组并列运行，构成等效24 脉波。整流机组产生的谐波电流次数与输出的脉数有关，理想情况下，反映到牵引整流机组高压侧的谐波电流次数为K×P±1（P 为脉波数，K 为正整数）。

下面分析该系统一次侧的谐波成分。在仿真模拟实验系统中，设定变压器为三相变压器，二次侧一为星形连接，一为三角形连接，由变压器的原理得出变压器二次侧的相位差为30°，这样便可模拟12 脉波整流机组的仿真实验模型（图1）。

分析中忽略了交流侧电抗引起的换相过程影响，及直流侧电感量不足引起的直流电流脉动影响，即假定交流侧电抗为零，而直流侧电感无穷大。

图1 谐波源的模拟电路（绕组连接方式为Y/ Δ-Y）图

下面，对直流侧产生的非特征次谐波做分析。桥1 的阀侧线电流为

桥2 的阀侧线电流也比桥1 的阀侧线电流超前了30°，则有：

从式（2）可得其感应的网侧线电流为

所以合成的网侧线电流为

由此可见，2 个整流桥产生的5 次、7 次、17次、19 次等高次谐波相互抵消了，注入电网的只有12k±1 次的谐波。对实际的模型作仿真分析，仿真结果如图2 所示。

图2 系统谐波成分分析图

从图2 可以看出，系统除了基波之外，其他次谐波是特征次的谐波，如11 次、13 次、23 次、25次等，这验证了从理论分析得到的系统的谐波成分是12k±1 次，即整流机组注入系统的谐波成分。

2 滤波原理

有源电力滤波器系统由2 部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。其中，指令电流运算电路的核心是检测出被补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量；补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流。如图3 所示。主电路用来产生补偿电流，目前大多采用PWM 变流器。

图3 有源电力滤波器的原理框图

图3 中，

因此，其工作原理为有源电力滤波器检测出补偿对象电流iL的谐波分量iLH，将其反极性后作为补偿电流指令信号，由补偿电流发生电路产生的补偿电流iL即与负载电流中的谐波分量iLH等大反向，因而两者互相抵消，使得电源电流iS中只含基波，不含谐波，这样就达到了抑制电源电流中谐波的目的。

3 控制策略与实验结果

建模过程中，由滤波电感式（9）来模拟实际滤波电感的值：

式中，Ud为直流侧控制电压的峰值，实际情况下取Ud= 150 V；K 为波形系数，一般取0.3～0.4，在实验中，将系数取成0.34；Imax为谐波电流有效值的最大值，取在实际中得到的数据0.26 A；fpwm为PWM 控制电路的开关频率，根据实际情况取4.5×104Hz。

将参数代入式（9）计算，得L = 1.22×10-2(H)，因此实验中近似地取L = 0.01 (H)模拟实际情况。

3.1 检测电路

实验中采用ip-iq法来检测电网中的谐波，ip-iq检测法是由p - q 检测法派生出来的一种基于瞬时无功功率理论的谐波、无功和负序电流检测方法。

3.2 控制部分

并联有源电力滤波器电流控制电路主要作用是根据由检测系统得到补偿电流指令信号，得出主电路开关器件通断的PWM 信号，保证补偿电流跟踪其指令电流信号的变化。为了取得理想补偿特性，APF 电流控制方法的选择十分重要。

（1）并联有源电力滤波器直流侧电压控制。实验中选取的是PI 调节控制使直流侧电容直接从电力有源滤波器交流侧获取能量，并维持其电压为适当值。如图4 所示。uce是uc的给定值。

图4 PI 调节控制图

ucr是uc的反馈值，两者之差经PI 调节后得到Δip，它叠加到瞬时有功电流分量iq上，经运算在指令信号中包含一定的基波有功电流，使电力有源滤波器直流侧与交流侧交换能量，从而将uc调至给定值。调节过程的关键在于有源电力滤波器和交流侧间如何进行能量交换。

（2）有源电力滤波器电流跟踪控制技术。实验中采用滞环比较（瞬时值比较）的方式实现电流的跟踪控制。如图5 所示为一相的控制原理图。

图5 滞环比较器原理图

3.3 逆变部分

图6 是有源滤波器逆变电路原理图，其主电路开关器件的通断是由采样时刻Δic和的极性决定，可以从表1 看出。

图6 有源滤波器逆变电路原理图

以a 相为例进行分析，当Δica＞0 时，Ka＞0 应该使Ka＞0，而Δica＜0 时，应该使Ka＜0，从而使得减小，达到补偿电流ica跟随指令信号电流变化的目的。因为Δica+ Δicb+Δicc=0，所以绝对值Δica，Δicb，Δicc最大的一个总是与其他2 个方向相反。前者所对应的开关系数不是就是相应的后者所对应的系数不是就是这样各相之间偏差不平衡始终呈现出减弱的趋势。

表1 主电路工作模式与开关系数一览表

3.4 滤波效果

图7 是未滤波之前的电网波形。可以看出，在未滤波之前，电网电流波形有明显的畸变，呈平顶波。谐波的畸变率有12.36%（图8）。

图7 未滤波之前电网波形图

图8 未滤波之前谐波含量示意图

滤波之后，补偿进入电网的补偿电流 *

从畸变率上看，11 次谐波的THD 从滤波之前6.36%到滤波之后的0.10%，其余各次谐波的含量也都相应减小，说明在该实验中所构造的有源滤波器是有效果的。

图9 检测的谐波与补偿进入电网的电流比较图

图10 滤波后电网波形图

4 结论

由于各种电力电子元件的发展与普及，其作为非线性负载所引起的电能质量问题越来越受到大家的关注。谐波及其抑制技术的研究也正成为目前电力系统发展的重要课题之一。本文从城市轨道交通中所应用到的12 脉波整流机组入手，研究了其作为谐波源对电力系统造成的影响。从而得出如下结论：

（1）整流机组作为非线性负载是城市轨道交通供电系统的主要次谐波。

（2）针对谐波的特点，仿真实验采用了ip-iq法，结果说明了该方法能实时、准确地检测负载稳定时的谐波电流。

（3）实验中，采用了滞环比较的方法，将并联有源滤波器应用于系统，进行了仿真实验，得到了有效的结果。

通过实验，认识到有源滤波技术有以下特点：

（1）实现了动态补偿，可对频率大小都变化的谐波进行补偿，对补偿对象的变化反应极快。

（2）可同时对谐波和无功功率进行补偿。

（3）补偿谐波时所需的储能元件容量不大。

（4）即使补偿对象电流过大，有源电力滤波器也不会发生过载，并能正常工作。

[1] 肖湘宁，徐永海.电能质量问题剖析[J].电网技术，2001，（3）：66-69.

[2] 宋文南，刘宝仁.电力系统谐波分析[M].北京：水利电力出版社，1995.

[3] 唐欣，罗安，涂春鸣.新型注入式混合有源滤波器的研究[J].电工技术学报，2004，（11）：51-60.

[4] 王茂海，刘会金.通用瞬时功率定义及广义谐波理论[J].中国电机工程学报，2001，（9）：69-73.

[5] 王兆安，刘进军，杨君.谐波抑制和无功补偿[M].北京：机械工业出版社，1999.

[6] Akagi H., New Trends in Anive Filters for Power Conditioning, IfiEE Trans.hd.pp,13 12-1322, 1996(4) .

[7] 翁海清，孙旭东，刘丛伟，等.三电平逆变器直流侧电压平衡控制方法的改进[J].中国电机工程学报，2002，（9）：95-97.

[8] 侯世英，吕厚余，时文飞，等.改进的三相四线制系统谐波电流检测方法[J].华北电力大学学报，2005，5（3）：8-42.

[9] 赵巍，涂春鸣，罗安，等.针对大功率非线性负载的有源滤波器[J].中南工业大学学报，2002，4（2）：201-204.

[10] 王金星，王庆平，贾长朱，等.MATLAB 在有源滤波器仿真设计中的应用[J].电力系统及其自动化学报，2001，（4）：43-46.