宋奇吼

0 概述

我國鐵道電氣化的主力牽引機(jī)車為采用直流傳動模式的SS9、SS4型機(jī)車，諧波的問題很突出。電氣化鐵道的諧波主要成分為奇次諧波，其中3次諧波含有量較大，占20%左右。為了解決該問題大多在牽引變電所安裝無源濾波器PPF，該裝置一般由電阻、電容器、電抗器組成，可以對某次（特定）諧波構(gòu)成低阻抗通路，達(dá)到抑制該次諧波的目的。下文進(jìn)行簡單介紹。

1 單相混合補(bǔ)償器的組成

1.1 無源濾波器存在的問題

使用無源濾波器投資較少、結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便，在現(xiàn)階段廣泛用于配電網(wǎng)中，該辦法存在以下不足：只能平衡掉某一次諧波（比如3次諧波），而對某些次諧波會產(chǎn)生放大作用，甚至產(chǎn)生諧振，不能解決根本問題；在電氣化鐵道上使用無源濾波器很容易過載，造成功率因數(shù)過低；無源濾波器不能受控；機(jī)車電流的波動很大。僅使用無源濾波器，會使諧振頻率發(fā)生改變，濾波效果很不理想。

混合補(bǔ)償器由2部分組成：無源濾波器和有源濾波器。無源濾波器的主要功能是過濾3，5，7次諧波，有源濾波器用來補(bǔ)償無源濾波器沒能過濾掉的諧波，因此綜合使用抑制諧波的效果良好。再加之有源濾波器的補(bǔ)償電流很小，不需要很大的容量，而價格比重最大的部分就是有源濾波器，故經(jīng)濟(jì)技術(shù)指標(biāo)較為合理。

1.2 采用混合補(bǔ)償器的優(yōu)勢

要從根本上治理牽引變電所諧波污染，筆者考慮采用有源濾波器APF。有源電力濾波器原理是當(dāng)從電網(wǎng)中檢測到諧波電流時，補(bǔ)償裝置會產(chǎn)生一個與電網(wǎng)諧波電流大小相等但極性相反的電流，以此抵消掉電網(wǎng)中的諧波，從而達(dá)到消除諧波污染的目的。其優(yōu)點顯而易見：能補(bǔ)償各次諧波；濾波特性不受系統(tǒng)阻抗等的影響，不會與系統(tǒng)發(fā)生諧振；具有良好的自適應(yīng)功能，能跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波，具有可控性和快速響應(yīng)性，該特點對于不斷變化著的電氣化鐵道牽引負(fù)荷來說顯得尤為適合。

但是有源濾波器價格較高，筆者在京滬線某變電所技改工程中采用APF與PPF結(jié)合組成混合補(bǔ)償器的方案。該方案利用無源濾波器來消除電流中含量較高的諧波，同時采用有源濾波器來消除無源濾波器沒有過濾掉的電流諧波。該方案的好處是既充分發(fā)揮無源濾波器結(jié)構(gòu)簡單、易實現(xiàn)、成本低的優(yōu)勢，又利用了有源電力濾波器補(bǔ)償性能好的優(yōu)點，克服了單純采用大容量有源濾波器成本高的缺點，兩者結(jié)合使用，在工程總造價較低的基礎(chǔ)上使整個裝置獲得優(yōu)良的性能，技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)合理。

1.3 混合補(bǔ)償器的組成

筆者在京滬三界變電所內(nèi)高壓系統(tǒng)的二次側(cè)母線上設(shè)置的單相混合補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 混合補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)圖

2 有源濾波器的原理

2.1 有源濾波器工作原理

有源濾波器工作原理：采集線路上的電流，并將所得的電流信號進(jìn)行諧波分離算法的處理，得到諧波參考信號，作為脈沖寬度調(diào)節(jié)器中的調(diào)制信號，采用自然采樣法把該信號與等腰三角波相比，從而得到開關(guān)信號，使用該開關(guān)信號去控制絕緣柵雙極型晶體管單相橋，根據(jù)脈沖寬度調(diào)制技術(shù)的原理，將上下兩橋臂的開關(guān)信號進(jìn)行反接，就可得到與需要消除的諧波信號大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流信號，以補(bǔ)償諧波電流，達(dá)到諧波抑制的目的，同時再將有源濾波器接入點后面線路上電流的諧波分量反饋回來，作為調(diào)節(jié)器的輸入，調(diào)整前饋控制的誤差。

2.2 有源濾波器的控制原理

混合補(bǔ)償器的核心部分是有源濾波器，采用有效的反饋控制對提高混合補(bǔ)償器的諧波抑制效果、控制工程造價起著關(guān)鍵作用，因此問題的關(guān)鍵就是研究有源濾波器的反饋控制問題。

方案中選擇的有源濾波器的系統(tǒng)原理框架圖如圖2所示。

由于有源濾波器所補(bǔ)償?shù)闹C波電流和系統(tǒng)背景諧波電流、機(jī)車產(chǎn)生的諧波電流方向相反，因此總諧波電流Ik= Ik1+ Ik2+ Ik3。

而整個系統(tǒng)的總傳遞函數(shù)

要濾掉諧波電流，Ik應(yīng)該趨近于GkUk，即

式中，Gns為相位補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)。

圖2 APF控制系統(tǒng)原理圖

為了取得良好的諧波補(bǔ)償效果，GnsGng的值應(yīng)該越大越好，但 GnsGng過大會引起整個系統(tǒng)不穩(wěn)定。因此，要讓GnsGng在保持系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下還能有較大的數(shù)值，即較高的放大倍數(shù)，可以得到

式中，Gng為周期積分器，且Gng= iout/ iin；Ni為一周期內(nèi)的采樣次數(shù)。

對于諧波而言，系統(tǒng)頻率產(chǎn)生波動時，Ni也對應(yīng)地發(fā)生變化。因此Gng的幅頻響應(yīng)為

式中，a為積分系數(shù)，b為比例系數(shù)。a的值選為0～1，當(dāng)a的取值接近1時，周期積分器在穩(wěn)態(tài)下有很大的放大倍數(shù)。a和b的取值關(guān)系到控制器的響應(yīng)速度及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。2個系數(shù)的值應(yīng)在保證系統(tǒng)有良好穩(wěn)定性的情況下，根據(jù)對濾波器響應(yīng)速度及濾波效果的要求選取。

2.3 前饋和反饋相結(jié)合的復(fù)合控制

反饋控制系統(tǒng)就是按照被控參數(shù)與給定值的偏差進(jìn)行控制的，其特點是在被控參數(shù)出現(xiàn)偏差后，調(diào)節(jié)器發(fā)出控制命令以補(bǔ)償對被控參數(shù)的擾動影響，最后消除偏差的目的。其特點是反饋控制總是滯后于擾動，實時性較差。由于機(jī)車電流變化劇烈，一般的反饋控制難以實現(xiàn)實時諧波反饋控制。因此就需要引入前饋控制，擾動一旦出現(xiàn)，調(diào)節(jié)器立即根據(jù)擾動的性質(zhì)和大小進(jìn)行控制，以補(bǔ)償擾動的影響，使被控參數(shù)不變。相對于反饋控制來說，前饋控制是及時的，理論上可達(dá)到完全補(bǔ)償。因此，對于電氣化鐵道這種擾動頻繁而且具有多干擾量的負(fù)荷來說，采用前饋和反饋相結(jié)合的復(fù)合控制效果明顯。

具體做法如下：通過檢測線路電流，可方便地實現(xiàn)有源濾波器的反饋控制，而機(jī)車產(chǎn)生的諧波電流可看成是系統(tǒng)的擾動分量，來自系統(tǒng)背景諧波電流視為隨機(jī)擾動，通過測量出總諧波電流并把該分量引入來實現(xiàn)前饋控制。前饋控制是基于對諧波電流干擾的測量產(chǎn)生使被控變量保持穩(wěn)定（給定值）的控制動作，即前饋控制能實時跟蹤諧波電流的變化，提高有源濾波器控制器的混合補(bǔ)償系統(tǒng)的動態(tài)性能。采用前饋和反饋控制可使性能更加優(yōu)良。

3 結(jié)論

本文提出了適用于電氣化鐵道混合補(bǔ)償器的結(jié)構(gòu)，討論了混合補(bǔ)償器控制策略并在京滬線三界變電所技改工程中進(jìn)行了實施，在其高壓系統(tǒng)饋出母線上投入混合補(bǔ)償器前后，對系統(tǒng)電流諧波含量進(jìn)行了測量，得出了如下結(jié)論：

（1）較小容量的有源濾波器與無源濾波器串聯(lián)后組成的混合濾波器并聯(lián)在母線上能夠起到很好的抑制諧波污染效果。

（2）采用的控制策略合理，使用前饋控制和反饋控制相結(jié)合的復(fù)合控制經(jīng)實踐證明效果良好。

（3）3，5，7，9次諧波的國標(biāo)允許值分別為2%，2.24%，1.9%和1.23%；未投入濾波器時實測系統(tǒng)電流上述各諧波含量分別為38.67%，22.21%，12.97%和5.06%。

投入濾波器后測得上述諧波含量分別為1.53%，2.1%，1.67%和1.05%。從該組數(shù)據(jù)可以看出在沒有投入混合濾波器之前各次諧波值都會超標(biāo)，其中3，5，7次諧波嚴(yán)重超標(biāo)，嚴(yán)重危害到電氣化鐵道的安全。而投入濾波器后各次諧波電流均在國標(biāo)限制值以內(nèi)，取得了預(yù)期的效果。實際應(yīng)用證明本文所探討的混合補(bǔ)償器方案是可行的，實施效果顯著。

[1]George J.Wakileh. Power Systems Harmonics Fundamentals Analysis And Filter Design[M].北京:北京機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

[2]羅安.電網(wǎng)諧波治理和無功補(bǔ)償技術(shù)及裝備[M].北京:中國電力出版社，2007.

[3]姜齊榮，趙東元，陳建業(yè).有源電力濾波器-結(jié)構(gòu)、原理、控制[M].北京：北京科學(xué)出版社，2008.

[4]蔣斌，顏鋼鋒，趙光宙.單相電路瞬時諧波及無功電流實時檢測新方法[J].電力系統(tǒng)自動化，2000，21.

[5]唐敏，李群湛，賀建閩.牽引變電所無功諧波綜合補(bǔ)償方案研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2004，（2）.

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