电气化铁道牵引供电系统混合有源电力滤波器的仿真研究

闫小雷 河钢集团宣钢公司运输部

电气化铁道牵引供电系统混合有源电力滤波器的仿真研究

闫小雷 河钢集团宣钢公司运输部

为了抑制电气化铁道产生的谐波污染，本文采用了一种新型混合有源电力滤波器的拓扑结构，并分析了这种新型拓扑结构的工作原理及滤波特性。通过MATLAB仿真，验证了新型混合有源电力滤波器的滤波特性。仿真结果表明这种新型混合有源电力滤波器具有优良的滤波性能。

电气化铁道；混合有源电力滤波器；MATLAB仿真

1 引言

如何降低混合有源滤波器中有源部分的容量, 使之应用于大功率场合, 一直是混合型滤波器研究的重要内容。传统的电压源型并联混合电力滤波器在大大改善了无源滤波器滤波效果的同时存在着有源部分功率容量较大的缺点。有鉴于此,本文介绍了一种可大大减小有源部分容量的新型混合有源电力滤波器拓扑结构，并利用MATLAB7.0对这种混合有源电力滤波器进行了仿真研究。

2 电气化铁道供电系统结构图

图1 电气化铁道牵引供电系统原理图

电气化铁道牵引供电系统原理图如图1所示。电力系统经过牵引变电所后为牵引网供电，电力机车通过牵引网获流，经钢轨回流。a、b为供电臂，为了连续供电，设立了分区亭。电气化铁道产生的谐波将影响到为其供电的电力系统的电能质量。

3 新型混合有源电力滤波器的基本原理[3]

新型混合有源电力滤波器拓扑结构如图2所示。图中us表示电气化铁道供电系统的电压，Zs表示牵引阻抗。L3、C3、 L5、C5、L7、C7、Lh、Ch、Rh分别构成3 次、5次、7次单调谐滤波器和高通滤波器；L1、C1构成基波谐振支路，起到分流基波无功电流的作用，有源电力滤波器APF的输出电流经滤波电感L0后，通过耦合变压器与基波谐振支路并联后再与无源电力滤波器串联，然后并入牵引网。APF等效为受控电流源，以改善无源滤波器的滤波性能并抑制其与牵引网发生谐振。由于有源滤波器仅承受较小的谐波电压和谐波电流，故其容量大大降低。

图2 新型混合有源电力滤波器拓扑结构图

4 控制策略及其滤波特性分析

本系统中通过检测负载电流中的谐波成分，将有源电力滤波器APF控制成受控电流源iAPF，单相等效电路如图3所示。

按照叠加原理将图3进一步分解为牵引网基波电压和负载基波电流作用下的等效电路（如图4－a）、系统谐波电压作用下的等效电路（如图4－b）、负载谐波电流作用下的等效电路（如图4－c）。

图3 单相等效电路图

图4 －a 基波等效电路图

图4 －b 系统谐波电压作用下的等效电路图

由于有源滤波器仅输出谐波电流, 在电网基波电压和负载基波电流作用下, 相当于开路; 由于基波谐振支路在基波下处于谐振状态, 其电压等于零,相当于短路,这样, 在基波作用下就可以等效为图4－a所示的形式。从电路中可以看出, 在基波下, 滤波器相当于无功补偿器, 起到补偿固定无功的作用。本文采用检测负载谐波电流的控制策略即有源电力滤波器的参考电流为

图4 －c 负载谐波电流作用下的等效电路

在系统谐波电压单独作用下

根据图4－b，可得

由式（3）可知，有源电力滤波器和基波谐振支路的加入相当于在系统中加入了一个阻抗Z1，从而起到抑制系统谐波电压产生谐波电流的作用，同时也避免了无源滤波器与电网产生谐振。

负载谐波电流单独作用的等效电路图如图4－c所示。由图3－c可得

5 APF直流侧电压控制

为了获得良好的补偿效果需要有效的保证APF直流侧电压的稳定。在仿真中采用了单相整流电路，将检测出的负载谐波电流iLh作为整流电路的输入，整流电路接负载电阻，将负载电路的输出电压作为APF直流侧的电压ud，ud经过PWM逆变器以后得到补偿电流ic。

这样虽然增加了初期硬件投入，但是这样却可以获得稳定的直流侧电压，而且不用计算直流侧电压的具体值，只需估算电压等级，以此作为器件选型的理论依据，且整流电路技术较为成熟在工程上具有实用推广价值。

6 仿真验证

本文采用MATLAB7.0进行了仿真验证。其中牵引网电压us＝25KV，牵引网抗Zs＝30 Ω,阻感负载R＝5 Ω，L＝50mH。

谐波检测得到的谐波电流，APF的输出电流（即补偿电流）应实时跟踪谐波检测得到的谐波电流。为了消除APF的输出电流中的毛刺，需要利用滤波电感。

APF的输出电流（补偿电流）紧紧的跟踪上了负载电流的谐波分量。加入滤波电感后APF的输出电流的毛刺现象得到了很大的改善。

7 结束语

本文介绍的新型混合有源电力滤波器通过MATLAB7.0进行了仿真验证，达到了期望的补偿目标。新的拓扑结构具有以下优点：

(1) 控制结果表明装设并联混合型APF相当于在网侧等效串入一个谐波阻抗,阻抗越大,滤波效果越好；且属于开环控制,不存在系统不稳定的情况。

(2) 理论分析和实验结果表明,这种结构充分发挥了无源滤波器和有源滤波器各自的优点 ,改善了无源滤波器的性能。

[1] 李群湛 著.牵引变电所供电分析及综合补偿技术[M]. 中国铁道出版社 .2006.10

[2] 赵俊莉,杨君, 裴云庆, 王兆安 . 电气化铁道用有源电力滤波器方案研究.机车电传动 .2000年第5期：10～14

[3]涂春鸣 .新型谐振阻抗型混合型电力滤波器的研究[D]. 中南大学博士论文.2003年

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.14.052