单相并联型有源滤波器在电铁谐波抑制中的研究

发布于：2007/6/22 9:00:16 | 1815 次阅读

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摘要　电力有源滤波器能够克服无源滤波器的种种缺点而被认为是一种能有效提高电能质量的装置。本文从实际应用的角度出发，在简要阐述单相并联型电力有源滤波器的原理的基础上，通过使用OrCAD／Pspice A／D软件对单点进行仿真，论证该装置的可行性。从而更进一步用编程的方法实现了实际检测数据的滤波模拟，证明了该种滤波器的有效性。这些结果对三相电力有源滤波器的设计也有一定的参考价值。
关键词　电力有源滤波器　电铁谐波　电能质量　仿真

1　引言
　　近年来，现代工业，商业和居民用电对电能质量越加敏感，对供电提出了更高的要求。在全国快速发展的电气化铁路更因为其重要性而对电能质量要求严格。仅仅依靠过去的无源设备滤波是远远不够的。因此，有源电力滤波发挥了越来越重要的作用。
　　在电气化铁道中，由于存在机车的往复用电，往往会向输电线路倒送大量的谐波电流（谐波源为电流型），严重的危害线路的安全。仅仅采用无源滤波器是不能达到用户的要求。
2　并联型电力有源滤波器的基本原理
　　与LC支路并联的有源滤波器是为减小有源电力滤波器的容量而提出的。LC支路的主要功能是滤出一部分3，5，7次谐波，但是受设计所限滤波效果并不显著。而有源滤波器只要补偿LC支路没有补偿的谐波。这样的混合系统性能好于只有LC支路，而有源滤波器只要提供很小的补偿电流，因而容量不大，所以大大降低了工程的成本。图1是混合系统的单相等效电路图。这里有源滤波器是一个理想的受控电压源，谐波源是电流源。当接入有源电力滤波器，并控制为一个电压源u_c＝Ki_sh，此时，滤波器将迫使负载的谐波电流流入LC支路，使得电源电流中不含谐波。可见，有源电力滤波器能解决LC支路固有的问题。由u_c＝Ki_sh还可以看出，有源滤波器不承受基波电压，这使得滤波器的容量大大减小。

　　由于在电铁中的实际情况是从负荷侧产生的谐波电流起了很大的消极作用，这里仅以考虑对负载谐波电流（I_Lh）的补偿特性加以说明。流回系统的谐波电流分量为有源电力滤波器的输出电压为，U_C=KI_sh=，对于I_sh而言，图1和图2是等效的，因而将单相等效电路图画成图2的形式。由图可知，这相当于给系统阻抗串了一个纯电阻。如果K＞＞Z_F，则由负载产生的谐波电流将流回LC支路。如果K＞＞Z_s，则滤波特性由K决定。

　　由于来自电源的基波电流和来自负载的谐波电流都流入有源滤波器，因此，有源滤波器所需的容量采用容量估算公式为Z_FI_Lh×（I_F0－I_Lh），其中I_F0为无源滤波器的基波电流。
3　采用OrCAD进行单点仿真
　　以成昆电气化铁道西昌段泸沽牵引变电站为例。该变电站电臂仿真电路如图2。采用其α电臂的3，5，7，9，11次倒送谐波电流的95％值仿真。实时数据如表1。

电路结构：将C=10.586uF(3×11,10.5kV，100 kVar）与其容抗的12％的电感串联，该支路与谐波源并联。当无有源滤波器作用时，得到反流回系统侧的谐波电流如表2。

　　计算在公共连接点产生的谐波电流（按两相—三相等值换算到三相侧公共联接点的公式）允许值是指按国标（GB／T14549－93）计算在公共联接点允许的注入谐波电流。如表3，除了11次谐波电流经过LC滤波后在三相公共连接点能够达到允许值范围内以外，其他各次谐波值都会超标，其中3，5，7次谐波超标严重，严重危害到电气化铁道的安全。

　　在投入了有源滤波器后，设计其等效电路中的K值为300，满足了K＞＞Z_s的要求。
　　如表5所示，各次谐波电流均达到了国标限制以内，使用有源滤波器前后的总谐波电流对比图如图3，图4所示：（均为α臂）。

　　由图可见，在泸沽两个电臂负载侧产生的谐波电流经过APF滤波后，流回系统的电流有了很大程度的减少，直接导致在公共连接点的谐波电流的减小。同时，有源滤波器不承受基波电压，有源滤波器的容量可以节约很多。这里就不再加以计算验证了。
4　实时数据检验APF效果
　　采用成昆电铁西昌段泸沽牵引站的实际检测数据（根据电能质量监测仪获得），每分钟取一点，一天共计1440个点。包括3，5，7，9，11次谐波在两个电臂的测量值和基波电压值。采用C语言实现电路结构的计算，外部连接VB6．0进行图像的绘画，构建使用APF前后的THD对比程序。
　　其思路是：由负载侧产生的各次谐波电流通过按两相—三相等值换算到三相侧公共联接点的公式分流在系统侧产生谐波电压，根据电压总谐波畸变率（THD）的计算公式：

这一主要的参数指标观察滤波效果。限于篇幅，这里就不介绍编程的过程，而以的结果来进行总结。
　　如图5在经过并联电力有源滤波器滤波后，原来大量超标的电压总谐波畸变率大幅减小，达到了国标的要求范围以内，滤波效果十分明显。

　　同时，APF对单次的谐波电流也有很好的滤波效果．诸如3次谐波电流换算到公共连接点在滤波前后的对比图如图6。可见，通过对实时数据的处理，我们可以看到并联型有源滤波器发挥了很大的作用。对谐波的滤除效果明显。THD明显低于国标限制。对线路和系统的危害大大降低。

5　结论
　　在电气化铁道中，采用并联混合型有源滤波器对谐波进行滤波，可以收到很好的效果，有利于线路和系统的安全，大大减少了各次倒送回系统的谐波以及在公共连接点的总谐波畸变率。同时，由于采用了并联型APF，使得有源滤波器的容量降低，减少了工程中的投资，具有很好的实际应用价值。

参考文献

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2　王兆安，杨君，刘进军．谐波抑制和无功补偿．北京：机械工业出版社，1998
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