專利名稱：電氣化鐵道用并聯(lián)混合型電力濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種混合型電力濾波器，進(jìn)一步涉及一種電氣化鐵道用并聯(lián)混合型電力濾波器。
二.
背景技術(shù)：
我國目前廣泛使用工頻交流整流器式電力機(jī)車(即所謂的交直傳動機(jī)車)。其主要問題有三點諧波電流大、功率因數(shù)低、產(chǎn)生負(fù)序電流。目前的焦點問題是諧波。
為解決電力機(jī)車的諧波問題，有兩條基本思路一是裝設(shè)補(bǔ)償裝置，二是對機(jī)車改型，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)為1。目前，后一思路已在一些國家得到實施，但其幾乎不可能對運(yùn)行中的交直機(jī)車進(jìn)行改造。針對目前我國運(yùn)行中的大量電力機(jī)車所產(chǎn)生的諧波問題，切實可行的解決方法是設(shè)置諧波補(bǔ)償裝置。
目前針對電氣化鐵道供電系統(tǒng)存在的諧波問題，主要的解決方法是裝設(shè)電力濾波器，包括無源電力濾波器和有源電力濾波器兩種。目前大量應(yīng)用的是無源濾波器，其在實用中發(fā)揮了很大的作用。但為了防止無源濾波器與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振，引起諧波放大，需人為的按照一定的頻偏設(shè)計濾波器，以保障系統(tǒng)的安全運(yùn)行。但由于頻偏的存在，加之系統(tǒng)阻抗參數(shù)的變化以及無源濾波器元件參數(shù)的漂移，使得無源濾波器很難達(dá)到理想的濾波效果。
無源電力濾波器的使用，一種是裝設(shè)在電鐵變電所，它主要用于補(bǔ)償無功，同時可加電感調(diào)諧到3次諧波附近，補(bǔ)償3次諧波。另一種是裝在機(jī)車上，它也是在補(bǔ)償無功的基礎(chǔ)上調(diào)諧至3次或5次，補(bǔ)償諧波。兩種方法均在實用中發(fā)揮了很大作用，但效果并不理想，存在諧振的危險等，很難克服。
諧波抑制的一個重要趨勢是采用有源電力濾波器。由于有源電力濾波器能動態(tài)地補(bǔ)償諧波、無功及負(fù)序電流，而又不會與系統(tǒng)發(fā)生諧振，所以可以取得比無源電力濾波器好的多的濾波效果。但由于單獨(dú)使用的有源電力濾波器容量大、成本高，目前國內(nèi)還沒有應(yīng)用。
三.技術(shù)方案從上述對現(xiàn)有技術(shù)的介紹和分析中可見，目前在國內(nèi)外還沒有見到通過將無源濾波器中LC濾波支路分為純調(diào)諧和附加電感再將有源電力濾波器并聯(lián)于串聯(lián)電感來使用的報道。
針對上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷或不足，本發(fā)明的目的是提供一種替代通常單獨(dú)使用的無源電力濾波器的電氣化鐵道用并聯(lián)混合型電力濾波器。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是該電氣化鐵道用并聯(lián)混合型電力濾波器，其特點是包括一組純串聯(lián)調(diào)諧的LC無源電力濾波器Zf、附加電感La、有源電力濾波器APF、耦合變壓器T、控制系統(tǒng)等組成，有源電力濾波器APF通過耦合變壓器與附加電感La并聯(lián)，一端接地，另一端與純串聯(lián)調(diào)諧的LC無源濾波器Zf串聯(lián)，組成新型的并聯(lián)混合型混合濾波系統(tǒng)，整體并聯(lián)于電網(wǎng)。
所述的純調(diào)諧LC無源電力濾波器Zf和附加電感La，并且與附加電感La并聯(lián)的有源電力濾波器控制成電流源。
所述的純調(diào)諧的LC無源電力濾波器Zf可由調(diào)諧于3次、5次、7次的LC串聯(lián)諧振濾波器并聯(lián)組成，具體包括幾條支路可根據(jù)濾波和無功性能指標(biāo)確定。
本發(fā)明的電氣化鐵道用并聯(lián)混合型電力濾波器，將原來有固定頻偏的無源濾波器改造為純調(diào)諧LC濾波電路和附加電感La串聯(lián)，然后將有源電力濾波器(APF)控制成電流源，與附加電感La并聯(lián)，共同組成混合濾波系統(tǒng)，在這種電鐵用并聯(lián)混合型電力濾波器中，由于有源電力濾波器APF容量很小，小于諧波源容量的1％(基波無功電流全部流入附加電感La，不流經(jīng)有源濾波器)，因而不會增加很多的成本，但卻可以極大地改善濾波效果。并可抑制電氣化鐵道鐵路的“背景諧波”對無源濾波器的影響，并防止無源濾波器和電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振，大大增強(qiáng)了濾波系統(tǒng)的整體安全性和可靠性。即使有源部分發(fā)生故障，可通過熔斷器自動從系統(tǒng)脫離，無源濾波器仍可實現(xiàn)原有的無功及諧波補(bǔ)償功能。有源濾波器的控制方式簡單可靠。
四.


圖1是本發(fā)明的混合濾波系統(tǒng)的原理圖；圖2為混合濾波系統(tǒng)的等效電路圖，其中a)為等效電路圖，圖b)為對ISh的等效電路，圖c)為對Isl的等效電路圖；圖3為本發(fā)明小功率實驗裝置實施例示意圖；圖4為本發(fā)明的實驗結(jié)果波形圖，圖a)為補(bǔ)償對象的電流波形，圖b)為投入無源濾波器后的電源電流波形，圖c)為投入混合濾波系統(tǒng)后的電源電流波形。
五.
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明的電氣化鐵道用并聯(lián)混合型電力濾波器及其工作原理作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
在本發(fā)明中，首先將原來有固定頻偏的無源濾波器改造為純調(diào)諧LC濾波電路和附加電感La串聯(lián)，然后將有源電力濾波器(APF)控制成電流源，與附加電感La并聯(lián)，共同組成混合濾波系統(tǒng)，在這種電鐵用并聯(lián)混合型電力濾波器中，由于有源電力濾波器APF容量很小，小于諧波源容量的1％(基波無功電流全部流入附加電感La，不流經(jīng)有源濾波器)，因而不會增加很多的成本，但卻可以極大地改善原有無源濾波器的濾波效果。并可抑制電氣化鐵路的“背景諧波”對無源濾波器的影響，并防止無源濾波器和電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振，大大增強(qiáng)了濾波系統(tǒng)的整體安全性和可靠性。即使有源部分發(fā)生故障，可通過熔斷器自動從系統(tǒng)脫離，無源濾波器仍可實現(xiàn)原有的無功及諧波補(bǔ)償功能。有源濾波器的控制方式簡單可靠。
圖1中，最右側(cè)負(fù)載為電力機(jī)車，連接于牽引線與地之間，一組純調(diào)諧LC無源濾波器Zf(由分別調(diào)諧于3次、5次、7次的LC串聯(lián)諧振濾波器并聯(lián)組成，具體包括幾條支路可根據(jù)濾波和無功性能指標(biāo)確定)并聯(lián)于電網(wǎng)，有源電力濾波器APF通過耦合變壓器與附加電感La并聯(lián)接入純調(diào)諧無源濾波器與地之間。APF的主電路采用單相橋式結(jié)構(gòu)，其中的開關(guān)器件采用IGBT，其控制信號來自驅(qū)動電路。
圖1中其他符號說明如下iS——電網(wǎng)側(cè)電流iF——濾波系統(tǒng)電流iL——負(fù)載電力機(jī)車電流圖2所示為混合濾波系統(tǒng)的等效電路圖。將APF控制為一個受控電流源iAPF(iAPF＝kl·ilh+ks·ish，ilh、ish分別為負(fù)載側(cè)和電網(wǎng)側(cè)電流的諧波分量，kl、ks分別為前饋和反饋的增益系數(shù))，諧波源可看作一個電流源Ilh。
不接有源濾波器時，負(fù)載諧波電流ILh由無源濾波器補(bǔ)償。由附圖2a有ish=1zsh+(zfh+zah)vsh+(zfh+zah)zsh+(zfh+zah)ilh--(1)]]>如果電網(wǎng)阻抗很小(|ZS|≈0)，通常為了避免純調(diào)諧無源濾波器與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振導(dǎo)致出現(xiàn)諧波放大現(xiàn)象，在純調(diào)諧無源濾波器支路串入電感La，這樣整個無源支路阻抗(zfh+zah)通常較大，導(dǎo)致無源濾波器濾波效果不理想。
接入有源濾波器，并按以下規(guī)律將其控制為一個電流源iAPF＝kl·ilh+ks·ish(2)當(dāng)有源濾波器按上面規(guī)律控制時，由附圖2b可知
ish=1zsh+zfh+(1+ks)·zahvsh+zfh+(1-kl)·zahzsh+zfh+(1+ks)·zahilh--(3)]]>由于zfh≈0，前饋控制中將前饋控制增益系數(shù)kl設(shè)為1，并在系統(tǒng)不振蕩的情況下盡量將反饋控制中的反饋增益系數(shù)ks取較大的值，由式(3)可知電網(wǎng)電流諧波中由負(fù)載諧波電流源產(chǎn)生的部分將主要流入濾波支路，由電源諧波電壓產(chǎn)生的部分通過反饋控制也將得到一定的抑制。
由附圖2c可得va1‾=(vs1‾-zs1·il1‾)·za1zf1+za1≈za1zf1+za1·vs1‾--(4)]]> 為La兩端電壓中的基波部分，也是加在有源濾波器上的基波電壓，其大小基本上等于La與純調(diào)諧部分在基波下的阻抗進(jìn)行串聯(lián)分壓，同時由于基波電流主要流過La，所以有源濾波器的容量很小。
由原理圖分析可得有源部分容量與負(fù)載容量的比為VAAPFVALOAD=za1zf1+za1·vs1·‾ilh‾vs1‾·il‾·=za1zf1+za1×THDi---(5)]]>ZS——電網(wǎng)阻抗ZF——TSF的阻抗IFh——IF的諧波分量ZSh——電網(wǎng)對諧波的阻抗以下是發(fā)明人給出的小功率實驗裝置實施例。
小功率實驗裝置實施例如附圖3所示。其中采用單相全控橋式整流器模擬機(jī)車負(fù)荷，輸入電壓380V、輸出電壓0～500V可調(diào)、輸出電流0～60A可調(diào)。無源濾波器參數(shù)為3次濾波器L3＝4.65mH，C3＝242μF；5次濾波器L5＝3.86mH，C5＝95μF；附加電感La＝0.95mH。有源電力濾波器采用的開關(guān)元件IGBT的型號為BSM50GB120DN2。
圖4給出了實驗結(jié)果波形圖，對以上實驗結(jié)果進(jìn)行整理，得下表表1電源電流中3次、5次諧波電流含有率 從實驗結(jié)果可以看出，投入新型混合型濾波器進(jìn)行補(bǔ)償后，電網(wǎng)電流中的3次、5次諧波含量分別從27.31％、14.73％降為1.96％、1.32％，取得了很好的濾波效果。而且，APF的容量小于諧波源負(fù)載容量的1％，因此，這種新型單相混合濾波器具有很高的實用價值。
權(quán)利要求
1.一種電氣化鐵道用并聯(lián)混合型電力濾波器，其特征在于，它包括一組純調(diào)諧的LC無源電力濾波器Zf、附加電感La、有源電力濾波器APF、耦合變壓器T、控制系統(tǒng)等組成；有源電力濾波器APF通過耦合變壓器與附加電感La并聯(lián)，一端接地，另一端與純串聯(lián)調(diào)諧的LC無源濾波器Zf串聯(lián)，組成新型的并聯(lián)混合型混合濾波系統(tǒng)，整體并聯(lián)于電網(wǎng)。
2.如權(quán)利要求1所述的電氣化鐵道用并聯(lián)混合型電力濾波器，其特征在于，所述的純調(diào)諧LC無源電力濾波器Zf和附加電感La，并且與附加電感La并聯(lián)的有源電力濾波器控制成電流源。
3.如權(quán)利要求1所述的電氣化鐵道用并聯(lián)混合型電力濾波器，其特征在于，所述的純調(diào)諧的LC無源電力濾波器Zf可由調(diào)諧于3次、5次、7次的LC串聯(lián)諧振濾波器并聯(lián)組成，具體包括幾條支路可根據(jù)濾波和無功性能指標(biāo)確定。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電氣化鐵道用并聯(lián)混合型電力濾波器，包括一組純調(diào)諧LC無源濾波器Z
文檔編號B60L9/00GK1527456SQ0313461
公開日2004年9月8日 申請日期2003年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月25日
發(fā)明者王躍, 王兆安, 楊君, 段勇, 符志平, 躍 王 申請人:西安交通大學(xué)