專利名稱：電氣鐵道用混合濾波系統(tǒng)中有源電力濾波器的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種有源電力諧波補償控制方法，進一步涉及一種電氣鐵道用混合濾波系統(tǒng)中有源電力濾波器的控制方法。
二.
背景技術(shù)：
目前，我國電氣化鐵路已超過10000km，約13％的電力機車承擔(dān)著20％的運量。我國目前廣泛使用工頻交流整流器式電力機車(即所謂的交直傳動機車)。其主要問題有三點諧波電流大、功率因數(shù)低、產(chǎn)生負序電流。其中，目前的焦點問題是諧波。
為解決電力機車的諧波問題，有兩條基本思路一是裝設(shè)補償裝置，二是對機車改型，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行中的交直機車進行改造。針對目前我國運行中的大量電力機車所產(chǎn)生的諧波問題，切實可行的解決方法是設(shè)置諧波補償裝置。
目前針對電氣鐵道供電系統(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)用的是無源電力濾波器，其在實用中發(fā)揮了很大的作用。但由于無源濾波器可能與系統(tǒng)發(fā)生諧振，所以濾波器的頻偏對系統(tǒng)安全運行很重要，而又由于頻偏的存在使無源電力濾波器很難達到理想的補償效果。
無源電力濾波器的使用，一種是裝設(shè)在電鐵變電所，它主要用于補償無功，同時可加電感調(diào)諧到3次諧波附近，補償3次諧波。另一種是裝在機車上，它也是在補償無功的基礎(chǔ)上調(diào)諧至3次或5次，補償諧波。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，較難克服。
目前國外已開始采用晶閘管對無源電力濾波器進行投切的裝置(即晶閘管投切濾波器TSF)，我國正在積極研究這種方案，并已投入試運行，其補償無功和抑制諧波均可達到較好的效果，但其本質(zhì)上仍是無源濾波器，與前兩種使用中的無源補償方案是相似的，存在同樣的問題。他們的補償效果均很難達到國家標準的要求。
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)地補償諧波、無功及負序電流，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。據(jù)報道，單獨使用的有源電力濾波器已經(jīng)在日本的電氣化鐵道中投入了運營，并且取得了很好的效果。但由于單獨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)外還沒有見到將晶閘管投切濾波器(TSF)和有源電力濾波器混合使用的報道。本發(fā)明的目的是提供一種電氣鐵道用混合濾波系統(tǒng)中有源電力濾波器的控制方法。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是電氣鐵道用混合濾波系統(tǒng)中有源電力濾波器的控制方法包括以下步驟第1步，將晶閘管投切濾波器的接地端解開，將有源電力濾波器經(jīng)過耦合變壓器串聯(lián)接入晶閘管投切濾波器和接地端之間，構(gòu)成混合濾波系統(tǒng)；第2步，利用傅立葉變換的方法或基于瞬時無功功率理論的方法，檢測出電網(wǎng)側(cè)電流的諧波電流分量；第3步，檢測到的電網(wǎng)側(cè)諧波電流乘以有源電力濾波器的等效阻抗ZAPF，得到的結(jié)果作為有源電力濾波器補償電壓的指令信號；第4步，檢測有源電力濾波器的補償電壓，將其與第3步得到的指令信號比較，采用跟蹤型PWM控制方法，獲得控制有源電力濾波器主電路中各個IGBT器件的PWM信號；第5步，將上一步得出的PWM信號分配給各個IGBT的驅(qū)動電路，經(jīng)驅(qū)動電路放大施加到IGBT上，使有源電力濾波器輸出補償電壓。
跟蹤型PWM控制方法是第1步，將有源電力濾波器補償電壓的指令信號與檢測到的有源電力濾波器補償電壓相減，差值作為跟蹤型PWM控制電路的輸入；第2步，引入一個40kHz的時鐘信號，每個時鐘信號周期結(jié)束時檢查輸入信號的正負，若輸入信號為正，向有源電力濾波器主電路中的IGBT發(fā)出使補償電壓增大的PWM信號；反之，向有源電力濾波器主電路中的IGBT發(fā)出使補償電壓減小的PWM信號。
本發(fā)明將有源電力濾波器(APF)引入晶閘管投切濾波器(TSF)中，共同組成混合濾波系統(tǒng)，整個系統(tǒng)的補償性能與TSF相比有很大的提高，通過對有源電力濾波器進行適當?shù)目刂疲_到整個濾波系統(tǒng)的良好性能。由于所需的有源電力濾波器容量很小，因而不會增加很大的成本。本發(fā)明可以在付出不大的代價的前提下，極大地改善原有晶閘管投切濾波器(TSF)裝置的諧波補償效果，并能夠達到國家標準的要求。
四.


圖1是本發(fā)明的混合濾波系統(tǒng)的原理圖；圖2為APF控制電路的核心部分框圖；圖3為混合濾波系統(tǒng)的等效電路圖，包括a)等效電路圖、b)對ISh的等效電路、c)對USh的等效電路；圖4為本發(fā)明的控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖；圖5為本發(fā)明的控制系統(tǒng)的TMS320C32處理系統(tǒng)框圖；圖6為本發(fā)明的控制系統(tǒng)的TMS320F240處理系統(tǒng)框圖；圖7為本發(fā)明小功率實驗裝置實施例示意圖；圖8為本發(fā)明的實驗結(jié)果波形圖，其中a)補償對象的電流波形；b)投入TSF補償后的電源電流波形；c)投入混合濾波系統(tǒng)補償后的電源電流波形。
五.
具體實施例方式
以下結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明作進一步地詳細描述。
電氣鐵道用混合濾波系統(tǒng)中有源電力濾波器的控制方法包括如下步驟第1步，將晶閘管投切濾波器的接地端解開，將有源電力濾波器經(jīng)過耦合變壓器串聯(lián)接入晶閘管投切濾波器和接地端之間，構(gòu)成混合濾波系統(tǒng)；第2步，利用傅立葉變換的方法或基于瞬時無功功率理論的方法，檢測出電網(wǎng)側(cè)電流的諧波電流分量；第3步，檢測到的電網(wǎng)側(cè)諧波電流乘以有源電力濾波器的等效阻抗ZAPF，得到的結(jié)果作為有源電力濾波器補償電壓的指令信號；第4步，檢測有源電力濾波器的補償電壓，將其與第3步得到的指令信號比較，采用跟蹤型PWM控制方法，獲得控制有源電力濾波器主電路中各個IGBT器件的PWM信號；第5步，將上一步得出的PWM信號分配給各個IGBT的驅(qū)動電路，經(jīng)驅(qū)動電路放大施加到IGBT上，使有源電力濾波器輸出補償電壓。
跟蹤型PWM控制方法是第1步，將有源電力濾波器補償電壓的指令信號與檢測到的有源電力濾波器補償電壓相減，差值作為跟蹤型PWM控制電路的輸入；第2步，引入一個40kHz的時鐘信號，每個時鐘信號周期結(jié)束時檢查輸入信號的正負，若輸入信號為正，向有源電力濾波器主電路中的IGBT發(fā)出使補償電壓增大的PWM信號；反之，向有源電力濾波器主電路中的IGBT發(fā)出使補償電壓減小的PWM信號。
參見圖1，110kV為電網(wǎng)向鐵路變電所供電的電壓等級，經(jīng)變壓器降壓為27kV后向牽引線電力機車1供電。電力機車1連接于牽引線與地之間，晶閘管投切濾波器2(TSF，分為多組，根據(jù)需要的容量確定投切的組數(shù))通過一個降壓變壓器3連接到27kV牽引線側(cè)。有源電力濾波器(APF)主電路6輸出經(jīng)連接變壓器4串聯(lián)接入晶閘管投切濾波器2中。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5。
IGBT的驅(qū)動電路可根據(jù)選用的IGBT器件，采用各種通用的IGBT集成驅(qū)動芯片組成，例如日本三菱公司的M57962L或富士公司的EXB840等。
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——電力機車電流uC——APF提供的補償電壓uT——公共連接點的電壓參見圖2，圖2為有源電力濾波器(APF)控制電路的核心部分框圖。諧波電流檢測電路7的輸入信號為電源電流iS和電網(wǎng)電壓uS，經(jīng)運算后輸出電源電流中的諧波分量iSh，放大器8將諧波電流檢測電路7的輸出iSh與設(shè)定的ZAPF相乘，產(chǎn)生補償電壓指令uC*，減法器9將環(huán)節(jié)8輸出與有源電力濾波器主電路6輸出信號相減，結(jié)果輸出至PWM發(fā)生器10，其輸出(即各IGBT的PWM信號)連接至驅(qū)動電路5。
圖2中符號說明如下iSh——iS的諧波分量uS——電網(wǎng)電壓uC*——APF補償電壓uC的指令信號ZAPF——APF的等效電阻圖3所示為混合濾波系統(tǒng)的等效電路圖。將有源電力濾波器(APF)控制為一個受控電壓源UC(UC＝ZAPFIsh，Ish為電網(wǎng)側(cè)電流的諧波分量，ZAPF為APF對諧波的等效阻抗)，諧波源可看作一個電流源IL。
不接有源濾波器(即ZAPF＝0)時，負載諧波電流ILh由TSF補償，其補償特性取決于ZS和ZF。由附圖3a有ISh=ZFZS+ZFILh----(1)]]>如果電網(wǎng)阻抗很小(|ZS|≈0)，或TSF沒有調(diào)諧到負載的諧波頻率(即|ZF|＞＞|ZS|)，就達不到要求的濾波特性。尤其是當ZS與ZF在特定頻率發(fā)生并聯(lián)諧振時(|ZF+ZS|≈0)，將出現(xiàn)諧波放大現(xiàn)象，流入電源的諧波電流比負載(電力機車)的諧波電流還要大。
接入有源濾波器，并按以下規(guī)律將其控制為一個電壓源UC＝ZAPF·ISh(2)只要適當?shù)貙PF進行控制，即選擇適當?shù)腪APF，APF就能迫使負載中的諧波電流流入LC濾波器，使得電源電流中不含諧波。由上式還看出，APF不承受基波電壓，因此只需較小的容量。
只考慮對ILh的補償特性時，假設(shè)電源電壓US為正弦。則電源電流的諧波分量ISh、公共連接點處諧波電壓UTh、APF輸出的補償電壓UC由以下三式給出ISh=ZFZS+ZF+ZAPFILh---(3)]]>UTh=USh-ZSISh=-ZFZSZS+ZF+ZAPFILh----(4)]]>UC=ZAPF·ISh=ZAPFZFZS+ZF+ZAPFILh---(5)]]>式(3)說明，對于ISh而言，附圖3a和b是等效的，因而將等效電路圖化作附圖3b的形式，由圖看出，這相當于給ZS串接了阻抗ZAPF。如果|ZAPF|＞＞|ZF|，則由負載產(chǎn)生的諧波電流將流入TSF。如果|ZAPF|＞＞|ZS|，則濾波特性由ZAPF決定。除此外，ZAPF的存在還可使原本可能導(dǎo)致諧振的條件(|ZF+ZS|≈0)不起作用，從而起到阻尼ZS和ZF并聯(lián)諧振的作用。ZAPF通?？扇門SF對3次諧波阻抗的3～5倍。
接下來，分析混合系統(tǒng)對電網(wǎng)電壓諧波的濾波特性。假設(shè)不接負載(即ILh＝0)，等效電路如附圖3c所示。由該等效電路得出ISh=UShZS+ZF+ZAPF---(6)]]>UTh=ZF+ZAPFZS+ZF+ZAPFUSh---(7)]]>UC=ZAPFZS+ZF+ZAPFUSh----(8)]]>如果|ZAPF|＞＞|ZS+ZF|，則USh將加在有源濾波器上。這就防止了由USh產(chǎn)生的諧波電流流入TSF。但是USh出現(xiàn)在端電壓UTh中。
當ZAPF為無窮大時，混合系統(tǒng)可達到理想的濾波特性如下所示ISh＝0 (9)UTh＝USh(10)UC＝ZFILh+USh(11)圖3中的符號說明ZS——電網(wǎng)阻抗ZF——TSF的阻抗UTh——UT的諧波分量IFh——IF的諧波分量ZSh——電網(wǎng)對諧波的阻抗發(fā)明人給出了以下的實施例。
1.控制方法實施例參見圖4～6，控制系統(tǒng)的具體實現(xiàn)如附圖4所示?？刂葡到y(tǒng)采用了兩片數(shù)字信號處理器(DSP)11a和11b，數(shù)字信號處理器(DSP)11a采用TMS320C32(32位浮點型)，用于浮點計算和數(shù)據(jù)處理(浮點計算可以大大提高精度和動態(tài)范圍)；數(shù)字信號處理器(DSP)11b采用TMS320F240，用于數(shù)據(jù)采集和大量的邏輯操作和控制。兩者通過存儲器12(IDT7026)進行數(shù)據(jù)交換。
TMS320C32運算能力強，但片內(nèi)資源和I/O接口較少，邏輯處理能力弱，而TMS320F240正好相反，片內(nèi)資源豐富，成本低，I/O使用方便，但其16位的定點內(nèi)核對精度和速度有一定限制，因此兩者的結(jié)合可充分發(fā)揮這兩種芯片的優(yōu)點。
本系統(tǒng)的控制電路是以DSP(數(shù)字信號處理器11a和11b)為核心的數(shù)字、模擬混合控制電路。它主要分為數(shù)字系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)以及兩系統(tǒng)的接口三大部分。
數(shù)字系統(tǒng)主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集(包括網(wǎng)側(cè)電流，直流母線電壓，輸出電壓)；數(shù)據(jù)處理(網(wǎng)側(cè)電流諧波分析、補償電流指令的計算等)。
模擬系統(tǒng)13主要是由各種輸入信號的調(diào)理電路，保護，報警及一些I/O接口電路組成。
系統(tǒng)接口主要包括雙口RAM 12(提供TMS320C32和TMS320F240兩者之間的數(shù)據(jù)交換接口)和CPLD 14(協(xié)調(diào)各個子系統(tǒng)之間的邏輯。)TMS320C32處理系統(tǒng)如附圖5所示，包括和存儲器15、存儲器16、雙口RAM12、UART18互聯(lián)，UART18上連接有兩片通訊接口17(RS485)并各自和上位機20、鍵盤液晶顯示電路19連通，其主要功能有負載電流諧波分析、補償電流指令的計算以及實現(xiàn)與鍵盤顯示模塊、上位機的串行通訊。
存儲器15(BOOT-LOAD EPROM)用于存儲C32(11a)啟動所需程序，存儲器16(SRAM)用于存儲實現(xiàn)以上功能的應(yīng)用程序。通訊接口17(RS485)、18(URAT)用于C32與上位機20及液晶顯示電路19之間的通訊。
TMS320F240處理系統(tǒng)如附圖6所示，TMS320F240包括和存儲器21(SRAM)、存儲器22(串行存儲器)、雙口RAM12、CPLD 14、模數(shù)轉(zhuǎn)換器23(AD7862)互聯(lián)，CPLD 14上還有驅(qū)動緩沖電路24；主要功能包括數(shù)據(jù)采集、電流跟蹤的數(shù)字控制、控制脈沖的形成和重要數(shù)據(jù)的存儲。
存儲器21(SRAM)、存儲器22(串行存儲器)用于存儲TMS320F240的應(yīng)用程序。模數(shù)轉(zhuǎn)換器23(AD7862)用于將檢測到的有源電力濾波器的補償電壓等模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入F240中。驅(qū)動緩沖電路24用于將經(jīng)過CPLD邏輯電路14處理的IGBT的PWM信號輸出給IGBT的驅(qū)動電路。
2.裝置的實施例小功率實驗裝置實施例如附圖7所示。其中采用單相全控橋式整流器模擬機車負荷，輸入電壓380V、輸出電壓0～500V可調(diào)、輸出電流0～60A可調(diào)。TSF參數(shù)如為3次濾波器L3＝23mH，C3＝50μF；5次濾波器L5＝21mH，C5＝20μF。電力有源濾波器開關(guān)元件采用BSM50GB120DN2連接變壓器變比為10∶1。
圖8給出了實驗結(jié)果波形圖，其中a)補償對象的電流波形；b)投入TSF補償后的電源電流波形；c)投入混合濾波系統(tǒng)補償后的電源電流波形。
對以上實驗結(jié)果進行整理，重點對3次諧波的情況進行分析得出下表表1電源電流中3次諧波電流含有率 從以上結(jié)果可見，投入混合濾波系統(tǒng)后，電源電流中的基波電流被補償?shù)街挥谢娏鞯牟坏?％，取得了良好的補償特性。
權(quán)利要求
1.一種電氣鐵道用混合濾波系統(tǒng)中有源電力濾波器的控制方法，其特征在于包括以下步驟第1步，將晶閘管投切濾波器的接地端解開，將有源電力濾波器經(jīng)過耦合變壓器串聯(lián)接入晶閘管投切濾波器和接地端之間，構(gòu)成混合濾波系統(tǒng)；第2步，利用傅立葉變換的方法或基于瞬時無功功率理論的方法，檢測出電網(wǎng)側(cè)電流的諧波電流分量；第3步，檢測到的電網(wǎng)側(cè)諧波電流乘以有源電力濾波器的等效阻抗ZAPF，得到的結(jié)果作為有源電力濾波器補償電壓的指令信號；第4步，檢測有源電力濾波器的補償電壓，將其與第3步得到的指令信號比較，采用跟蹤型PWM控制方法，獲得控制有源電力濾波器主電路中各個IGBT器件的PWM信號；第5步，將上一步得出的PWM信號分配給各個IGBT的驅(qū)動電路，經(jīng)驅(qū)動電路放大施加到IGBT上，使有源電力濾波器輸出補償電壓。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電氣鐵道用混合濾波系統(tǒng)中有源電力濾波器的控制方法，其特征在于所述跟蹤型PWM控制方法是第1步，將有源電力濾波器補償電壓的指令信號與檢測到的有源電力濾波器補償電壓相減，差值作為跟蹤型PWM控制電路的輸入；第2步，引入一個40kHz的時鐘信號，每個時鐘信號周期結(jié)束時檢查輸入信號的正負，若輸入信號為正，向有源電力濾波器主電路中的IGBT發(fā)出使補償電壓增大的PWM信號；反之，向有源電力濾波器主電路中的IGBT發(fā)出使補償電壓減小的PWM信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種電氣鐵道用混合濾波系統(tǒng)中有源電力濾波器的控制方法,采用將有源電力濾波器(APF)引入TSF中,共同組成混合濾波系統(tǒng),整個系統(tǒng)的補償性能與TSF相比有很大的提高,對有源電力濾波器的進行適當?shù)目刂?達到整個濾波系統(tǒng)的良好性能,由于所需的有源電力濾波器容量很小,因而不會增加很大的成本,可以在付出不大的代價的前提下,極大地改善原有TSF裝置的諧波補償效果,并能夠達到國家標準規(guī)定的要求。
文檔編號H02J3/01GK1356753SQ0113172
公開日2002年7月3日 申請日期2001年9月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月19日
發(fā)明者王兆安, 楊君, 王躍, 裴云慶, 劉進軍, 卓放, 肖國春 申請人:西安交通大學(xué)