混合补偿治理电气化铁道谐波污染新方法

宋奇吼

0 概述

我国铁道电气化的主力牵引机车为采用直流传动模式的SS9、SS4型机车，谐波的问题很突出。电气化铁道的谐波主要成分为奇次谐波，其中3次谐波含有量较大，占20%左右。为了解决该问题大多在牵引变电所安装无源滤波器PPF，该装置一般由电阻、电容器、电抗器组成，可以对某次（特定）谐波构成低阻抗通路，达到抑制该次谐波的目的。下文进行简单介绍。

1 单相混合补偿器的组成

1.1 无源滤波器存在的问题

使用无源滤波器投资较少、结构简单、维护方便，在现阶段广泛用于配电网中，该办法存在以下不足：只能平衡掉某一次谐波（比如3次谐波），而对某些次谐波会产生放大作用，甚至产生谐振，不能解决根本问题；在电气化铁道上使用无源滤波器很容易过载，造成功率因数过低；无源滤波器不能受控；机车电流的波动很大。仅使用无源滤波器，会使谐振频率发生改变，滤波效果很不理想。

混合补偿器由2部分组成：无源滤波器和有源滤波器。无源滤波器的主要功能是过滤3，5，7次谐波，有源滤波器用来补偿无源滤波器没能过滤掉的谐波，因此综合使用抑制谐波的效果良好。再加之有源滤波器的补偿电流很小，不需要很大的容量，而价格比重最大的部分就是有源滤波器，故经济技术指标较为合理。

1.2 采用混合补偿器的优势

要从根本上治理牵引变电所谐波污染，笔者考虑采用有源滤波器APF。有源电力滤波器原理是当从电网中检测到谐波电流时，补偿装置会产生一个与电网谐波电流大小相等但极性相反的电流，以此抵消掉电网中的谐波，从而达到消除谐波污染的目的。其优点显而易见：能补偿各次谐波；滤波特性不受系统阻抗等的影响，不会与系统发生谐振；具有良好的自适应功能，能跟踪补偿变化着的谐波，具有可控性和快速响应性，该特点对于不断变化着的电气化铁道牵引负荷来说显得尤为适合。

但是有源滤波器价格较高，笔者在京沪线某变电所技改工程中采用APF与PPF结合组成混合补偿器的方案。该方案利用无源滤波器来消除电流中含量较高的谐波，同时采用有源滤波器来消除无源滤波器没有过滤掉的电流谐波。该方案的好处是既充分发挥无源滤波器结构简单、易实现、成本低的优势，又利用了有源电力滤波器补偿性能好的优点，克服了单纯采用大容量有源滤波器成本高的缺点，两者结合使用，在工程总造价较低的基础上使整个装置获得优良的性能，技术经济指标合理。

1.3 混合补偿器的组成

笔者在京沪三界变电所内高压系统的二次侧母线上设置的单相混合补偿器结构如图1所示。

图1 混合补偿器结构图

2 有源滤波器的原理

2.1 有源滤波器工作原理

有源滤波器工作原理：采集线路上的电流，并将所得的电流信号进行谐波分离算法的处理，得到谐波参考信号，作为脉冲宽度调节器中的调制信号，采用自然采样法把该信号与等腰三角波相比，从而得到开关信号，使用该开关信号去控制绝缘栅双极型晶体管单相桥，根据脉冲宽度调制技术的原理，将上下两桥臂的开关信号进行反接，就可得到与需要消除的谐波信号大小相等、方向相反的补偿电流信号，以补偿谐波电流，达到谐波抑制的目的，同时再将有源滤波器接入点后面线路上电流的谐波分量反馈回来，作为调节器的输入，调整前馈控制的误差。

2.2 有源滤波器的控制原理

混合补偿器的核心部分是有源滤波器，采用有效的反馈控制对提高混合补偿器的谐波抑制效果、控制工程造价起着关键作用，因此问题的关键就是研究有源滤波器的反馈控制问题。

方案中选择的有源滤波器的系统原理框架图如图2所示。

由于有源滤波器所补偿的谐波电流和系统背景谐波电流、机车产生的谐波电流方向相反，因此总谐波电流Ik= Ik1+ Ik2+ Ik3。

而整个系统的总传递函数

要滤掉谐波电流，Ik应该趋近于GkUk，即

式中，Gns为相位补偿器的传递函数。

图2 APF控制系统原理图

为了取得良好的谐波补偿效果，GnsGng的值应该越大越好，但 GnsGng过大会引起整个系统不稳定。因此，要让GnsGng在保持系统稳定的条件下还能有较大的数值，即较高的放大倍数，可以得到

式中，Gng为周期积分器，且Gng= iout/ iin；Ni为一周期内的采样次数。

对于谐波而言，系统频率产生波动时，Ni也对应地发生变化。因此Gng的幅频响应为

式中，a为积分系数，b为比例系数。a的值选为0～1，当a的取值接近1时，周期积分器在稳态下有很大的放大倍数。a和b的取值关系到控制器的响应速度及系统的稳定性。2个系数的值应在保证系统有良好稳定性的情况下，根据对滤波器响应速度及滤波效果的要求选取。

2.3 前馈和反馈相结合的复合控制

反馈控制系统就是按照被控参数与给定值的偏差进行控制的，其特点是在被控参数出现偏差后，调节器发出控制命令以补偿对被控参数的扰动影响，最后消除偏差的目的。其特点是反馈控制总是滞后于扰动，实时性较差。由于机车电流变化剧烈，一般的反馈控制难以实现实时谐波反馈控制。因此就需要引入前馈控制，扰动一旦出现，调节器立即根据扰动的性质和大小进行控制，以补偿扰动的影响，使被控参数不变。相对于反馈控制来说，前馈控制是及时的，理论上可达到完全补偿。因此，对于电气化铁道这种扰动频繁而且具有多干扰量的负荷来说，采用前馈和反馈相结合的复合控制效果明显。

具体做法如下：通过检测线路电流，可方便地实现有源滤波器的反馈控制，而机车产生的谐波电流可看成是系统的扰动分量，来自系统背景谐波电流视为随机扰动，通过测量出总谐波电流并把该分量引入来实现前馈控制。前馈控制是基于对谐波电流干扰的测量产生使被控变量保持稳定（给定值）的控制动作，即前馈控制能实时跟踪谐波电流的变化，提高有源滤波器控制器的混合补偿系统的动态性能。采用前馈和反馈控制可使性能更加优良。

3 结论

本文提出了适用于电气化铁道混合补偿器的结构，讨论了混合补偿器控制策略并在京沪线三界变电所技改工程中进行了实施，在其高压系统馈出母线上投入混合补偿器前后，对系统电流谐波含量进行了测量，得出了如下结论：

（1）较小容量的有源滤波器与无源滤波器串联后组成的混合滤波器并联在母线上能够起到很好的抑制谐波污染效果。

（2）采用的控制策略合理，使用前馈控制和反馈控制相结合的复合控制经实践证明效果良好。

（3）3，5，7，9次谐波的国标允许值分别为2%，2.24%，1.9%和1.23%；未投入滤波器时实测系统电流上述各谐波含量分别为38.67%，22.21%，12.97%和5.06%。

投入滤波器后测得上述谐波含量分别为1.53%，2.1%，1.67%和1.05%。从该组数据可以看出在没有投入混合滤波器之前各次谐波值都会超标，其中3，5，7次谐波严重超标，严重危害到电气化铁道的安全。而投入滤波器后各次谐波电流均在国标限制值以内，取得了预期的效果。实际应用证明本文所探讨的混合补偿器方案是可行的，实施效果显著。

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