北极星电力网技术频道   作者:佚名   2007/12/27 18:57:52   

电力牵引用有源电力滤波器方案研究>刘子建　桂武鸣　　中南大学（湖南长沙410075）　　赵俊莉　　　株洲电力机车研究所（湖南株洲412001）

　　　我国目前广泛使用的电力机车是工频交流整流器式电力机车（即交直传动机车）。这种机车主要存在谐波电流大、功率因数低、产生负序电流等问题〔1〕，其中谐波是焦点。为了解决这个问题，有2个思路：一是装设谐波补偿装置来补偿谐波，二是对机车本身进行改造，使其不产生谐波，且控制其功率因数为1〔1〕。　　目前，后一种思路已在很多国家得到了实施，例如日本等，我国正在研制的交直交传动机车已采用了此方案，但这一思路基本只能在新研制的机车上实施。针对目前运用中的大量相控电力机车所产生的谐波问题，切实可行的解决方法是设置谐波补偿装置。　　目前我国电气化铁道已采用的补偿方法，一种是在机车上设置功补装置，它是在补偿无功的基础上调谐至3次或5次，补偿谐波。机车上普遍采用的是晶闸管开关投切滤波器的方式。另一种是在牵引变电所装设并联补偿装置，它主要用于补偿无功，同时可加电感调谐到3次谐波附近，补偿3次谐波。牵引变电所普遍采用的是真空开关投切滤波器的方式。由于真空开关不能频繁投切，因而效果不够理想。目前国外已有晶闸管投切滤波器（TSF）投入使用，我国正在积极研究这种方案，并已投入试运行，其补偿无功和滤波均可达到较好的效果。这2种方法均在实用中发挥了很大的作用，但由于其本质是无源滤波器，可能与系统发生谐振。滤波器的频偏对系统安全运行很重要，但频偏也影响滤波器的补偿效果。　　谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器。有源电力滤波器是一种可用于动态地补偿谐波、无功及负序电流等的电力电子装置。它实时地检测出需要补偿的谐波、无功及负序电流等分量，产生补偿电流与其相抵消，使得流入电网的电流可按需要成为正弦波和三相对称的电流，并可按需要控制功率因数，最高可接近1。　　有源电力滤波器的研究最早开始于六七十年代，于八十年代后期成为研究热点，目前在日本已有大量投入实际应用。我国于八十年代后期开始该方面的研究，取得了许多理论成果，若能与电气化铁道结合，真正投入实际应用，应能取得可喜的效果。　　考虑到我国电气化铁道的特点，大量的交直车在未来若干年内仍将是电力机车的主力，故用有源电力滤波器来改善牵引网供电品质无疑是一种好的选择。

2　可用于电气化铁道的有源电力滤波器方案　　　从原理上讲，可用于电气化铁道的有源电力滤波器（APF）方案包括：a．单独使用的并联型APF。　　b．与电气化铁道已有的滤波器装置并联混合使用的APF（注：滤波装置主要作用是作为无功补偿电容器，通常加电感而成为滤波装置，且往往分组投切，即TSF，以下将该类滤波装置简称TSF）。　　c．将APF与TSF串联混合使用，APF串入电网侧。d．将APF与TSF串联混合使用，APF统一串入各组TSF中。　　e．将APF与TSF串联混合使用，多个APF串入各组TSF中。　　以上5种方案中，第1种方案所需的APF装置容量大，仅用于补偿谐波时，其容量即为补偿对象容量的25％～40％，且不适用已运行中的TSF，显然不合理，因此不考虑此方案。2．1　方案1：APF与TSF并联混合使用的方案2．1．1　系统构成及原理　　APF与TSF并联混合使用的方案如图1所示。基本工作原理是：谐波和无功功率主要由TSF进行补偿，TSF未补偿完的谐波由APF补偿。通过适当的控制，APF能抑制TSF和电网可能发生的谐振。APF还可对无功功率进行补偿，从而使系统从整体上能够对无功功率进行连续补偿。这样，整个系统的性能优于TSF，同时，APF装置的容量可小于单独使用APF时所需的容量。2．1．2　功　能利用该方案的补偿系统可具有如下功能：　　a．对由于机车产生的谐波进行补偿，得到较为理想的补偿效果。　　b．抑制谐振。由于APF的加入，能够抑制TSF与电网的谐振。　　c．补偿无功功率。并联型APF能够连续补偿无功功率。2．1．3　缺　点　　a．对谐波的补偿性能要求越高，需要APF容量越大，加上补偿无功功率，对APF的容量要求就更高，限于我国当前的技术水平，APF的容量还难达到要求。例如，对于1台容量约为8MV・A的电力机车，需要APF的容量约为2MV・A。　　b．由于APF的容量大，整个系统的成本是所讨论的方案中最高的。2．2　方案2：APF串入电网侧与TSF混合使用2．2．1　系统构成及原理　　系统构成如图2所示，基本工作原理是：谐波和无功功率主要由TSF补偿，而APF的作用是改善TSF的滤波特性。可将APF看作一个可变阻抗，它对基波的阻抗为0，对谐波却呈现高阻抗，阻止谐波电流流入电网，从而迫使谐波电流流入TSF。换言之，APF起到了谐波隔离器的作用。还可抑制电网阻抗对TSF的影响以及抑制电网与TSF之间可能发生的谐振。从而极大地改善TSF的性能。2．2．2　性　能　　a．改善TSF的谐波补偿性能，减少电网侧谐波，达到很好的补偿效果。　　b．抑制TSF与电网的谐振，抑制电网阻抗对TSF的影响。2．2．3　优　点　　APF容量小，只需补偿对象容量的3％～5％即可达到较为理想的补偿效果。2．2．4　缺　点　　a．APF本身不能补偿无功功率，补偿无功只能由TSF来完成，因而整个补偿系统对无功功率的补偿是不连续的。　　b．APF串入电网之中，必须对电网进行改造，这会在一定程度上影响电网可靠性，不易为用户接受。2．3　方案3：APF串入TSF中与TSF混合使用2．3．1　系统构成及原理　　系统构成如图3所示。基本工作原理和功能与方案2的十分相似。2．3．2　优　点　　除具有与方案2相同的优点，即APF容量很小，为补偿对象的3％～5％，还有如下优点：　　a．不必改接电网，TSF与APF作为一个整体是并联接电网的，易为用户接受。　　b．APF处于低电压侧，所需承受的电压低得多，装置制作的难度相对要小。2．3．3　缺　点　　与方案2相同，即APF本身不能补偿无功功率，补偿功率只能由TSF来完成，整个补偿系统对无功功率的补偿是不连续的。2．4　APF与TSF串联混合的方案4―APF串入各组TSF中2．4．1　系统构成及原理　　系统构成如图4所示。本方案的基本原理与方案3相同，二者的区别在结构上是方案3的APF是串入TSF整体之中，而本方案的APF则要串入TSF的各组中。这样，方案3只需一组APF，而本方案需要多组APF。每组APF的容量相对于方案3的一组APF容量要小一些，但是由于每组APF都需要各自的控制部分，因而本方案显得过于繁琐，成本也高。2．4．2　功　能a．改善TSF的性能，减少电网侧谐波。　　b．抑制谐振。2．4．3　缺　点a．APF本身不能补偿无功功率。　　b．APF台数多，复杂，整体成本明显高于方案3。　　将以上4种方案的功能、特点等进行对比，很明显，在现阶段的技术条件下，方案3是最为合理和经济的。

3　结束语　　　　以上对4种方案进行了分析比较。4种方案均可抑制谐振，补偿谐波。方案3以其APF容量小、电压低、制作难度较小、易为用户接受、经济实用等，是当前最佳方案。参考文献1　王兆安等．谐波抑制和无功功率补偿．北京：机械工业出版社，1998