黄靖涛

(西北民族大学电气工程学院，甘肃 兰州 730030)

谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍。电压和电流波形，不仅有相同的电源频率的正弦波(亦为基波分量)，而这种整数倍基波频率的正弦波(高次谐波成分)分量称为电力谐波。产生谐波的根本原因在于电力系统中存在大量非线性负荷使基波电流发生畸变。电气化铁道牵引供电系统自身作为一种单相非线性负荷系统，对电力公网带来很多谐波。

1 有源电力滤波器

有源电力滤波器(Active Power Filter，简称APF)是近几年出现的一种较新的电力电子设备。其基本原理是产生与需要补偿电流大小相同、方向相反的电流，注入到电力系统中从而达到补偿电流的效果，能够对谐波电流和无功电流进行有效的综合补偿。APF由指令电流运算电路和补偿电流发生电路(电流跟踪控制电路、驱动隔离电路、主电路)两大部分组成。前部分的作用是检测负载电流中的谐波电流等分量;后部分的作用则是根据检测出的谐波电流产生相应的补偿电流。

图1 有源电力滤波器的原理图

有源滤波器由和电网连接方式的不同分为串联型、并联型、串并联型。串联型APF补偿电压能消除负载谐波电压;与LC滤波器混合使用的并联型APF是以减小APF的容量为目的，利用PPF来承担部分APF的补偿任务，其特性不同，应运范围也不同;单独使用的并联型APF最为灵活丰富且操作简单易行，只需选择恰当的方法来实现目标的各种补偿。因此，本文采用单相并联型APF进行谐波抑制。

2 谐波电流的检测及其控制方法

2.1 谐波电流的检测

谐波电流的检测方法一般有基于瞬时无功功率理论、自适应原理及鉴相原理的检测方法。由于基于瞬时无功功率理论的检测法滤波效果取决于增益倍数，过大过小都会影响相应的反应速度;基于自适应原理的谐波检测结构简单、算法容易实现、有较好的自适应性，但其硬件电路复杂，软件耗时较大，动态响应速度较慢;基于鉴相原理检测方法中的各电流分量，分别采用与牵引母线和电网电压同频率的单位正余弦信号和电网电流相乘，并经过LPF，得出电网电流中瞬时基波无功电流和瞬时基波有功电流，从而得出瞬时谐波电流。因此该检测法实时性好，动态响应较快，延迟小，且算法与实现较简单。电力机车本身作为一个谐波源，带动牵引负荷忽高忽低，以致变化幅度大且变化剧烈，因此选用基于鉴相原理的检测法对单相非线性负荷的谐波电流进行检测。

2.2 有源电力滤波器的控制

电流滞环跟踪控制法是近些年使用很普遍的一种非线性闭环电流控制方法。其采用电流滞环比较器变成一个以0为中心上下限为-H和H的死区或滞环，根据补偿电流与滞环宽度之间的差异，来控制逆变器的开关动作。这种方法具有系统鲁棒特性好、电压和电流的闭环系统控制简单易行，响应速度快、电路简单等显著优点。本文将选用电流滞环跟踪控制方法对有源电力滤波器的电流环进行有效控制。

3 系统建模及仿真分析

原系统是指没有引入滤波装置的系统，在不影响问题研究的前提下，为减少仿真时间，原系统简化为从变压器二次侧开始，忽略牵引网阻抗。

从图3的仿真波形可以看出，单相非线性负荷产生的谐波电流主要是奇次，并且总的谐波电流畸变率已大大超出了国家标准的限值，所以要对它进行谐波治理。

本文采用并联型有源滤波器，电流环控制用电流滞环跟踪的控制方法。整体仿真模型如图5所示。逆变器直流侧电压取25kV，主电路交流侧电感L值取0.2mH。滞环宽度设置为10，仿真过程所用的时间越长，说明测量误差越小;开关频率越高，设备的性能要求越能在实践中得到良好的改善。

从图4(a)(b)所示波形可以看出，只补偿谐波电流后，电源侧电流接近正弦波，且与电源电压相位相同，说明该有源电力滤波器基本实现了消除整个系统谐波的功能，其畸变率大大降低，对谐波起到一定的抑制作用，改善了电气化铁道供电系统的电能质量。

从图4(c)(d)所示波形可以看出，同时补偿谐波及无功电流后，电源侧电流接近正弦波，且与电源电压相位相同，电源侧电流经过一段的时间慢慢渐变为正弦波其在电源电压阶段，说明有源电力滤波器基本消除谐波和基波无功，产生波形的刺头明显减少，有效提高了电气化铁路供电系统的电能质量。

4 总结

APF能实时跟踪负载谐波电流的变化，并能有效抑制当前电源侧负载电流突变，使畸变率大大降低，从而知其具有良好的动态特性和稳定性及良好的滤波效果。对APF采用补偿谐波及无功电流，可同时补偿负载中的基波无功分量和谐波电流，极大的提高其利用率。通过适当调整，单相并联有源电力滤波器可以有效抑制电气化铁路供电系统的无功电流和谐波。

［1］王兆安，杨君，刘进军《谐波抑制和无功功率补偿》，北京:机械工业出版社，1998

［2］李勇，《电力系统谐波抑制的方法研究与发展趋势》，载《上海船舶运输科学研究所学报》，2011，35(2)，119～122