有源电力滤波器及其在电气化铁道电能质量控制中的应用

摘要

随着电力系统和牵引供电系统的发展，人们对电能质量的要求越来越高，电气化铁道牵引负荷大都为相控整流型负荷，具有功率因数低、谐波含量高、负序电流大等特点，对公用电网产生的影响较大，必须采取措施来改善电能质量。有源电力滤波器作为改善电能质量的有效手段之一，能较好地适应系统的变化，研究有源电力滤波器并把它应用于电气化铁道电能质量的改善中具有理论意义和实用价值。 本文从矢量空间出发，在三维空间中建立坐标变换系统，通过严格的数学推导，得出三维空间中两个不同坐标系的等价变换关系，该变换系数即是瞬时无功功率理论所用坐标变换系数，新的坐标变换系统为理解瞬时无功功率理论所用坐标变换提供了指导。从电路理论的旋转相量出发，本文分析了基于瞬时无功功率理论的ip-iq谐波电流检测方法的检测原理，推导得出瞬时有功和无功电流的直流分量反映基波电流的信息，克服了直接代入推导法的计算繁琐并解决了畸变电压下要区分序电流的难题。 本文分析了ip-iq法检测基波及基波有功电流产生误差的原因，在改进直流侧电容电压控制方案和新的基波有功电流检测方法的基础上，提出了一种工频、任意相位的无锁相环方案，完善了工频、零相位的传统无锁相环方案，解决了畸变电压下无锁相环的基波有功电流检测问题，实现了畸变电压下无锁相环方式谐波无功的综合补偿。论文从概率的角度探讨了直流侧电容电压参考值的选取原则，得出“直流侧参考电压应满足大于三倍系统电压峰值仅仅是有源电力滤波器正常工作的充分条件”的结论，对实际APF设计时器件的选取具有指导意义。 本文对基于正余弦函数正交特性的单相电路基波电流分离检测法进行了改进，解决了单相电路畸变电压下无锁相环的基波有功电流检测问题。论文提出了一种新的应用瞬时无功功率理论的单相电路谐波电流直接检测方法，不需要延时环节构造三相系统来解决单相电路谐波电流的检测问题，减小了谐波电流检测的延时误差。本文通过频域下基于相量表示的对称分量法，对时域下基于瞬时值表示的对称分解算法进行了证明，为三相不对称负荷正序基波电流的检测提供了依据。 结合时域下的对称分解算法，本文提出了一种采用有源电力滤波器实现电气化铁道不对称负荷谐波、无功和负序电流的综合补偿方案。该方案以电力系统三相侧电流为正序基波有功电流为目标，采用低压侧安装两套共用一个检测电路的单相有源电力滤波器装置来实现。检测电路检测到三相绕组(牵引侧为两相绕组的虚拟第三相绕组)的指令补偿电流，再按照牵引变压器三相侧电流与两供电臂电流间的关系式来分配两供电臂的指令补偿电流，由两套单相有源电力滤波器装置分别产生以实现补偿。通过以实测变电所电流数据建立的仿真系统可知，该方案能有效地补偿电气化铁道谐波、无功和负序电流，改善电气化铁道电能质量。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1引言

1.2国内外发展现状

1.2.1谐波的产生、危害及研究现状

1.2.2电能质量标准及其污染治理现状

1.2.3电气化铁道电能质量问题及其解决方案

1.2.4有源电力滤波器的发展及研究现状

1.3本文的主要研究内容、意义及创新点

1.3.1本文主要研究内容及意义

1.3.2本文的创新点

第2章瞬时无功功率理论及谐波检测方法的研究

2.1引言

2.2瞬时无功功率理论及三维坐标变换推导

2.3谐波电流的检测方法研究

2.3.1基于频域分析的电流检测法

2.3.2基于时域分析的p-q法及d-q法

2.3.3 ip-iq谐波电流检测方法及其分析

2.4小结

第3章有源电力滤波器指令电流检测控制的研究

3.1引言

3.2有源电力滤波器的结构及其基本工作原理

3.3有源电力滤波器指令电流检测控制与误差分析

3.4有源电力滤波器直流侧电容电压控制及其改进

3.4.1有源电力滤波器直流侧电容电压控制

3.4.2有源电力滤波器直流侧电容电压控制的优化设计

3.5有源电力滤波器基波有功电流检测的改进

3.6有源电力滤波器主电路工作原理及参数设计

3.7有源电力滤波器用于谐波及无功补偿的仿真

3.8小结

第4章牵引供电系统谐波检测方法研究

4.1引言

4.2牵引负荷的特点及其对电力系统的影响

4.3牵引负荷谐波的检测与测量

4.3.1基波电流分离法谐波无功电流的检测及其改进

4.3.2基于瞬时无功功率理论的单相电路谐波直接检测法

4.3.3两相负荷谐波和无功电流检测方法

4.3.4三相不对称负荷谐波和无功电流检测方法

4.4小结

第5章APF用于综合治理电气化铁道电能质量问题

5.1引言

5.2不同变压器接线方式电气化铁道电能质量分析

5.2.1三相牵引变电所工作原理及电流传播

5.2.2 V/V接线牵引变电所工作原理及电流传播

5.2.3三相-两相牵引变电所工作原理及电流传播

5.3 APF用于电气化铁道电能质量的综合治理

5.3.1综合补偿结构的确立

5.3.2谐波、无功和负序综合补偿方案及其实现

5.3.3减少补偿容量的补偿方案及其实现

5.4 APF用于牵引变电所综合补偿的仿真

5.4.1无补偿和仅无源滤波器补偿时的仿真

5.4.2投入有源电力滤波器补偿的仿真

5.5小结

结 论

致 谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果