电铁谐波综合治理设计思路探索

电力18讯：    摘　要：从电铁谐波源数学模型入手，采用Carson定理，从牵引网导线－地，轨道－地两个地回路，推导出牵引网的等效谐波输出阻抗，以解决电铁谐波治理的理论计算问题。并从无源滤波器与有源滤波器的历史渊源、滤源原理、优劣利弊进行分析比较，提出以“无源”为主，“有源”为辅的混合滤波器来综合治理电铁谐波的经济实用方案。
    关键词：电铁谐波；等效谐波输出阻抗；无源滤波器；有源滤波器；混合滤波器 （上接第3期）


4　“无源”与“有源”的原理比较
4．1　“无源”与“有源”滤波器的历史渊源
　　所谓“滤波器滤去电力谐波”的概念，源于“富氏变换”的数学手段，而非其物理本质，其物理本质是解决1927年首先提出的电压波形“畸变”问题――工频正弦波的扭曲畸变。这样，滤波器的目的或功能即在于对畸变的正弦波进行“滤除”或“整形”使其恢复原貌――标准工频正弦波。前者即20世纪30年代发展起来的传统的“无源”滤波器（PPF，本文简称PF），将畸变的工频正弦波按富氏级数分解成基波（50Hz），及100 Hz、150 Hz、250 Hz……等各次谐波成份，然后采用LC串联谐振的原理将谐波成分“滤除”；而后者即20世纪80年代以来，随着动力电子学及元件（GTR，GTO，IGBT等）的发展而推出的“有源”滤波器（APF，本文简称AF），1971年日本学者SaSaKa首先提出了直接用电力电子设备产生一个整形矫正波将畸变了的工频正弦的畸变部分抵消掉的滤波新概念，1976年由美国西屋公司L・Gyugyi率先研制出800kVA的AF（美国每年因谐波、负序等公害的损失超过200亿美元，故对谐波等公害的治理特别重视），由于AF的造价太高，且建立在日本赤木学者的瞬时虚无功功率新概念基础上的检测控制技术，虽然大大促进了有源AF的发展，但在实际应用中尚存在不少问题，因而限制了它的发展，被迫走出了一条以“无源”PF为主，“有源”AF为辅的组合式滤波器（HAPF）的设计思路，并于1986年首次将一套6 600 kvar无源PF加900 kvar有源AF的组合滤波器（HAPF）用于轧机整流拖动系统，两年后的1988年，Peng等学者又提出了串联有源AF加并联无源PF的混合型式，并于1991年在日本首次将20 Mvar无源PF加20 Mvar有源AF用于电弧炉炼钢进行谐波及闪变抑制。20世纪末，又进一步提出了IGBT＋SPWM逆变技术的有源滤波器，并利用“多重化技术”将“有源”AF从低电压扩张到中电压领域，但进入21世纪后，仍因为AF的某些技术难点尚未完全攻克，加之每kvar的造价大大高于“无源”PF，所以目前钢铁、冶金、石油、化工、矿山、机械、地铁、电铁、原子能、磁悬浮列车等工业领域的谐波治理仍以无源PF为主，PF＋AF的组合滤波器（HAPF）也逐步发展起来。
　　国内有源AF的研制始于20世纪80年代中期，清华、浙大、西交大、哈工大、华北电力大学等高校相继开展理论研究、仿真试验。1987年华北电力科学研究院正式立项研制，1989年该院与北京供电局、冶金部自动化所合作研制AF，于1990年研制出20 kVA样机，1991年12月中国第一台400 V50 kVA有源滤波器AF在北京某中心变电站投入运行，于1992年通过了能源部冶金部鉴定，填补了国内空白，达到20世纪80年代末国际水平，1994年荣获电力部科技进步二等奖。进入21世纪，华北电力科学研究院AF科研组（国家电力科研项目组），又将AF的容量提高到10 kV480 kVA。本文即在采用以“无源”为主，“有源”为辅的组合滤波方式这一基本设计思路的指导下为综合治理电铁谐波而撰写的。
4．2　无源PF与有源AF的滤波原理及比较
4．2．1　无源滤波（PF）的滤波原理
　　采用电工理论的LC串联谐振原理，即当2πhf1 L＝1／2πhf1 C时，LC串联阻抗为0，而对hf1频率即h次谐波呈现低阻通道而滤除，这是其物理本质，而在数学形式上可分为一阶，二阶，三阶滤波器；从接线方式上，可分为单调谐，双调谐，高通滤波器，关于品质因素q，失谐度δ，谐波放大，近频谐振等概念可参考有关文献，本文着重分析有源滤波原理。
4．2．2　有源滤波器（AF）的滤波原理
　　对于畸变了的工频正弦波，有源AF的滤波思路是将畸变部分整形（或整容），在正弦波的基本上，将凸出的部分削掉，将凹进去的部分填补；在数学表达上是将畸变波形分解成正弦分量和畸变分量，利用GTO、IGBT＋PWN控制技术，逆变产生一个与畸变分量大小相等，方向相反的补偿分量将其抵消，从而只剩下标准的正弦波分量。现用与正弦波相差甚远的方波为例，说明有源AF的滤波原理及与无源PF的滤波原理的根本区别，可用逻辑分析图对有源AF滤波原理的进行分析论证，并希望从中再探索一些有源滤波原理的新概念、新思路。因为整形、分解、倒相、移位，再合成的这些逻辑功能是可以通过电力电子线路来实现的，现对此进行逻辑分析。
　　从数学表达式来分析有源AF的滤波原理：方波负荷电流（畸变）：Isqu经过整形、分解、倒相、5上移“＋1”，得畸变分量：Idis→经AF产生一个逆变分量IAF＝－Idis，再合成：畸变负荷Isqu＋Iaf＝Isin。