面向电力机车牵引体系之单相整流有源电力滤波器.doc

　　面向电力机车牵引体系之单相整流有源电力滤波器 1. 绪 论 1.1课题背景及意义 高速铁路技术从 1964 年日本新干线投入商业营运时开始迈入了实际应用阶段[1]。随着大功率、高开关频率、模块化、智能化的新型电力电子器件的不断出现，以及计算机技术和现代控制理论的迅速发展，使得电力机车的水平得到不断提高[1, 2]。牵引变流器是电力机车电气设备的核心部件，负责转化受电弓传送的电能，驱动三相异步电机从而带动机车运行，本质上是一种大功率电能变换系统。背靠背的交/直/交变流器结构在机车牵引变流系统中得到了广泛的应用，其典型结构图如图 1.1 所示。我国铁道牵引供电系统为 25 kV 工业频率单相交流制[3]，所以，电力机车的牵引变流器的整流部分采用单相整流，而即使工作于理想状况的单相整流器，也会使得输入变流器的瞬时功率中，含有较大的 2 倍工频的功率脉动，从而导致直流母线电压会含有两倍频的电压脉动。电压脉动不仅会抬高直流母线电压，对器件的耐压和绝缘提出了更高的要求，也会通过电压调制干扰整流器的输入电流和逆变器的输出电压，引入额外的低次谐波。其中，对逆变器的输出电压的影响被称作逆变电压的拍频分量[4-8]。机车运行时速越高，调制波的频率会越接近直流母线的电压脉动频率，由此带来的拍频分量的频率就越低，而此时幅值较小的拍频电压就能产生可观的拍频电流，引发电机转矩脉动和噪声，引发机械部分振动和额外的功率损耗，降低乘坐的舒适性，对系统的可靠性和寿命造成不利的影响。 1.2铁道供电系统发展及概况 我国铁路标准较为统一，均采用工频单相交流制接触网供电，接触网标准电压为25000V/50Hz。另外，目前城市交通以及少数城际交通也开始采用电气化运输（包括地铁，轻轨），主要有北京等城市的第三轨供电直流 750V 以及上海等城市的接触网直流 1500V 两种标准，由于篇幅限制，文章对此不进行详细讨论。从铁道供电的发展来看，直流制应用最早，19 世纪末电力牵引开始用于铁路干线时，应用的就是直流制。目前在英、法、日、苏等国直流制仍然大量存在。直流制是将电力系统的三相交流电降压并变换为直流电供应接触网。接触网电压有 750V、1200V、1500V、3000V 等多种，通常远远低于交流电压。这主要是由于，早期的电力机车直接采用直流电机，直接由电网驱动。由于电力机车电压受直流牵引电动机换向条件的限制，接触网电压很难大幅度提高。较低的电压决定了接触网需要输送大量的电流，为减小线路损耗并维持合适的电压水平，通常接触网耗费有色金属量较大，同等距离，牵引变电所的数目也比交流电压下的牵引变流器更多。直流制的这些弱点，推动了交流制的研究。20 世纪初，工频三相交流制和低频单相交流制相继出现。工频三相交流制曾在意大利应用，由接触网输送三相中的两相，另一相接地。后因两相接触网结构复杂、维护困难被淘汰。低频单相交流制则在德国、瑞典、瑞士等国得到发展。这种电流制接触网电压一般为 15000V，在电力机车上降压，使用单相整流子牵引电动机。交流制的接触网比直流制的简单得多，牵引变电所的设置间距也加长。采用低频的主要原因是整流子牵引电动机换向困难，不适宜于在工频运转。低频制需要低频电源，所以低频制电气化铁路必须建设专用低频发电厂，或者在牵引变电所将电力系统送来的工频电压降压并变频。目前，依然有一些三相低频线路得以保留运行，其中一部分机车采用了更为通用的 AC/DC/AC 变流器驱动三相电机运行。 2 机车牵引变流器中直流侧二次脉动的分析及无源滤波方案 2.1 二次脉动电压成因及其定量计算 在输入的瞬时瞬时功率为二次脉动的条件下，单相整流器的输入电流以及直流母线的电压均会存在二次以及二的倍频次的谐波，其中依然以二次脉动为主。铁路电网是单相交流接触网，而单相整流即使达到输入电流无低次谐波，功率因素为一的理想运行情况，输入的瞬时功率仍然存在脉动的二次无功功率，从而造成直流母线电压的二次脉动，为了消除电压脉动就需能量存储单元对该二次无功功率进行补偿。一般而言，有无源滤波和有源滤波两大类方法。传统的无源滤波的方法是直流母线两端并联大电容或 LC 谐振电路来抑制直流电压脉动。对机车牵引系统，使用 LC 谐振电路的情况较多，其主要思路是设定谐振电路的谐振频率为 100 Hz，形成对脉动功率的零阻抗回路，使得所有的脉动功率从谐振电路上流通。理想情况下，直流母线脉动电压可以完全消除。LC 谐振电路的主要缺点在于，由于电压脉动频率较低，用于滤波的 LC 比较大，功率密度较低。另外，LC谐振电路对参数偏移和基波频率漂移非常敏感，当 LC 谐振频率与谐波源频率存在失配时，不仅滤波效果会有降低，直流母线的支撑电容和 LC 谐振电路之间会产生一定的二次谐波环流；另外 LC 电路中，电容的电压峰值高于直流母线电压，