牽引供電系統(tǒng)有源濾波器寬頻帶諧波擾動抑制方法研究

摘 要：牽引供電系統(tǒng)中的換流器、大功率直流負荷等設備會產(chǎn)生諧波電流，與多個環(huán)節(jié)諧波阻抗交互形成諧振點匹配，將導致嚴重諧振事故。因此，提出牽引供電系統(tǒng)有源濾波器寬頻帶諧波擾動抑制方法。選用高精度諧波檢測儀，利用內(nèi)置算法計算各次諧波的幅值，通過傅里葉變換，獲取寬頻帶諧波的幅值分布信息，得到寬頻帶諧波總畸變率。根據(jù)提取的諧波幅值，通過逆FFT方法，將補償信號轉(zhuǎn)換回時域，并疊加到原信號上以實現(xiàn)諧波抑制。測試結(jié)果表明，所提方法能夠有效降低牽引供電系統(tǒng)中的諧波含量，保障牽引供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，具有良好的工程應用價值。

關鍵詞：牽引供電系統(tǒng)；有源濾波器；寬頻帶；諧波擾動

中圖分類號：TN713" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）06-0085-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.06.022

0" " 引言

隨著現(xiàn)代電力電子器件開關頻率的不斷提升，電力機車交流傳動系統(tǒng)所引發(fā)的高次諧波問題日益凸顯，對牽引供電系統(tǒng)構成了嚴峻挑戰(zhàn)。這些諧波不僅導致了車網(wǎng)諧振、電力設備受損及通信線路受擾等嚴重后果，還嚴重威脅著電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性[1]。盡管國內(nèi)外在有源電力濾波器諧波擾動抑制領域已取得一定的研究成果，但傳統(tǒng)諧波抑制方法仍存有明顯局限。例如，文獻[2]方法聚焦于電網(wǎng)諧波抑制，考慮到無源濾波器在諧波抑制方面的原理，提出一種有源電力濾波器（APF）的諧波阻抗控制策略。該策略的核心在于對APF支路特定頻率下的阻抗進行調(diào)節(jié)，以此實現(xiàn)對電網(wǎng)背景諧波電壓的有效抑制，但在面對寬頻帶諧波擾動時，其抑制效能顯著下降。而文獻[3]方法運用LLCL無源濾波器對諧波限值的適應性展開研究，根據(jù)單相諧波濾波等效電路的幅頻特性，達到的效果接近定頻空調(diào)（線性負載）所呈現(xiàn)的效果；但在負載電流不均衡或電壓波動情況下，難以有效降低牽引供電系統(tǒng)中的諧波水平。

鑒于此，本文聚焦于牽引供電系統(tǒng)中寬頻帶諧波擾動的抑制難題，深入探索更高效、穩(wěn)定的有源濾波器抑制策略，旨在為電力系統(tǒng)的技術進步與穩(wěn)定運行貢獻力量。

1" " 牽引供電系統(tǒng)中寬頻帶諧波檢測

在牽引供電系統(tǒng)的諧波檢測過程中，鑒于寬頻帶諧波可能源自電力機車、牽引變壓器及接觸網(wǎng)等設備的非線性特性和多變的運行工況，需要依據(jù)實際情況，選用能夠覆蓋寬頻帶范圍的高精度諧波檢測儀，如Fluke 435型電力質(zhì)量分析儀，該儀器具有較高的采樣率，能精確捕捉并測量高次諧波[4-5]。

將諧波檢測儀通過專用的電流互感器（CT）和電壓互感器（PT）連接到牽引供電系統(tǒng)的關鍵節(jié)點，如變壓器出口、饋線末端等，確保連接牢固且電氣隔離良好，以避免對檢測結(jié)果產(chǎn)生干擾[6]。連接完成后，需對諧波檢測儀進行參數(shù)設置，如表1所示。通過參數(shù)設置，適應不同工況下的諧波檢測需求。

啟動諧波檢測儀，隨即進行現(xiàn)場檢測。在這一階段，諧波檢測儀將自動執(zhí)行以下流程：

首先，儀器會連續(xù)采集并記錄牽引供電系統(tǒng)中的電流和電壓波形數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)是評估諧波狀況的基礎。對于電流數(shù)據(jù)，儀器會利用內(nèi)置算法計算各次諧波的幅值[7]。這一計算過程依賴于以下公式：

A=（1）

式中：A表示電流諧波幅值；N表示采樣點數(shù)；ik表示第k個采樣點的電流值；h表示諧波次數(shù)；f表示諧波頻率；Ts表示采樣間隔。

完成數(shù)據(jù)采集后，進入數(shù)據(jù)處理階段。利用頻譜分析方法，對采集到的諧波數(shù)據(jù)進行深入分析，以獲取諧波的幅值分布信息。這一分析過程的核心是傅里葉變換，其公式如下：

X（r）=Ae" " " " "（2）

式中：X（r）表示變換后的頻域序列，即第r個頻率索引處的幅值。

通過傅里葉變換可以得到各次諧波的幅值，進而計算諧波總畸變率THD，公式如下：

THD=X（r）m/X（r）j" " " " " " " " " " " " （3）

式中：X（r）m表示第m次諧波成分幅值；X（r）j表示基波幅值。

2" " 有源濾波器寬頻帶諧波擾動補償抑制

設計有源濾波器的頻率響應特性，確保其在目標頻率范圍具有足夠的增益以有效抑制諧波[8]。濾波器的頻率響應特性可通過傳遞函數(shù)H（？覣）來描述，其一般形式為：

H（？覣）=A（？覣）/[THD？覣T（？覣）]" " " " " " （4）

式中：A（？覣）表示增益函數(shù)，它決定了濾波器在不同頻率下的放大倍數(shù)；？覣表示角頻率；T（？覣）表示時間常數(shù)函數(shù)，與濾波器的動態(tài)響應速度相關。

通過調(diào)整A（？覣）和T（？覣），可以優(yōu)化濾波器的頻率響應，使其更加貼合諧波抑制的需求。

在上述濾波器頻率響應特性設計完畢后，設計有源濾波器的寬頻帶諧波擾動補償抑制算法。首先按照式（2），識別并提取目標諧波成分，根據(jù)提取的諧波成分計算補償信號。為了抑制諧波，生成一個與目標諧波成分大小相等、相位相反的補償信號。根據(jù)提取的目標諧波總畸變率THD及目標諧波成分相位，獲取ρ次諧波的補償信號在頻域中的表示Y[ρ]。然而，由于濾波器在不同頻率下的增益和相移不同，根據(jù)濾波器的傳遞函數(shù)H（？覣）調(diào)整補償信號，設置信號相移為A（ω0），ω0為基波角頻率，經(jīng)過濾波器調(diào)整后的諧波補償信號在頻域中的表示為：

Y′[ρ]=H（？覣）×e×Y[ρ]" " " " " "（5）

通過逆FFT方法，將補償信號轉(zhuǎn)換回時域，將補償信號Y′[ρ]疊加到原信號上，得到經(jīng)過諧波抑制后的信號，以實現(xiàn)諧波抑制。

通過寬頻帶諧波擾動補償抑制算法處理后的結(jié)果可以表示為：

x（n）=Y′[ρ]H（？覣）X（r）e" " " "（6）

3" " 實驗分析

3.1" " 實驗準備

本次實驗選取的樣本對象為牽引供電系統(tǒng)中的一段實際運行線路，該線路搭載了電力機車，并通過有源電力濾波器（APF）進行諧波抑制。實驗所用的APF為并聯(lián)型有源電力濾波器，其設計參數(shù)如表2所示。

牽引供電架構如圖1所示。

圖1中，城市電網(wǎng)作為電力的源頭，為整個牽引供電系統(tǒng)提供電能。高壓供電系統(tǒng)從城市電網(wǎng)獲取電力，并將其傳輸?shù)綘恳╇娤到y(tǒng)。牽引供電系統(tǒng)是核心部分，其中主變電所負責將高壓電進行降壓處理，轉(zhuǎn)換為適合牽引供電的電壓等級，將電能傳輸給牽引變電所。牽引變電所在主變電所的基礎上進一步調(diào)整電壓、電流等參數(shù)，以滿足列車運行的需求。牽引變電所通過饋線將電能輸送到接觸網(wǎng)，接觸網(wǎng)與列車的受電弓直接接觸，為列車提供電力。在列車運行過程中，電流通過軌道回流，回流線則將軌道中的回流電流收集起來，形成一個完整的電路回路，從而保證牽引供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。有源濾波器寬頻帶諧波擾動抑制方法則作用于這個系統(tǒng)中，對各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的諧波進行抑制，確保電能質(zhì)量，保障牽引供電系統(tǒng)的高效、安全運行。實驗步驟如下：

1）信號準備：實驗中采用了一個模擬的諧波源，用于產(chǎn)生寬頻帶的諧波擾動。該諧波源能夠產(chǎn)生3次、5次、7次等多種諧波分量，以模擬電力機車在實際運行中可能產(chǎn)生的諧波，確保信號中的諧波成分具有一定的復雜性，能夠涵蓋多個諧波次數(shù)，以充分測試諧波抑制方法的有效性。

2）諧波幅值測量與分析：將高精度諧波檢測儀連接到信號源輸出端，啟動諧波檢測儀，利用其內(nèi)置算法計算各次諧波的幅值。然后通過內(nèi)置的傅里葉變換功能，將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域信號，記錄下各次諧波的幅值以及寬頻帶諧波總畸變率。這些數(shù)據(jù)將作為后續(xù)生成補償信號的依據(jù)。

3）補償信號生成與轉(zhuǎn)換：根據(jù)測量得到的諧波幅值，按照諧波抑制原理生成補償信號。利用逆FFT方法將在頻域生成的補償信號轉(zhuǎn)換回時域。

3.2" " 實驗結(jié)果

按照實驗條件配置的要求，安裝并調(diào)試并聯(lián)型有源電力濾波器（APF）。在APF投入運行前后，分別測量并記錄電網(wǎng)中的電流與諧波成分數(shù)據(jù)。圖2展示了APF啟用前后的電流波形對比。

圖2的對比結(jié)果表明，APF的投入運行提高了電能質(zhì)量，使得電網(wǎng)中的電流更加平滑，降低了諧波對系統(tǒng)設備的不良影響。

對比本文提出的諧波擾動抑制方法和文獻[2]、[3]提出的兩種傳統(tǒng)諧波抑制方法投入后的諧波抑制效果，結(jié)果如圖3所示。

由圖3的仿真實驗結(jié)果可知，本文所提出的寬頻帶諧波擾動抑制方法能夠有效降低牽引供電系統(tǒng)中的諧波含量，總諧波畸變率顯著降低。在APF投入運行后，電網(wǎng)中的諧波成分顯著降低，高次諧波的含量得到了有效抑制。

4" " 結(jié)束語

本文深入研究了有源濾波器（APF）在牽引供電系統(tǒng)中的寬頻帶諧波擾動抑制方法，有效降低了電網(wǎng)中的諧波含量，顯著提高了電能質(zhì)量，為牽引供電系統(tǒng)的穩(wěn)定運行提供了有力保障。展望未來，我們將繼續(xù)深化研究，探索更加高效、智能的諧波抑制技術，為鐵路行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展貢獻更多力量。

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收稿日期：2024-12-10

作者簡介：羅文田（1976—），男，陜西西安人，碩士，副教授，研究方向：智能車載平臺、圖像識別。