电铁谐波综合治理设计思路探索

    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 


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。
　　证明：方波经整形、分解成：Isqu＝Isin＋Idis－Idis＝Isin，标准工频正弦波，再经倒相、上移、倒相由AF逆变器IAF＝－Adis，再经过合成在共用母线上合成：Isqu＋IAF＝Isin＋Idis－Idis＝Isin。
　　启示：从上面方波、整形、分解、倒相、上移、倒相、合成的过程中，还可精炼一些步骤。从分解将整形后的方波、分解、剥离后，可直接将分离出的畸变分量Idis（1＋2＋3曲线），下移“－1”就直接得到倒相AF逆变产生的滤波电流IAF＝－Idis。
　　证明：从逻辑数学原理，从倒相、上移“＋1”，再倒相等于不倒相，直接下移“－1”即可。
　　新思路：可否利用电力电子逻辑电路实现整形、分解后再直接下移“－1”得到倒相Iaf？不防一试！
　　从上述有源AF的滤波原理逻辑分析可以归纳出二个联立方程：
　　牵引供电臂上畸变负荷电流（方波）：Isqu＝Isin＋Idis（14）牵引供电臂上无源AF逆变电流：Iaf＝－Idis（15）
　　显然，只要简单地进行数学处理：（14）＋（15）式得
Isqu＋IAF＝Isin＋Idis－Idis＝Isin（16）
即可达到滤波目的，抵消掉畸变负荷电流Isqu中的畸变分量Idis，而得到标准正弦波，而且并不存在从27．5kV供电臂到110 kV电力系统的分流问题，也不存在无源PF设备的LC支路与110 kV电力系统谐波放大甚至谐振的威胁问题，还具有可节省大量L、C、R等有效材料，占地面积少等优点，但是有源AF滤波原理的核心所在是首先要将畸变负荷电流进行分解，得到畸变分量Idis，并“立即”（强调立即）跟踪逆变产生一个－Idis＝IAF，然后与原畸变负荷电源Isqu相加得到标准正弦波，但问题正在这里，“立即跟踪”并立即逆变出Idis的“立即”是很难做到的，而供电臂上负荷畸变电流是随时随地的变化着，有时还是十分快速的变化，这就是要求极快的采样、检测、控制技术及大功率电力电子开关，GTO或IGBT，前者提高滤波效果，后者增加滤波容量，而恰恰就是在这两方面，有源AF的相关技术还不很成熟，高电压，大容量还做不上去，这就限制了有源AF的发展，有待进一步完善，提高。此外，在逻辑分析的分解过程中，也提出了一些有挑战性的问题，值得大家去思考去探索。
4．3　无源滤波与有源滤波的技术性能及成本的比较
　　由上节可知，PF和AF的滤波原理是极不相同的，前者是属于传统电工技术领域（LC串联谐振原理），而后者属高新电力电子技术领域（GTO或IGBT＋PWM控制技术逆变原理），当然，传统的技术实践的时间较长（70多年），技术成熟、应用广泛，而“高新”的技术时间较短（才20余年），技术还不太成熟，应用也不太广泛。
　　就目前工业应用而言，PF以其投资少、效率高、原理单一、结构简单、运行可靠、维护方便等优点而在钢铁、冶金、石油、化工、矿山、机械、地铁、电铁、原子能、磁悬浮列车等领域获得了广泛应用，但缺点是其滤波特性受电力系统参数的影响较大，而且难免谐波放大，甚至与系统发生谐振危及电网安全，而且只能滤掉几个特定的主谐波，有时滤波要求与无功补偿，电压调节难以协调，单独PF难以避免无功倒送，电压升高，谐波放大，针对某一谐波源的PF投入运行后，随着公用电网背景谐波的增大，可引起该PF的过载，甚至烧毁。此外，PF滤波器，R、L、C消耗大量有效材料，体积大，占地多，针对PF这些缺点，于20世纪80年代才发展起来的有源AF，虽然能够逐步克服它们，尤其是AF的滤波效果与电力系统谐波阻抗无关，即AF可利用不同的漏磁通，在电力系统与谐波源之间形成一道隔离防线（对工频呈低阻抗，对谐波呈高阻抗），从而还克服了与系统谐波放大甚至谐振的危险。但目前无论是采样、检测技术（提取基波分量法，FFT数字化分析法，瞬时空间矢量法）还是PWM控制技术（滞环比较控制、三角载波线性控制、无差拍控制）在工程实践上，都还不太十分成熟，有待进一步改进、完善，再加上其成本太高，每kvar造价是无源PF的6至10倍，而且运行、维护远比无源PF复杂，尤其高电压大容量的有源AF要受到GTO、IGBT等电子开关频率的限制更难制作。国外20世纪90年代初AF只作到6．6 kV，2 000 kvar，以后又提高到66 kV，上万kvar，国内单台AF容量只能做到低压500 kvar，必须通过变压器才能接到6～10 kV高压，而随着工业大量电力电子非线性负荷的投入，谐波超标越来越严重，要求滤波的容量越来越大，这是目前“有源”AF难以满足的，为此，国外在20世纪80年代中期就提出了以无源为主有源为辅的组合滤波方式，并用于轧机与电弧炉系统。值得重视的是，20世纪90年代中期，中国纪延昭、黄瀚等学者提出了一种新型非跟踪检测型有源滤波器——广义有源滤波器，它通过改变逆变器输出波形的频谱分布，使其接近于正弦波，从而达到滤波的目的，因为采用了非跟踪控制，所以其控制系统比较简单，是一种构思较新颖实用的有源滤波器，但目前尚处于仿真、试验、推出小样机的阶段，离投入工业运行还有待进一步改进与完善。
5　综合治理电铁谐波的方案
　　由于电铁牵引负荷的“四非”特性——非线性（大功率整流设备）、非正弦性（波形畸变）、非对称性（单相大功率负荷）、非连续性（有功、无功冲击严重、电压波动大），其谐波、负序等电力公害不仅危及共用电网其它用户的安全生产，还会危及电铁系统自身的安全与可靠运行。因此，英、美、法、德、日等发达国家，甚至澳大利亚、南非都加大了对电铁谐波、负序等公害治理的力度，广泛采用了SVC（TCR＋PF）或SVC（TCR＋PF＋AF）的综合治理方案，获得了不少实践经验。此外，根据国际“电磁兼容”的要求，法国就在8K电力机车上安装了数千kvar的PF滤波器，以减少机车大功率整流设备产生的谐波，克服对电子通讯及共用电网其它用户的干扰，欲达到同一电网供电，彼此互不干扰、“电磁兼容”的目的，但效果并不理想。
    国内虽在20世纪80年代就开始研究电铁谐波的治理，20世纪90年代还举行过几次专家论证，也就电铁谐波治理达到一定的共识，但由于某些客观和主观的因素影响到至今尚未正式开展综合治理，自1984年以来，导致北京、张家口、驻马店、信阳、晋东南、遵义大面积停电，设备烧毁等恶性事故，这个教训是值得深刻检讨的，但就在“电铁公害”难以治理的情况下，华北电力科学院、河南电力试验研究所、西北电力试验研究院、铁道研究院、西南交大等也相继提出了云南永丰营、河南汤阴、江西威舍、广西百色、河北柳新庄等电铁牵引站治理方案，有的还付诸实践进行了治理，如清华大学与河南电力试验研究所为稳定河南电网电压，合作开发了±20 Mvar新型静止无功发生器（SVG，也称STATCOM），采用四重化共48只GTO的电压型逆变器以消除12K±1（K＝1、2、3……）以上的特征谐波，并支撑、稳定河南电网电压，免受河南电铁的间隙性无功冲击的电压波动影响，于1999年4月投入运行，成为中国SVG技术应用的先驱。此外，四川省电力局与四川大学合作，提出了成昆电铁凉山段电能质量综合治理的可行性研究报告，为一揽子解决10个牵引站的一个220 kV变电站的谐波、负序等公害问题，为下一步AVG系统工程设计打下了基础。
　　就专门进行谐波负序综合治理的企业而言，东北荣信公司在20世纪90年代末就完成了西北某电铁牵引站无源滤波器的设计制造，投入运行后，又于2001年与陕西银河中试测量公司合作，承担了陕西神朔两个电铁牵引站共7．6万kvar的SVC（TCR＋PF）工程的设计制造任务，已于2002年7月底调试投运成功，8月10日移交正式运行，从而揭开了大容量SVC综合治理电铁谐波的序幕。
　　笔者在20世纪80年代初留欧期间引进BBC（现ABB）公司的SVC（TCR＋FC）成套工程设计制造技术，填补了国内在该技术领域的空白（1992年获国家机电部科技进步一等奖及国务院突出贡献特贴专家荣誉），并结合国内外SVC工程实践经验，考虑模糊相关及加权处理的四参数补偿容量QW的精密算法。在对某工程的实测中，QW算法的预测结果与实测结果的接近程度优于国际先进国家的预测计算水平。20多年来对铜川铝厂、楚雄铁合金厂、耀县水泥厂、长江电机厂轧机、宣威磷化工厂以及电弧炉、电热炉、中频炉等谐波、负序综合治理的检测、设计或安装调试、运行中探索到一些经验，并收集了不少电铁牵引站谐波、负序电能指标的实测数据。