一种电气化高速铁路线路高次谐波滤除系统的制作方法

本实用新型涉及高压电设备检测技术领域，具体涉及一种电气化高速铁路线路高次谐波滤除系统。

背景技术：

近年来，高速电气化铁路在我国发展十分迅速，随着大量动车组(交直交机车)在高速铁路上应用，交直交机车(交直交电力传动机车)与牵引网之间的匹配关系问题日益突出，主要表现为机车和牵引网之间的高次谐波谐振问题。

传统的交直型机车(交直型电力机车)在我国电气化铁路中得到广泛应用，交直型机车具有功率因数低，低频段谐波含量大的特点。随着电力电子技术的进步，基于gto、igbt、igct等全控型器件的交-直-交技术在电力机车和动车组中得到广泛应用，功率因数接近1，同时3、5、7次等低频段的谐波电流显著降低，而在更高频率段(如20次以上)的高次谐波有所增加。当高次谐波频率与牵引供电系统谐振频率相等或相近，并且幅值超过一定限值时，该谐波频率的电压、电流就会被放大，产生过电压，容易造成接触网(如避雷器，电容器)设备烧损及停电事故，影响铁路系统安全可靠运行。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型实施例提供一种电气化高速铁路线路高次谐波滤除系统，以实现。

为实现上述目的，本实用新型实施例提供如下技术方案：

一种电气化高速铁路线路高次谐波滤除系统，包括：

测量器，用于测量电网的电流、电压以及功率，所述电网上运行有预设负载；

指令电流运算电路，所述指令电流运算电路的第一输入端与所述测量器的输出端相连；

电流跟踪控制电路，所述电流跟踪控制电路的输入端与所述指令电流运算电路的控制信号输出端相连；

驱动电路，所述驱动电路的输入端与所述电流跟踪控制电路的输出端相连；

变流器，所述变流器的第一端与所述电网的第一相线相连，所述变流器的第二端与所述电网的第二相线相连，所述变流器的控制开关的控制端与所述驱动电路的输出端相连。

可选的，上述电气化高速铁路线路高次谐波滤除系统中，还包括：

变压器，所述变压器的主绕组的第一端与电网的第一相线相连，所述变压器的主绕组的第二端与电网的第二相线相连；

所述变流器的第一端与所述变压器的辅助绕组的第一端相连，所述变流器的第二端与所述变压器的辅助绕组的第二端相连。

可选的，上述电气化高速铁路线路高次谐波滤除系统中，所述测量器包括：

互感器，所述互感器与所述电网的第一相线耦合，用于采集所述第一相线上的电信号；

电流、电压测量仪，所述电流、电压测量仪的输入端与所述互感器的输出端相连，所述电流、电压测量仪的输出端与所述指令电流运算电路的输入端相连；

功率分析仪，所述功率分析仪的输入端与所述互感器的输出端相连，所述功率分析仪的输出端与所述指令电流运算电路的输出端相连；

锁相环，所述锁相环的输入端与所述互感器的输出端相连，所述锁相环的输出端与所述指令电流运算电路的输出端相连。

可选的，上述电气化高速铁路线路高次谐波滤除系统中，所述驱动电路为spwm驱动电路。

可选的，上述电气化高速铁路线路高次谐波滤除系统中，spwm驱动电路为具有spwm驱动信号输出功能的dsp芯片或fpga芯片。

可选的，上述电气化高速铁路线路高次谐波滤除系统中，所述变流器为级联h桥多电平变流器。

可选的，上述电气化高速铁路线路高次谐波滤除系统中，所述级联h桥多电平变流器包括：

第一单相全桥电路，所述第一单相全桥电路的第一端作为所述级联h桥多电平变流器的第一端；

第二单相全桥电路，所述第二单相全桥电路的第一端与所述第一单相全桥电路的第二端相连，所述第二单相全桥电路的第二端作为所述级联h桥多电平变流器的第二端；

第一电容，所述第一电容的第一端与所述第一单相全桥电路的第三端相连，所述第一电容的第二端与所述第一单相全桥电路的第四端相连；

第一电阻，所述第一电阻与所述第一电容并联；

第二电容，所述第二电容的第一端与所述第二单相全桥电路的第三端相连，所述第二电容的第二端与所述第二单相全桥电路的第四端相连；

第二电阻，所述第二电阻与所述第二电容并联。

可选的，上述电气化高速铁路线路高次谐波滤除系统中，所述第一电容和所述第二电容的输出电压相等。

可选的，上述电气化高速铁路线路高次谐波滤除系统中，还包括：

第一电感和滤波电阻；

所述第一电感和滤波电阻设置于所述变压器的辅助绕组的第一端与所述变流器的第一端之间，所述第一电感的第一端与所述变压器的辅助绕组的第一端相连，所述第一电感的第二端与所述滤波电阻的第一端相连，所述滤波电阻的第二端与所述变流器的第一端相连。

可选的，上述电气化高速铁路线路高次谐波滤除系统中，所述电网为具有非线性负载的电网。

基于上述技术方案，本实用新型实施例提供的上述方案，通过测量器对电网运行数据进行采集，所述指令电流运算电路基于测量器采集结果计算得到电网的谐波和无功电流，将所述谐波和无功电流的进行反极性处理后发送至电流跟踪控制电路，电流跟踪控制电路响应所述指令电流运算电路，生成与所述指令电流运算电路的输出信号相适配的触发脉冲信号，将所述触发脉冲信号下发至驱动电路，所述驱动电路输出与所述触发信号相匹配的pwm控制信号，变流器基于所述pwm控制信号控制自身的工作状态，产生补偿电流，将所述补偿电流加载至电网侧，以抵消电网因负载产生的谐波和无功电流，最终使得电网侧只含有基波有功分量，保证了列车安全可靠的运行。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例公开的电气化高速铁路线路高次谐波滤除系统的基本结构示意图；

图2为本申请实施例公开的电气化高速铁路线路高次谐波滤除系统的原理示意图；

图3为本申请另一实施例公开的电气化高速铁路线路高次谐波滤除系统的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

为了滤除电网中的高次谐波，本申请公开了一种电气化高速铁路线路高次谐波滤除系统，参见图1，该装置可以包括：

测量器10、变流器11、指令电流运算电路12、电流跟踪控制电路13和驱动电路14；

其中，所述测量器10用于检测电网的工作状态，以得到电网的运行状态参数，所述电网上运行有预设负载，这些运行状态参数可以包括电网的电流信号、电压信号以及功率信号，这些参数用于计算得到电网的谐波和无功电流，具体的，所述测量器10所采集到的电网的参数的具体类型可以依据所述指令电流运算电路12的需求自行设定；

所述指令电流运算电路的第一输入端与所述测量器的输出端相连，在本方案中，所述指令电流运算电路用于基于所述测量器10检测到的电网的运行状态参数计算得到电网的谐波和无功电流，将所述谐波和无功电流的进行反极性处理后发送至电流跟踪控制电路13；

所述电流跟踪控制电路的输入端与所述指令电流运算电路的控制信号输出端相连；所述电流跟踪控制电路13响应所述指令电流运算电路12，生成与所述指令电流运算电路12的输出信号相适配的触发脉冲信号，将所述触发脉冲信号下发至驱动电路；

所述驱动电路的输入端与所述电流跟踪控制电路的输出端相连，所述驱动电路在获取到所述电流跟踪控制电路13下发的触发脉冲信号时，输出与所述触发信号相匹配的pwm控制信号；

所述变流器的第一端与所述电网的第一相线相连，所述变流器的第二端与所述电网的第二相线相连，所述变流器的控制开关的控制端与所述驱动电路的输出端相连，所述变流器基于所述pwm控制信号控制自身的工作状态，产生补偿电流，将所述补偿电流加载至电网侧，以抵消电网因负载产生的谐波和无功电流，最终使得电网侧只含有基波有功分量。

下面基于图1和图2对本申请公开的上述方案的实现原理进行说明：

图2是本申请公开的系统的原理图，其中，图1中，us为接触网电压，is为网侧电流，il为负载电流，if为补偿电流/谐波测试电流，非线性负载为机车等谐波源。负载电流的表达式为：

il＝ip+iq+ih

ip为基波有功电流，iq为基波无功电流，ih为负载谐波电流。所述指令电流运算电路内具有谐波检测电路和无功检测电路，当需要补偿负载的谐波和无功电流时，所述谐波检测电路和无功检测电路可以基于所述测量器10的采样结果计算得到所述为基波有功电流ip、基波无功电流iq以及负载谐波电流ih，然后基于基波有功电流ip、基波无功电流iq以及负载谐波电流ih计算出负载电流中的谐波和无功电流含量，将其反极性后作为补偿电路的指令信号，通过电流跟踪控制电路触发驱动电路，驱动电路产生用于控制变流器的工作状态的控制信号，所述变流器在所述驱动电路的控制下，输出补偿电流，将该补偿信号加载到电网侧，抵消负载的谐波和无功电流，最终使得电网侧只含有基波有功分量，从而保证的列车的安全可靠运行。

上述方案中，具体可以通过以下计算方式计算得到谐波和无功电流，

可以构造一个虚拟的α-β坐标系。isp为有功电流，isq为无功电流。

e为模拟牵引网电源电压有效值，ω为基波角频率，t为采样时间，为初相位，依据公式：

通过坐标变换，将静止坐标系下的变量，转换为旋转矢量，可以得到旋转坐标系下的有功电流ip和无功电流iq。如下式所示：

当n＝1时代入上式计算的基波有功电流i1p和基波无功电流i1q分别为:

在网侧电流is中减去基波有功电流i1p，就可以得到谐波和无功电流，可知各次谐波电量含量。

本申请实施例公开的上述方案，除了可以用于消除电网侧的谐波和无功电流之外还可以测量线路的阻抗特性，当测量线路阻抗特性时，可手设置注入所述指令电流运算电路的谐波电流频率和谐波幅值，其中，注入的谐波电流频率和谐波幅值可以依据用户需求自行设置，经过指令电流运算电路和驱动电路以后控制所述变流器产生谐波注入电流，将所述谐波注入电流注入电网侧，通过所述测量器检测网侧电流值和电压值，进而依据测的电流值和电压值即可判断线路在测试频率范围内的特性阻抗值。

在本申请另一实施例公开的技术方案中，还公开了一种电气化高速铁路线路高次谐波滤除系统的具体结构示意图，参见图3，该装置还可以包括：

变压器15，所述变压器的主绕组的第一端与电网的第一相线相连，所述变压器的主绕组的第二端与电网的第二相线相连，所述变流器的第一端与所述变压器的辅助绕组的第一端相连，所述变流器的第二端与所述变压器的辅助绕组的第二端相连，在这里，所述变压器的主要作用为降压，所述变流器产生的补偿电流会通过所述变压器加载到所述电网侧，从而抵消负载的谐波和无功电流。

在本申请另一实施例公开的技术方案中，还公开了所述测量器具体结构，参见图3，所述测量器可以包括：

互感器101、电流、电压测量仪102、功率分析仪103和锁相环104；

互感器101，所述互感器与所述电网的第一相线耦合，用于采集所述第一相线上的电信号，所述互感器用于对所述电网的电流/电压等数据进行采样；

电流、电压测量仪102，所述电流、电压测量仪的输入端与所述互感器的输出端相连，所述电流、电压测量仪的输出端与所述指令电流运算电路的输入端相连，所述电流、电压测量仪102用于基于所述互感器的采样结果计算得到所述电网的电流值和电压值；

功率分析仪103，所述功率分析仪的输入端与所述互感器的输出端相连，所述功率分析仪的输出端与所述指令电流运算电路的输出端相连，所述功率分析仪用于依据所述互感器的采样信号计算得到所述电网的供电臂的功率值；

锁相环104，所述锁相环的输入端与所述互感器的输出端相连，所述锁相环的输出端与所述指令电流运算电路的输出端相连，所述锁相环用于检测电网侧电压的相位值，并生成与电网侧电压同频同相的单位正弦电压信号。

所述指令电流运算电路12，在获取到所述电网侧的电流值、电压值以及所述锁相环输出的单位正弦电压信号后，对这些信号进行运算，即可得到出负载电流中的谐波和无功电流含量。

在本申请实施例公开的技术方案中，所述驱动电路可以为spwm驱动电路，更为具体的，其芯片结构类型可以为dsp芯片或fpga芯片，所述dsp芯片或fpga芯片响应所述电流跟踪控制电路13输出的触发信号，生成具有spwm驱动信号以驱动所述变流器。

在本申请另一实施例公开的技术方案中，参见图3，所述变流器为级联h桥多电平变流器。具体的，参见图3，所述级联h桥多电平变流器具体可以包括：

第一单相全桥电路，所述第一单相全桥电路的第一端作为所述级联h桥多电平变流器的第一端，其中，在所述级联h桥多电平变流器中，每个单相全桥电路均由四个控制开关构成，且，每个控制开关反向并联一个二极管，四个开关管之间的连接关系可以参见图3所示，例如，所述第一单相全桥电路中的控制开关包括控制开关s11、控制开关s12、控制开关s21、控制开关s22，所述第二单相全桥电路中的控制开关包括控制开关s31、控制开关s32、控制开关s41、控制开关s42；

第二单相全桥电路，所述第二单相全桥电路的第一端与所述第一单相全桥电路的第二端相连，所述第二单相全桥电路的第二端作为所述级联h桥多电平变流器的第二端；

第一电容，所述第一电容的第一端与所述第一单相全桥电路的第三端相连，所述第一电容的第二端与所述第一单相全桥电路的第四端相连；

第一电阻，所述第一电阻与所述第一电容并联；

第二电容，所述第二电容的第一端与所述第二单相全桥电路的第三端相连，所述第二电容的第二端与所述第二单相全桥电路的第四端相连；

第二电阻，所述第二电阻与所述第二电容并联。

其中，所述级联h桥多电平变流器中的各个开关管均可以认为是理想开关管；第一电容c1和第二电容c2的电容大小相等；所述级联h桥多电平变流器的直流侧电压均为vo，两个变流器的输出电压相等，即vc1＝vc2＝vo，即，所述第一电容和所述第二电容的输出电压相等。

在所述电流跟踪控制电路13的控制下，利用交流侧反馈控制，可使得所述级联h桥型变流器的交流侧电流准确地跟踪if为补偿电流，从而实现对负载电流il谐波和无功电流的补偿，使得网侧电流is波形接近正弦并使网侧功率因数达到目标功率因数。

进一步的，在本申请实施例公开的技术方案中，还包括：

第一电感l1和滤波电阻rl；

所述第一电感和滤波电阻设置于所述变压器的辅助绕组的第一端与所述变流器的第一端之间，所述第一电感的第一端与所述变压器的辅助绕组的第一端相连，所述第一电感的第二端与所述滤波电阻的第一端相连，所述滤波电阻的第二端与所述变流器的第一端相连。

进一步对，上述方案中，所述电网为具有非线性负载的电网，所述非线性负载可以为列车或其他设备。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。