[发明专利]一种有源滤波器及消除列车直流母线二次谐振的方法

说明书

本发明公开了一种有源滤波器及消除列车直流母线二次谐振的方法，所述有源滤波器包括具有升降压功能的双向DC/DC变换器，滤波电感及储能电容。依据功率平衡原理，当母线电压二次脉动完全被补偿时，需要控制单相整流器输出的二次脉动功率与有源滤波器补偿的二次脉动功率大小相等，方向相反。根据实际系统检测的电压、电流等电气量，进行闭环控制，保证了补偿效果与列车实际运行时的系统动态响应能力，提高了系统的稳定性。可以替代传统的无源LC滤波环节，能够克服无源滤波只能补偿固定频率谐波的缺点，可以适应复杂的电网环境，比传统方法效果更理想。该替代二次谐振的装置可以减小牵引传动系统的体积和重量，降低了成本并且提高变流器的功率密度。

技术领域

本发明涉及轨道交通单相供电系统，尤其涉及车载牵引变流器交-直-交系统。

背景技术

单相变换器因其结构简单、可靠性强、效率高等特点不仅在机车牵引变流器系统，同时还在不间断电源、光伏并网、级联多电平变换器、多相交流传动、航空航天电源等多种电力电子系统中得到了广泛的应用。目前世界高速列车大多数采用现代交流传动系统，牵引传动系统的交-直部分，采用四象限运行的单相PWM整流，可将机车制动时的能量回馈给电网，同时使得系统具有较高的功率因数。然而，单相系统会产生固有的二次脉动功率，使直流母线电压出现二次低频脉动，危害整个列车牵引系统。

传统的无源滤波直接在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。由于电压脉动频率较低，用于滤波的LC比较大。LC谐振电路对参数偏移和基波频率漂移敏感，当LC谐振频率与谐波源频率严重失配时，会在直流支撑电容和LC谐振电路之间产生二次谐波环流，同时LC谐振电路存在过电压、过电流现象，电容电压高于直流母线电压。为降低参数偏移对滤波效果的影响，同时由于谐振电感功率密度低，工程实际设计电路时，常选取较大的电容值。大容值、高电压等级使得电容成本升高。因此传统方式降低了整个系统的可靠性和功率密度，同时提高了成本。

发明内容

本发明提供一种有源滤波器及用于消除列车直流母线二次谐振的方法，以解决传统无源LC谐振装置的固有缺点，进而提高整车功率密度，降低成本。

本发明涉及一种直流侧有源滤波器(DC-APF)(双向Buck/Boost变换器)，包括：具有升降压功能的双向DC/DC变换器，滤波电感Ls和用于补偿前级整流器直流侧输出二次脉动功率的储能电容Cs；所述双向DC/DC变换器由上下两个开关管组成，每个开关管包括IGBT和反并联二极管；

所述双向DC/DC变换器中上IGBT管的集电极与直流正母线连接，上IGBT管的发射极与下IGBT管的集电极连接，双向DC/DC变换器(半桥逆变器)的半桥中点接滤波电感Ls的一端，滤波电感Ls的另一端与储能电容Cs串联式连接，储能电容Cs的另一端接直流负母线，双向DC/DC变换器中下IGBT管的发射极与直流负母线连接。

所述直流侧有源滤波器工作过程包括：当前级整流器输出的二次脉动电流由负向最大值变到正向最大值(以电流从整流器输出至后级逆变器负载方向为正)时，双向DC/DC变换器上IGBT管或与下IGBT管反并联的二极管处于导通状态，直流侧有源滤波器工作于Buck模式降压交流斩波状态，二次脉动电流从整流器流向储能电容Cs，DC-APF吸收二次脉动功率，储能电容Cs充电，电压以正弦规律升高，电压从最低点脉动至最高点，脉动频率为100Hz；当前级整流器输出的二次脉动电流由正向最大值变到负向最大值时，下IGBT管或与上IGBT管反并联的二极管处于导通状态，直流侧有源滤波器工作于Boost模式升压状态，电流从储能电容Cs流向整流器，DC-APF释放二次脉动功率，储能电容Cs放电，电压以正弦规律降低，电压从最高点脉动至最低点，脉动频率为100Hz。