（电力系统及其自动化专业论文）8k型电力机车功率因数补偿系统的研究.pdf

：坐塑窒望叁堂型_ 。堂些造兰 一垒竺堡坚! 一 a bs t r a c t 下h e8 e l e c t r i c a ll o c o m o t i v e ，i m p o r t e df r o mf r a n c ei n1 9 8 4 ，i sa c d c p h a s e c o n t r o lc o m m u t a t el o c o m o t i v e t 沁p o w e rf a c t o rc o m p e n s a t i o nf p f c s y s t e mh a sb e e nf i x e dw i t ht h el o c o m o t i v e ，w h i c hi su s e da s3a n d5h a r m o n i c f i l t e r sa sw e l l ，f o ri t si m p r o p e ro r i g i n a ld e s i g n ，s u c hs y s t e mc a n tw o r kf o ra l o n gt i m e o nt h eb a s eo ft h e o r ya n a l y s i sa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o n ，t h i sp a p e rd e s i g n s as c h e m eo ft h ea d j u s t m e n to ft h em a i nc i r c u i tp a r a m e t e r si np f c t h i ss c h e m e c a r tr e d u c es o m eo ft h ep f c sc u r r e n tf e df r o mt h eo t h e rp a r to fe l e c t r i cp o w e r s y s t e m t h i sp a p e ra n a l y s e st h ei n c o n s e q u e n c eo ft h ei n t r i n s i cc o n t r o lp r i n c i p l ea n d b r i n g sf o r w a r dan e wc o n t r o lp r o j e c ta c c o r d i n gt ot h er e a c t i v ep o w e rw h i c h c o n t r o l st h eo n w o f fo r d e ro ft h es c ra n dt h es w i t c h i n gc o n d i t i o no fc o n t r 0 1 t h e s k e t c hm a po fh a r d w a r eo fh o wt oc a l c u l a t er e a c t i v ep o w e ro ft h ec o n v e r t o ri s r e f e r r e di nt h ep a p e r t h ed e s i g np l a na n dr e a l i z i n gw a yo ft h ea p p l i c a t i o n s o f t w a r ea r ep a r t i c u l a r l yd e s c r i b e d a tl a s t ，t h es o f t w a r ef l o wm a po fm o d u l e si s l i s t e d t h eo r i g i n a ls y s t e m ，w h i c hb a s e do na n a l o gc i r c u i t ，h a sm a n yf a u l t s ，e g 1 0 w e rc o n t r o lp r e c i s i o n , l o n g e rr e s p o n s et i m e + f o rt h e s er e a s o n s ，an e w m i c r o c o m p u t e rc o n t r o l l e ds y s t e m ( m c s ) i sd e s i g n e d ，w h i c hg e t sr i d so fs u c h f a u l t s t h en e wc o n t r o ls y s t e m ，w h i c hh a se n d u r e dt h et r a i nt r i a l ，v a l i d a t e si t s p r a c t i c a b i l i t y ，a n di ta l s om a k e s a p r e f e r e n c et oo t h e rl o c o m o t i v et y p e s k e y w o r d s ：e l e c t r i c a ll o c o m o t i v e ，r e a c t i v ep o w e r , p f c ，m c s 8 k 型i u j 机乍功率州数补偿系统的嗣f 兜 北方交通人学做l 学位论义 第一章绪论 第一章绪论 1 18 k 型电力机车功率补偿系统的运行现状 8 k 型电力机车是1 9 8 4 年中国向西欧5 ( ) 赫兹集团定购的2 b 一b 大型客货型交直相控型机车，数量达1 5 0 台之多。该车具有法 国相控机车的传统技术，又结合了西欧当时的研究成果，一定程度 上反映了当时西欧电力机车的技术水平，它的引进促使我国的电力 机车技术提高到一个新的水平。 相控机车具备平滑调压、闭环控制和再生制动等功能，但也有 功率因数低、谐波电流大等弱点。在国内外对电网的无功分量和谐 波限制愈来愈严格的要求下，8 k 电力机车在设计之初已经安装了 功率因数补偿滤波器自动投切系统，简称a f p ( 法文a m 6 l i o r a t i o r l dl if ac te u rd ep u js s a n c e ) ，并月兼作3 次、5 次谐波滤波器使用， 其设计目标是在电力机车发挥功率超过额定功率的一半时，机车功 率因数能够达到o 9 以上。但是，多年的运用结果表明，原设计中 的功补系统存在的问题较多，例如运行过程中故障率高、用于投切 控制的晶闸管开关烧损严重，投切控制曲线设计不合理等等，因此 该系统在引进后的十余年中，一直不能安全可靠地工作。 经过长期的跟车试验、测量和分析，目前，8 k 型电力机车功 补系统的运行现状可分为以下两个方面： ( 1 ) 由于功补系统在运行过程中经常产生跳主断故障，严重影 响了司机的j 下常操作以及机车的证常运行，致使司机多年来已经养 成习惯，即在丌车之前首先将功补系统的控制7 r 关转到切除位置， 使其全程不投入。因此，该系统在引进后的大部分时问内，普遍处 于不投入工作的状态，导致全线各变电所的平均功率因数都很低， 供电部门对其的罚款严重，造成巨大的经济损失。掘统计，出于功 8 k 型l u 儿机车功率斛数补偿系统的研究 北方交通人学坝 。学位论立 箱一章绻论 率因数低于规定值而造成的罚款在l9 9 5 年为2 1 0 0 万元，1 9 9 6 年 为l8 45 ， 元19 9 7 年为l3 13 力元，19 9 8 年为10 0 4 万元，l9 9 9 年为12 2 4 万元。 ( 2 ) 由于功率因数罚款问题严重，北京铁路局曾经几次对丰 台西及大同西电力机务段提出要求，将8 k 机车的功补系统投入使 用。功补系统投入使用一段时间后，功率因数虽有所提高，但却产 牛另一后果，就是晶闸管开关烧损严重，由此带来的直接和间接经 济损失也十分可观。大同西电力机务段粗略统计，在其段所属7 0 台8 k 机车中，几乎每天烧损一只晶闸管，年烧损率达到15 ，造 成较大的经济损失。 总之，8 k 机车的功补系统的运行现状是运行故障率高、晶闸 管烧损严重，致使功补系统普遍不投入，机车功率因数低，罚款严 重。 1 2课题提出的意义及研究内容 在8 k 型电力机车引进初期，已经出现晶闸管烧损的问题，原 生产厂家既法国5 0 赫兹集团曾经针对这一问题进行了数次改进， 并将保护电路、投切控制等电路参数进行了调整。但改进工作没有 取得明显效果，运行故障及烧损问题仍然十分严重。 在8 k 电力机车引进以后，我国又相继生产了几种型号的国产 电力机车，如s s 6 、s s “、s s7 等，其中的功率因数补偿系统均是在 8 k 机车的基础上研制的，虽然普遍采用了微机控制，在控制方法、 控制逻辑上也有所改进，但仍有部分控制电路采用了原8 k 机车中 的电路，没有消除原有隐患。因此目前在囡产电力机车中，功补系 统的应用情况也不是十分理想，投入率较低，晶闸管烧损现象也时 有发生。 6 0 期研究中发现，烧损晶闸管的原因可能是多方面的：如动态 8 k 型电力机车功率因数补偿系统的研究 2 北方交通人学颂l 学位论文 第一章绪论 过流、谐波电流反送( 来自于接触网或其它牵引变压器绕组) 、谐 振回路电感引起换相电压增高、控制电路误触发等，课题组借用 s a b e r 电力电子学仿真软件分析各种可能的烧损原因，并结合机车 上的试验找出可能烧损原因，采取相应措施，设计了一套全新的功 朴装置微机控制系统，减少8 k 机车功补烧损问题，使8 k 机车已有 的功补装置发挥应有的重要作用。 在随后的研究中，课题组对新的控制系统做了进一步完善，把 以检测机车的有功功率大小来决定a f p 的投切组数，变为以检测机 车的无功功率大小来决定a f p 的投切组数，投切级数也由开始的二 级变为四级投切，这种设计提高了系统的控制精度，使控制更加平 滑，提高电力机车和供电系统的功率因数。 此外，在研究中，课题组通过s a b e r 计算机仿真发现，原有系 统一1 。谐波电流反送现象是相当严重的，既有条件下，为减小谐波电 流的反送量，最好措施就是改变爿舻主电路的参数，本文通过理论 分析和仿真验证找到了主电路的最佳调整参数，现在该参数调整方 案已应用于8 k 电力机车。 本文就是在课题组前期工作的基础上，对我们整个工作的总 结： 1 通过理论分析明确了a f p 主电路改造的目的，利用计算机 仿真技术验证结论，找到了在现有条件下、最适合8 k 电力机车使 用的a f p 主电路参数； 2 设计了一套新的a f p 投切控制曲线，该控制曲线以检测机 车的无功功率大小束决定爿即的投切时刻，提高了系统的控制精 度； 3 系统介绍了微机控制的硬件构成，总结了该装置在解决故 障、抗干扰方面的措施，并具体给出了系统的软件流程图。 8 k 型f n ，机车功率因数补偿系统的研究 北方交通人学坝i 学位论文笫_ 二章8 ki b 力机车原功补分析 第二章8 k 电力机车原a f p 系统分析 2 1原功补系统工作原理 8 k 电力机车主整流器采用两段桥的结构，牵引工况时一段全 控桥与一段半控桥串联，其输出电压控制牵引电机的运行，再生 工况时全控桥作逆变运行，半控桥作为励磁制动电源。由于晶闸 管可控整流器的功率因数较低，对电网产生许多不良影响，例如 无功功率增加，发电设备、输电线路的利用率降低，电网中的电 压、电流波形畸变，以及谐波污染等等，因此为了改善机车功率 区| 数，8 k 电力机车装设了功率因数补偿滤波器系统，简称a f p 系统。一台8 k 电力机车中共有8 个牵引绕组，每个牵引绕组上并 联有一组4 即，每组一f p 的主电路原理图如图2 一l 所示。 2 5 k l r ah 图2 1 一组a f p 系统的电路原理幽 彳即系统中，通过电容器提供容性电流来提高基波相移因数， 补偿无功功率，8 组彳即所提供的总无功补偿容量为3 6 0 0 k v a r ， 可在额定功率时使瞬时功率因数由o8 2 提高到0 9 9 。a f p 系统的 无功补偿示意图如图2 2 所示。 8 k 型电力机车功率因数补憾系统的研究 4 北方交通火学顺：l 学位论文 始二带8 k1 u 儿机午隙功补分析 l - u 弋q 7 i 。 图2 2a f p 系统无功补偿示意图 在末加a f p 时，流入变压器副边的电流，滞后电压向量u 的 角度为破，相移因数为c os 妒，。并联了彳即后，对基波来说，流 过爿f p 的电流，。超前u 的角度接近9 0 。，从图2 2 可知，= i ， + ，。，此时，和向量u 的夹角为妒2 ，由y - 妒， ：，则c o s 妒2 c o s 。 投入a f p 在提高功率因数的同时，还会提高机车电路中整流 桥交流侧输入电压，其结果是增加了直流输出电压，原因如下： 带有a f p 补偿装置的整流器输入电路原理图如图2 3 所示， 已知变压器二次绕组等效电感值为o 3 7 6 m h ，a f p 参数及其等效 电路亦如图2 3 所示。 在a f p 没有投入、负载电流为，时，整流器的输入电压为： “= u 。s i n 耐一乙，( 1 ) 彳即投入后，根据电路戴维南定理可以求得空载时整流器输 入电压为k f s i n “t ，其中k ，的值为： 8 k 型i uj j 射【下功率埘数补偿系统的硎究 北方交通人学坝i 。学位论文 第二章8 k 电力机下原功补分析 弘i 毫i = i 哥卜s ：，等效内龇； 相同负载电流，下，和无a f p 投入相比，整流器输入电压变为： “= k ，u 。，s i nc o t z ，= k ，( u 。s i n c o t z i ) ( 2 ) 比较公式( 1 ) 和( 2 ) 可以发现，加入一即后，整流器的输 入电压是原来输入电压的k ，倍。 幽2 3 整流器输入电压等效电路酗 除了上述所提到a f p 的作用以外，原系统中a f p 还做为谐波 滤波器使用。原爿卯系统相对于3 次和5 次谐波电流的阻抗分别 0 8 3 mq 和1 4 9 mq ，可以吸收主整流器产生的3 次、5 次谐波电 流，很大程度上减小了流向电网的谐波电流，电网电流波形畸变 程度降低，提高了电网的功率因数。 因此，在8 k 电力机车中，通过在牵引绕组上并联a f p 系统， 可以同时提高基波相移因数c o s + l 和电流畸变系数y ，进而提高机 车功率，由此带来电网电压升高、输电线及变压器功率损耗降低、 输电设备容量利用率提高等诸多好处。 2 2 仿真系统构成 由于本文的一个研究方面就是借助计算机仿真工具，来定量 地分析包括电力机车在内的牵引供电系统的工作情况，所以在这 8 k 型叱力机车功率蹦数朴偿系统的研究 6 北方交通人学蛳i j 学位论文 罐一章8 ki u j 机车原功补分析 一节将对文章中所使用的仿真软件及仿真系统的构成进行较为详 纠的削述。 2 2 1仿真软件s a b e r 简介 s a b e r 是由a n a l o g y 公司设计的、模拟和数字混合模式的 系统仿真软件，可用于普通电路和电力电子电路的仿真，具有十 分强人的功能。 s a b e r 的出现为由不同学科构成的系统仿真提供了极大的方 便。它能及时仿真出各技术参数之间的相互影响，使设计者能预 先检测和证实系统各部分之间的因果关系。s a b e r 不仅有丰富的 元件库可供选择使用，而且其硬件描述语言m a s t 也为设计者自 己定义不同技术构成的模型提供了极大的灵活性。目前s a b e r 主 要应用于以下几个领域： + 模拟系统 + 电力网设计 + 模数混合集成电路 t 化工电力设备 + 汽车电子 + 铁路牵引设备 这些广泛的用途说明了，在满足用户设计、测试和验证系统 方面，s a b e r 已起着越来越大的作用。 s a b e r 有如下几个特点： + 可以根据用户要求进行多级仿真； + 为用户提供了非常方便而又直观的人机界面。d e s i g n s t a r 和 8 k 型也力机车功率因数补偿系统的研究 7 筑一幸8 kl 也j j 机屯| 最功孙分析 s a b e rd e s i g n e r 是s a b e r 的两个人机界面软件，采用菜单提示疗 式引导用户使用s a b e r ； + 具有很强的仿真功能，它可对系统进行直流工作点分析、 瞬态响应分析、频率特性响应分析、信号频谱分析、灵敏度分析 等： + 可以以各点波形的方式输出以上分析结果，使用户在屏幕 上绘制所需的波形、并打印出来： m 设计环境与主要的电子c a d 软件兼容。 2 2 2 仿真主电路构成及电路参数选取 仿真主电路如图2 4 所示，出于进行的是系统级仿真，所以 电路中的电阻、电感、电容、晶闸管、交流电源、牵引变压器等 均采用了s a b e r 模型库中所提供的模型。陔电路中包括了由晶闸 管构成的全控整流桥和半控整流桥，图中所有的a f p 电路结构完 全相同。为简便起见，仿真系统中的直流电机模型用等效电阻和 电感代替。为了真实再现实际系统，在不同功率等级和不同负载 电流时，直流电机的等效电阻值是不同的。 图2 4 所示电路中，晶闸管的控制信号使用l o g i c 一4c l o c k 产 生的逻辑电平，l o g i c4c l o c k 可以设定延迟时间以及其输出触发 脉冲的频率，来改变晶闸管的开通时间以及开关频率。图中虚线 所框分别表示：a 一一牵引变电所及线路等效阻抗，b 一一机车主 变压器，c 一一功补系统，d 一一等效牵引电机负载，e 一机车整 流器。 8 k 型l 乜力机车功率因数补偿系统的研究 北方交通人学顺l 。学位论文 第一章8 ki u 力机车原功补分析 图2 4仿真系统原理图 本系统中的关键部分是变压器模型，其原边以及副边漏电感 的大小，直接影响藿诸如谐波电流反送、谐波电流在系统各部分 之问的分配问题，如实的反映真实的漏抗是仿真的关键。从8 k 电 力机车的技术资料可以查得主变压器高压绕组的电阻r l = 8 2 0 m o ， 每个牵引绕组的电阻r 2 = 4 2m q ；在单个牵引绕组时阻抗电压为 l5 ，两个牵引绕组时为1 6 5 ( 如图2 5 所示) 。 阻抗电压“。是短路阻抗历玎r 与二次侧额定电流，等效至一次 侧的电流_ ，的乘积，通常用它与一次侧额定电压“的比值来表示， 即： 8 k 型电力机车功率因数补偿系统的研究 r fx f吱毯 ( a )( b ) 图2 5 主变压器绕组的等效电路 ( a ) 单个绕组( b ) 两个绕组 上式表明，阻抗电压就是用变压器短路电流达到额定值时一 次侧所加电压与一次侧额定电压的比值来表示，故又称为短路电 压。工程上阻抗电压用额定电压的百分数表示。已知一次侧额定 电压u i = 2 5 k v 、二次侧额定电流，_ 1 2 0 0 a ( 该电流等效至一次侧 得电流卢，m 为变压器变比) 。所以可以列方程求原、副边的 漏感： ( r p + r n ) 2 + ( p + x s ) 2 i = o 1 5 u 】 ( 尺r + r n 2 ) 2 + ( p + x n 2 ) 2 2 ，= o 1 6 5 u i 又x ，= c o l ”x n = n 2 c o l s 联立以上方程可得： 原边漏感l p = 2 4 2 8 5 m h ， 副边漏感s = o 3 6 5 m h ， 变比n = 2 4 5 1 。 而在仿真中，所用的变压器模型取自s a b e r 模型库，模型的 性能由其电参数所确定。这些参数包括从原边及副边观察时系统 的等效电感、原边与副边间及副边与副边间耦合系数等。仿真时， 8 k 型也力帆下助水冈数补偿系统的研究 北方交通夫学坝i j 学位论文第一章8 k 电力机车原功朴分析 软件自动计算原边和副边的漏感以及牵引变压器的变比，由于这 些量4 i 是直接输入的，这样就会产生定误差，利用测量实际变 压器漏感的方法对所建变压器仿真模型进行计算，所得数值如下： 原边漏感l p = 2 4 5 2 0 m h ， 副边漏感l s = o 3 6 2 m h ， 变 比n = 2 4 5 2 。 三项误差分别为：o 9 7 ，o 8 2 ，o 0 4 ，和实际变压器相比， 仿真系统的参数值基本符合实际数据，因此这一变压器模型能真 实地再现实际系统。 2 3原4 f p 系统主电路参数的不足 目的，在电力机车行业中，特别是从事有关无功功率补偿研究 的领域，普遍存在一种观点：由于8 k 电力机车的a f p 系统为全谐 振系统，该系统在吸收本桥所产生的谐波电流的同时，是必会吸 收牵引网其它部分所产生的谐波电流，因此应对a f p 的主电路进 行修改。但是对于8 k 电力机车的原a f p 系统对谐波电流的吸收如 何、反送电流所占的比重怎样、以及如何在现有条件下对爿即进 行调整，理论界都没有一个定性的结论，本文将对上述问题进行 逐一解决。 2 3 1 原a f p 主电路参数构成 从图2 1 可以看出，每组a f p 系统由两个反并联的晶闸管开 关、以及3 次、5 次串联谐振滤波器组成。在原a f p 系统主电路 中，3 次谐波滤波器的参数为：c 3 = 9 0 0 “f ，l 3 = 1 2 5 m h ，其谐振 频率为f 3 = 15 0 0 5h z ，非常接近电网的3 次谐波频率15 0 h z ，该 滤波器对电网的3 次谐波的阻抗为z 3 3 = o ，8 3m q 。 同理，原爿即系统中5 次谐波滤波器的参数为：c 5 = 3 0 0 _ l l f ， 8 k 型i u 力机车功率凶数补偿系统的研究 北了j 变通j 、学倾l 学位论义 l i ：1 35 m h ，谐振频率为如= 2 5 0 0 9h z ，非常接近电网的5 次谐波 频率2 5 0 h z ，陔滤波器列电网5 次偕波的阻抗为z55 = 1 4 9m q 。 2 3 2谐波反送问题 原有a f p 为调谐至3 次和5 次的全谐振系统，所以容易出现 偕波电流反送，即整个机车系统其它部分的谐波电流流入已经投 入t 作的a f j d 绕组。反送电流主要分为两种一一本车其它绕组的 电流反送和线路中其它机车的电流反送，由于线路存在电感，造 成其它机车的电流反送量所占的比重较小，因此本文的仿真分析 只考虑本车绕组的影响。为了考察机车备部分对己投a f p 反送偕 波电流的情况，先做如下设定： 1 ) 按照原有控制曲线，当机车功率大于3 2 0 0 k w 时，要投入全控 桥对应的四组a f p ，本文考虑的是四组全控桥对应的a f p 投入后 的情况； 2 )不考虑同一供电臂上其它机车、以及牵引变电所的影响： 3 )由于牵引网为感性系统，当机车运行在供电臂术端时，a f p 吸收谐波电流最大。结合实际参数所选臂长为2 4 k m ( 此值为大同 至张家口区j 甸的所有供电臂中的最大值) ，每公里线路电感 l = 2 4 m h ，电阻r = 0 3 4 8q ，牵引变电所二次侧等效电感为 l = 63 2 m h ： 4 )谐波反送系数定义：机车未投入a f p 的整流桥所产生谐波电 流( 定义为i 。) ，其中一部分( 定义为i ，) 经变压器耦合至已投入 工作的a f p ，i ，占i 。多少的百分比即为谐波反送系数； 5 ) 单位谐波电流源定义为有效值为l 的电流源。 图2 6 为仿真电路，在所示位置处加入3 次和5 次单位谐波 电流源，进行仿真，测试图2 6 中i l 、l2 的大小，综合测试结果 见表2 1 ： 8 k 型i u 山村【印功率数补偿系统的研究 _ 1 1 晦习 a f p 1 1 鬯 a f p ，l ，j ! i s 3 t f i ；， 厂 图2 6 喈波反送系数测试原理幽 表2 1谐波反送系数测试数据 电流 惜波反送系数 1 1 i2 3 次谐波 o 18 9 o 0 9 8 5 次惜波 0 18 9 o 0 9 8 由表2 1 可以看出：谐波电流源放在图2 6 所示位置时， 分别有0 18 9 的3 次和5 次电流流入左边变压器已投入工作的每一 个a f p ，以及有0 0 9 8 的3 次和5 次电流流入右边变压器投入工作 的每一个a f p 。 为了定量考察谐波电流的反送情况，本文利用图2 4 所示电 路对整流输出电压9 5 0 v 、电机电流1 2 0 0 a 的工况进行仿真分析， 过程如下： 按原a f p 投切曲线，机车投入全控桥的4 组彳f 尸时( 全控桥 l 满，f ：，半控桥部分丌放的工况) ，出于半控桥的a f p 未投入工作， 这样半控桥产生的谐波电流就会通过变压器绕组问的耦合，反送 至已工作的爿f p 。所得数据见表2 2 ，表中电流l 。、i ，、i 。在系统中 8 k 型电力机年助术圳数补偿系统的研究 北方交通人学彬! f 学位沦文 的位置如图2 1 所示，分别代表a f ，支路、全控桥交流侧和变压 器副边瞬时电流，表中1 、2 、3 为l 二述三个电流中所含的谐波电 流成分，各项数值为谐波电流的有效值： 表2 2稳态 i 原系统再部分电流构成( 单位：安培) l30 q f p 支路电流 4 3 7 6 4 6 5 82 37 6 i a 全控桥交流侧电流 10 9 2 73 18 7 18 4 4 1 r 变压器剐边电流 10 6 6918 0 3 7 2 8 i t 由于原a f p 为全谐振系统，理论上可以认为爿即基本全部吸 收全控桥交流侧的3 次和5 次电流，变压器副边电流中不会含有3 次和5 次电流成分。而实际上变压器副边电流中包含有3 次和5 次分量，这些谐波分量可视为系统反送的谐波电流。数据表明， 浚工况下系统反送的3 次电流( 即变压器副边电流i 。中的3 次电 流)约为全控桥交流侧电流i ，中3 次电流的5 7 ，系统反送的5 次电流约为i ，中5 次电流的4 0 ，由此可知，原系统的谐波电流 反送是相当严重的。因为图2 1 中各电流的瞬时值满足，。= f ，+ f i 的关系，由于存在着反送的谐波电流，这样就容易出现i 。的实际 有效值大于其给定值的情况，造成爿胛故障，因此有必要对a f p 主电路参数进行调整，以期减少谐波电流的反送量，防止由此产 生的晶闸管支路过流现象的发生。 2 4本章小结 8 k 型l u 力机车功率吲数补偿系统的研究 本章首先分析了原爿阡系统的工作原理，明确了原a f p 系统 不仅能够提供基波的无功功率，而且还作为3 次和5 次谐波滤波 器使用。接着对在本论文中使用的仿真软件进行了简要介绍，其 中具体谈到了仿真系统中用到的牵引变压器的建模。最后本文认 为，由于原a f p 系统的主电路参数选取不当，造成了谐波电流反 送严重，从而有可能造成用于控制原有a f p 系统投切的品闸管丌 关因过流而烧毁，这一结论通过仿真得到验证后，并为下一章的 主电路改造方案的提出做了准备。 8 k 型l u 山机节j j j 串数朴偿系统的研究 ：! 生至望! ：兰! ! ! ! = 兰些堡兰 里三! 一旦生兰塑兰塑! i ! 生 第三章改造方案的选择 3 1改造方案提出的前提 由于原爿即系统中，谐波滤波器的谐振点接近于电网的谐波频 率，容易产生谐波电流反送的f o l 题，因此有必要对原一f 尸系统的主 电路进行改造。在改造方案中，通过调偏谐振点的方法以减小其它 牵引绕组以及电网对4 印反送谐波电流的数量，其主要实现方法是 通过改变滤波器主电路的参数来增大滤波器的谐波阻抗。由于a f p 的滤波电感与主牵引变压器被制作在+ 起，参数很难调整，因此只 能调整滤波电容的参数 8 k 电力机车中，每一组a f p 的电容器均由图3 1 所示的结构 单元所组成，每个结构单元为一电容器整体，其顶端四个接线柱分 别连接内部两个电容，两个电容的电容值不相等，在原设计中分别 用来构成3 次及5 次滤波电容。 c i 一3 = 5 0 u f c 2 4 1 5 0 u f 幽3 1滤波电容结构单元示意幽 图3 2 ( a ) 所示为改造前一组功补系统滤波电容的连接结构， 六个结构单元分别通过连接电缆线及铜排组成相应的3 次及5 次滤 波电容，再由铜排连接到系统中其他器件上，其对应电路示意图如 图3 2 ( b ) 所示。 8 k 型电力机车功率因数补偿系统的研究 6 ：生立銮望! ：兰塑! ：兰些堡兰 塑三翌整望互壅堕塑 目拙址柱、连接铜排_ _ 连披电缆线 c 3 = 9 0 0 u f = 15 0 u f x 6 c 5 = 3 0 0 u f = 5 0 u f 6 ( a ) 连接结构示意图 ( b ) 连接电路示意幽 c 3 图3 2 改造前一组a f p 滤波电容的结构及连接 从以上几幅示意图可以看出：8 k 电力机车补偿电容最小是以 5 0 u f 为单位，每组a f p 共包含12 0 0 u f 。考虑到在机车内部空间罩， 很难增加新的电容绕组，因此改造方案中a f p 两条滤波支路的补偿 电容只能在原有基础上、以5 0 u f ( 或15 0 u f ) 为单位增加或减少。 3 2改造方案分析 3 2 1 理论基础 下面讨论的改造方案仍以机车投入四组功补、整个系统处于稳 态后的工况为研究对象，图3 3 为图2 4 所示系统等效至一组变 压器副边后的简图。 图3 。| 1i 。为机车与功补拍并联的、整流桥交流侧的等效电流， l 。为系统其它部分等效至变压器副边的电感，n 代表谐波次数，本 文主要讨论n = 3 和5 的情况。 q一、墩、叫一r跫 因团重蓥匿匿，r迂、一、n、1一、f、一 巳| 瓢、n、卜 ! ! 塑窒塑叁兰! ! ! ! = l ：兰些笙兰竺三蔓l 塾堂2 坐望旦望生 幽3 3系统等效至一组变压器副边简图 令c3 值为x u f ，则c5 为( 12 0 0 一x ) u f ，可得下列公式：( h 代表系统的n 次导纳，y i n 、托。n 。分别代表图3 中各支路的r 1 次 导纳) 2 瓦1 也，2 忑1 焉 72 i 磊1 忘( 2 ) 门m 甜( 1 2 0 0 一爿) 根据电路的电流分配定律，由公式( 1 )、( 2 ) 可得图3 - - 3 中各支路的电流分配关系 ( i ；。代表i 。中n 次谐波电流) 屯，= 粤。：，等“n = 每。，“， 在上述公式中，选取c 3 的碾则是不使整个系统处于谐波放大 区。令a f p 的n 次等效导纳( 即公式1 中的y 2 。+ y 3 ”n = 3 和5 ) 为正值，使a f p 相对于n 次谐波电流为感性系统，由于牵引电网是 一个感性系统，这样整流桥产生的谐波电流只是在两个感性系统中 进行简单的电流分配，不存在谐波电流放大的现象，就避丌了谐波 放大区。 根据实际情况，利用公式 ( 1 )、( 2 ) ，在满足y 2 3 + 】j 3 为萨 8 k 型u 力机下功；瞽| ! ；| 数补偿系统的研究 北方交地j 、学坝 ：学位论殳 时，c 取值应大于9 0 0 6 u f ；在满足y 25 + y 35 为正时，c3 取值应大 干1 0 1 6 u f 。如3 1 节所提到的，由于机车的实际结构，所以c3 只 能取10 5 0 u f 、l1 0 0 u f 、115 0 u f 结合滤波电感数值及电网的实际情况，利用公式( 1 ) 、( 2 ) 、 ( 3 ) 可知，在满足对于c 3 10 1 6 u f 的情况下，随着c3 的增大，流 入电网的3 次和5 次电流会越来越多，造成电网中谐波电流的绝对 数值增加，从而带来其它方面的影向。因此在不使整个系统处于谐 波放大区的前提下，c 3 值的选取应越小越好，故c 3 = 10 5 0 u f 方案 较为理想。 方案c 、= 1 0 5 0 u f 中，由于功补的3 次和5 次等效导纳分别为 57 9 5 s 和02 6 5 s ，都呈现感性，故不会放大3 次和5 次电流。 通过以上分析可以看出，当c 3 的数值增大时，图3 3 所示系 统的各支路在对3 次电流进行分配时，受其变化的影响较小，为进 步认识此时系统对5 次电流的放大问题，本文还做了如下工作： 结合图3 3 所示电路，以方案c 3 = l0 0 0 u f 和方案c 3 = 1 0 5 0 u f 为研究对象，分别分析两种方案下机车处于线路不同位置时、图3 3 中各支路电流的情况，本文选取了两个典型位置一一供电臂术 端和牵引变电所处，在这一过程中设电源中的5 次电流的有效值为 单位1 ，代入线路和a f p 参数后，所得数据见表3 1 表3 一j 不同改造方案p 的系统电流分配 机下位置和 机午处_ 丁供电臂末端 机下处丁牵引变电所 曾蔚 力慕 i i5 i2513 5 i l5 l2 si3 5 c3 = 10 0 0 u f 1 i78 0 7 l30 89 1 1 l400 56 1 07 01 c ：= 10 5 0 u fo 82 4o 4 8bo 3 l2o 8520 4 10 - 02 62 8 k 型u 山机下功率凼数补偿系统的研究 北方交通人学坝j j 学位论史 第三带改造方案的选择 表中l l ；表示支路1 的5 次电流大小，其它电流的意义类似。 从表3 一i 不难发现，在机车的整个运行区段( 牵引变电所到供电 臂术端) ，方案c 3 = 10 0 0 u f 中，系统始终处于谐波放大区，大大增 加了流入电网和滤波支路的5 次谐波电流；方案c 3 = 1 0 5 0 u f 则明显 不存在这一现象，由此也证实了这一改造方案的合理性。 图3 4 ( a ) 所示为改造后一组j j j 补系统滤波电容的连接结构， 其埘应电路示意图如图3 4 ( b ) 所示。 c 5 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 l 、 、 迨 、 j 耐璎改动的u 缆线 ，趋 专 c 3 c 3 = 1 0 5 0 u f = 1 5 0 u f 6 + 5 0 u f x 3 c s = 15 0 u f = 5 0 u f 3 a ) 连接结构示意幽( b ) 连接电路示意幽 图3 4 改造后一组a f p 电容的连接结构 系统经过改造后，原5 次滤波绕组的谐振频率变为3 5 3 ，6 8 h z ， 基本全谐振于7 次谐波电流，因此原来3 次和5 次谐振电路中存在 的谐波反送问题，对于7 次电流仍旧存在，其反送系数和3 次与5 次电流的反送系数相差无几。但是，在铁路供电系统以及机车系统 中，和3 次和5 次电流相比，7 次电流的含量还是比较低的，因此， 尽管改造系统中存在7 次电流的反送问题，但综合考虑，改造后反 送至a f p 系统的电流还是减少了，整体大概能下降lo o 一3 0 0 a ，实 现了改造的目的。 8 k 型j u 力帆下j ) j 半1 埘数补偿系统的研究 2 0 翟 批二章改造方= 粲的选择 综上所述，c 3 = 10 5 0 u f 、cs = 15 0 u f 的改造方案是目前比较理 想的方案，下面从仿真的角度进一步论证c 3 = 1 0 5 0 u f 方案的可行 。l 生。 3 2 2 仿真分析 改造方案能够减小谐波电流反送量，为便于和原方案比较，在 2 3 节所提到的相同的工况下，利用图2 4 的仿真电路，对c 3 ：1 0 5 0 u f 、ce = 15 0 u f 的改造方案进行仿真，所得数据见表3 2 ： 农3 2稳态f 政造系统各部分电流丰勾成( 单位：安培) y 弋 1 35 a f p 支路电流 4 3 7 33 6 6 43 4 ，7 i a 全控桥交流删电流 1 0 9 7 43 i1il6 7 7 lr 变压器副边电流 1 0 3 6 15 6113 4 0 i t a f p 主电路经过改造后，表3 2 中变压器副边电流i 。的成分 发生了变化。出于原有爿即为全谐振系统，故i 。中的3 次和5 次分 量可视为谐波电流反送值；但是系统经过改造后，全控桥交流侧 电流i ，中的3 次和5 次分量并不是完全被功补吸收，其中相当一部 分要流入电网，因此副边电流i 。中3 次和5 次电流分量是综合作用 的结果，是系统反送的谐波电流( 3 次和5 次) 与i ，中未被功补吸 收的谐波电流的合成。利用2 32 节所提到的测量谐波反送系数的 方法，可以测量改造系统的谐波反送系数( 由于该过程和23 2 节 提到的一样，因此本文没有给出) ，利用所得的系数并结合表3 2 所列数值对i 。进行分解，可得谐波反送量以及i ，中流入电网的谐波 8 k ，1 9 l u 山4 j | 【乍助半i 数补偿系统的研究 2 北方交通人学坝i 学位论史 成分，数掘见表3 3 表3 3 变压器副边电流i t 的构成( 单位：安培) 35 变压器副边电流 5 6 1l3 4 0 i i 其它绕组的反送电流 l3 2 61 6o i f i ，中流入电网成分 9 3 41 4 1 6 ir 1 1 e t 比较表2 2 和表3 2 可以看出，在整流桥产生基本相同电流 的情况下，谐波的反送量有较大的变化，3 次电流的反送由改造 村18 0 3 安培降为l3 2 6 安培，5 次电流由7 28 安培降为1 6 0 安培， 由此可见改造系统能够减少谐波电流反送量。 由于系统经过改造后，其它绕组反送的谐波电流量减少了，并 且a f p 本身对本桥产生的谐波电流的吸收量也减小了，这样就降低 了爿阳晶闸管支路中的谐波电流值，减小了晶闸管支路因谐波电流 反送而造成过流的危险。 为考察方案c s = 1 0 5 0 u f 在消除谐波电流放大方面的作用，本文 模拟了机车运行在3 4 0 0 k w ，电机电流为8 0 0 a 的工况。为便于 比较，本文也对该工况下，整个牵引供电系统处于电流放大区的 c3 = 1 0 0 0 u f 方案进行仿真，两种工况下的仿真波形分别见图3 6 和图3 7 ，图中j 。表示电网电流、j 。，表示即中的电流，此外 本文也给出了该工况下，机车在投入4 卯前电网电流波形，如图3 5 所示。 8 k 型屯力机车功率因数补偿系统的研究 j ! 塑奎塑墨兰塑! ：兰丝堡兰 垫三翌墼生互鲞! ! 丝 4 0 0 0 z o o 0 0 0 一z o o 0 4 0 0 0 厂广_ 1 t r 0 10 1 z0 1 40 1 g0 1 80 2 t ( s ) 幽3 5术投a i 、p 前j 也网l u 流l 由图可以看出，此时电网电流畸变很严重。 加0 0 2 0 0 0 o , q z o o 0 一加0 0 z 0 0 0 0 卅 0 0 一z 0 0 0 0 0 8 g0 8 80 9 0 9 20 9 40 9 g t s 幽3 5方案c 3 = 1 0 0 0 u f 中l 和j 。 方案c 3 = 1 0 0 0 u f 中，功补系统的5 次等效导纳为一0 18 8 s ，致 使整个系统处于5 次电流放大区域，增加了流入电网的5 次电流， 使图3 6 中电网电流j 。畸变比较严重。 8 k 型j b 力机乍助半数补偿系统的研究 23 骗二常改造方案的选择 0 8 60 8 80 90 9 7 0 9 40 9 6 t s 幽3 7方案c 3 = 10 5 0 u f 中。羊j ， 方案c 3 = 1 0 5 0 u f 中，由于系统不存在电流放大问题，所以图3 7 中电网电流厶。的畸变要明显优于图3 6 中的j 。，这样减小 了电网的谐波无功，提高了整个供电系统的功率因数。 3 4 本章小结 本章通过理论分析，找到了a f p 主电路的最佳改造方案，并通 过仿真分析，验证了结论：本章还通过a f p 主电路改造前后的示意 图对比，让我们从直观上对主电路的改造有了了解。 8 k 型l 也j j 机下功术压数补偿系统的研究 i ! 变兰堕盔兰塑主兰竺堡苎 里型至垫! ! 丝型丝堕堕哩兰堕堕 第四章功补控制投切益线的改进 4 1原a f p 投切原则 图4 18 k 电力机车原a f p 投切分区图 根据合同要求，机车在额定电流和5 0 额定电压时功率因数不 低于0 9 ，经过。翱c s d 程序计算，8 k 电力机车在牵引工况时a f p 的投切分三个阶段，见图4 一l 。图中区域a 为低于5 0 额定电压 区，此时a f p 不投入工作。区域b 为全控桥所接的4 组彳即投入， 8 k 型也j 机车功率闲散补偿系统的研究 25 第川帚j j j 补拧制投曲线的改进 此时无功补偿容量为l8 0 0 k v a r 。区域c 为全控桥上的爿叩和半控 桥e 的a f p 均投入工作，此时补偿无功容量为3 6 0 0 k v a r 。 再生制动工况时，出于只有全控桥在工作，a f p 的投切上分为 两个区域，区域d 为a f p 不投入： 作。区域e 为全控桥上的a f p 投入工作。制动工况时，按照原控制曲线，机车运行速度小j 二 2 0 k m h ，不投入爿f j d 。 无论牵引工况或是再生制动工况，a f p 的投切区域边界是一个 带状区域，同样s a c s o 程序计算而作出，以免a f p 频繁投切。 4 2 无功功率的计算方法 4 2 1检测无功功率的可行性分析 4 1 节中提到的原投切控制原则是以有功功率p 为依据的，即 在有功功率大时，认为无功功率也大，投入功补装置，有功功率小 时，认为无功功率也小，切除功补装置。机车的实际功况是否符合 这一趋势呢?