（电力系统及其自动化专业论文）牵引变电站综合补偿方案的研究.pdf

郑州大学工学硕士论文 前牵引变电站在进行综合补偿时，普遍忽视对负序电流的抑制。本文提出了在满足牵引变 电站无功补偿的前提下，使注入电力系统的负序电流最小的两相优化补偿方案。文中分析 了两供电臂负荷的负荷特性，对两供电臂正常运行时变压器各绕组中的功率因数及电压损 失进行公式推导及理论分析，得出了滞后相多补偿无功容量，引前相少补偿无功容量有利 于提高电压质量的结论。进而给出了以注入电力系统的负序电流最小为目标函数，以功率 因数及各相电压为约束条件，确定各相补偿容量的数学模型。利用c + + b u i l d e r 5 0 编制了 根据负荷变化而调节两相补偿容量的程序。计算结果表明，两相优化补偿和常规补偿相比， 在功率因数达到同一给定值时，优化补偿对负序电流的抑制具有明显的效果，从而起到提 高电能质量的作用。 电力牵引负荷属于典型的不对称负荷，利用斯坦美兹( s t e i n m e t z ) 原理，可以对其 进行平衡化处理。文中提出了一种基于斯坦美兹原理的三相补偿方案，导出了牵引变电站 各相的补偿容量和电流的计算公式，并采用c + + b u i l d e r 5 0 编i , j t 计算程序。给定功率因 数的期望值和两供电臂的负荷后，便可算出各相所需的补偿量。计算结果表明，该方案除 能达到理想的无功补偿效果外，还能消除负序电流。这对于提高电能质量将是很有意义的。 由于2 2 0 k v 电网比1 l o k v 电网的短路容量大，对于负序和谐波有较强的承受能力，通 过提高牵引变电站的供电电压，还可减少其注入电网的负序电流和谐波电流，进而减少对 电力系统的影响。本文分析了哈大线电气化铁道采用的2 2 0 k v 两相供电方案所存在的不足， 从缓解负序电流和谐波电流的角度讨论了采用2 2 0 k v 电源向牵引变电站供电的可行性，并 给出采用2 2 0 k v 三相供电的接线方案。 【关键词】：牵引变电站：负序电流；漕波电流：综合补偿 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h ee l e c t r i f i e dl o c o m o t i v e sh a v ea l le x t r e m e l yr a p i dd e v e l o p m e n ta l lo v e rt h e w o r l db e c a u s eo fi t sg r e a ta d v a n t a g ec o m p a r e dt oi n t e m a t c o m b u s t i o ne n g i n e b u tt h i st y p eo f l o a dd u r i n gi t so p e r a t i o ng e n e r a t e st r e m e n d o u sn e g a t i v es e q u e n c ea n dh a r m o n i cc u r r e n t sw h i c h f l o wi nt h ep o w e r s y s t e mc a u s i n gv o l t a g e c u r r e n ta s y m m e t r i ca n dw a v ed i s t o r t i o n ，t h i sm a k e s t h ep o w e r q u a i l t yb e c o m ew o r s e ，a tp r e s e n t ，w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i f i e dr a i l w a y , t h e p o l l u t i o ne n g e n d e r e db yt h ee l e c t r i f l e dj o e o m o t i v ei sb e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s ，e v e n t h r e a t st h es a f ea n de c o n o m i co p e r a t i o no ft h ep o w e r s y s t e m h e n c e ，i ti sas i g n i f i c a t i v es u b j e c t t os t u d yt h ec o m p r e h e n s i v e c o m p e n s a t i o n o f t r a c t i o ns u b s t a t i o n f i r s t l y , t h eh a r m t ot h ep o w e r s y s t e ma n dc u s t o m e r sc a u s e db ye l e c t r i f l e dl o c o m o t i v e sd u e t ot h e i rc h a r a c t e r i s t i c so f l o w e r p o w e rf a c t o r , n e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n ta n dh a r m o n i c c u r r e n t si s a n a l y z e di n t h et h e s i s s e c o n d l y , t h em a i ns e v e r a lc o m p r e h e n s i v ec o m p e n s a t i o ns c h e m e so f t r a c t i o ns u b s t a t i o na r ei n t r o d u c e da n de v a l u a t e d f i n a l l y , b a s e do nt h ew i d e l yu s e dt r a n s f o r m e r w i t hy n d l1c o n n e c t i o ni nt r a c t i o ns u b s t a t i o n i n t e n s i v eo b s e r v a t i o ni sm a d eo ns e v e r a l c o m p e n s a t i o np l a n sa o c o r d i n gt od i f f e r e n tc o n d i t i o n s i no r d e rt od e a lw i t ht h ep o l l u t i o nc a u s e db ye l e c t r i f l e dl o c o m o t i v e i t sc h a r a c t e r i s t i c sa n d r u l eo fc h a n g em u s tb em a s t e r e d i nt h i st h e s i s t h ec o n f i g u r a t i o no f s e v e r n lm a i nt y p e so f e l e c t r i c 1 0 c o m o t i v ea n dh a r m o n i cc u l t e n i sg e n e r a t e db yt h e ma r ei l l u s t r a t e d b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h e l o a d i n gc u r r e n t sd i s t r i b u t e di n e a c hp h a s ew i n d i n go ft r a c t i o nt r a n s f o r m e r , t h ec o r r e s p o n d i n g f o r m u l a sa r ed e d u c e d ，t h e s ef o r m u l a sc a l ld e f i n eh o w m a n yn e g a t i v es e q u e n c ea n dh a r m o n i c c u r r e n t ss w a r mi n t op o w e rs y s t e mf r o mt h et r a n s f o f i n e r sh i g hv o l t a g es i d ea n dh o wt h e s e c h a n g ev e r s u st l l el o a d s i no r d e rt oa s s a yt h er e s u l to fd i f f e r e n tm e t h o d s t h er e l e v a n tp a r t so f n a t i o n a ls t a n d a r d so f p o w e r q u a l i t y a r eg i v e n , t o o a p a r tf r o mf i l t e r i n g ，f i l t e r s c a r lp r o v i d es o m ef u n d a m e n t a lr e a c t i v e p o w e rt ot h ep o w e r s y s t e m h e u c e af i l t e rc o u l db ed e s i g n e dt oi n c r e a s ep o w e rf a c t o ro ft r a c t i o ns u b s t a t i o na n d d e c r e a s et h e1 m r m o n i cc u r r e n t s t h ec o n f i g u r a t i o na n dp r i n c i p l eo fs i n g l e t u n e dp a s s i v ef i l t e r s a r ei n t r o d u e e d t h eb a s i cp a r a m e t e r sa n dr e l e v a n tf o r m u l a sa r el i s t e df o rt h ef i l t e rd e t e r m i n a t i o n t h e nam a t h e m a t i cm o d e lf o rt h ef i l t e ro p t i m i z a t i o nd e s i g ni ss e tu d 1 、h eo b j e c t i v ef u n c t i o ni st o m i n i m i z et h et o t a li n v e s t m e n tw i t hq u a l i f i e dp o w e rf a c t o ra n df i l t e r i n gr a t e t h i si san o n l i n e a r o p t i m i z a t i o np r o b l e m i nt h i st h e s i s ，t h ee x t e n d e dl a g r a n g em u l t i p l i c a t i o nt e c h n i q u ei sa p p l i e d m o r eo v e r ，t h es t e p a c c e l e r a t i o nm e t h o di si n t r o d u c e dt od e a lw i t hn o n l i n e a rp r o b l e mw i t h o u t c o n s t r a i n t s a sa ne x a m p l e ，t h ef i l t e ro p t i m i z a t i o nd e s i g nf o rt r a c t i o ns u b s t a t i o ni sc a r r i e do u t u s i n g t h ec + + b u i l d e r5 0 t h ed e s i g n e df i l t e rw o r k sw e l l w i t ht h ep o w e rf a c t o rs a t i s f i e d t h e h a r m o n i cc u r r e n t sa r er e d u c e dt ob el o w e rt h a nt h er e q u i r e dl i m i l si nt h en a t i o n a ls t a n d a r d so f p o w e rq u a l i t y w i t ht h ei n s t a l l a t i o no ff i l t e ro nl o c o m o t i v e sa n dt h ed e v e l o p m e n to f f r e q u e n c yc o n v e r t e r , h a r m o n i cc u r f e w sc a u s e db yt h ee l e c t r i cl o c o m o t i v eh a v eb e e nr e l i e v e d w i t ht h el o a d so f l o c o m o t i v e si n c r e a s i n g ，t h e p r o b l e m so fn e g a t i v es e q u e n c e a r e b e c o m i n gm o r ea n dm o r e n o t i c e a b l et h a ta r ei g n o r e dw h e nt r a c t i o ns u b s t a t i o ni sc o m p r e h e n s i v e l yc o m p e n s a t e d i no r d e rt o - l i t - 都州大学工学硕士论文 d e a lw i t ht h ep r o b l e m ，a nt w o - p h a s eo p t i m i z a t i o nc o m p e n s a t i o np l a ni sp u tf o r w a r di nt h i st h e s i s i ti st oi n c r e a s ep o w e rf a c t o ra n dm i n i m i z et h ei n j e c t e dn e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n t s a f t e rt h e a n a l y s i so f t h ec h a r a c t e r i s t i c so f l o a d si nt h et w o p o w e rs u p p l y i n ga n t i s ，p o w e rf a c t o r ，a sw e l la s t h ev o l t a g el o s si ne a c hp h a s eo ft r a c t i o nt r a n s f o r m e r ，ac o n c l u s i o ni sa c h i e v e dt h a ti ti s r e a s o n a b l et o o v e r - c o m p e n s a t e t h e l a g g i n gp h a s e a n d l e s s c o m p e n s a t e t h e l e a d i n gp h a s e a c c o r d i n gt o t h i sa n a l y s i sam a t h e m a t i cm o d e li ss e t u pa i m e da tm i n i m i z i n gt h en e g a t i v e s e q u e n c ec u r r e n t sw i m t h ec o n s t r a i n t sf o rp o w e rf a c t o ra n de a c hp h a s ev o l t a g ec o n s i d e r e d a n d t h e c o m p e n s a t i o nc a p a c i t y o fe a c hp h a s ei sd e t e r m i n e d f u r t h e r m o r e , t h ep r o g r a mo ft h e c o m p e n s a t i o nc a p a c i t i e sv e r s u sl o a d si sc o m p l e t e db yc + + b u i l d e r5 0 t h er e s u l ts h o w st h a t t h i sm e t h o di sa b l et os u p p r e s st h en e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n ta n di n c r e a s et h ee l e c t r i c a lp o w e r q u a l i t y m o r e e f f e c t i v e l yc o m p a r e d t oc o n v e n t i o n a lc o m p e n s a t i o n a p p r o a c h e s t h ee l e c t r i f i e dt r a c t i o nl o a di st y p i c a lo fa s y m m e t r i co n ea n dc a l lb eb a l a n c e db ys o l n e m e t h o d sa c c o r d i n gt os t e i n m e t z l a w i nt h i st h e s i s ，am e t h o do ft h r e e - p h a s ec o m p r e h e n s i v e c o m p e n s a t i o n i sp r e s e n t e da n dt h ef o r m u l a so fe a c h p h a s ec o m p e n s a t e dc a p a c i t ya n d c u r r e n ti na t r a c t i o ns u b s t a t i o na r ed e d u c e d t h ec o r r e s p o n d i n gp r o g r a mi sa c h i e v e do nt h ep l a t f o r mo f c 十+ b u i l d5 0 i nt h i sw a y , w h e nt h ee x p e c t e dp o w e rf a c t o ra n dt h el o a d so fe a c hp o w e rs u p p l y i n g a l t o sa r eg i v e n t h ec o r r e s p o n d i n gc o m p e n s a t i o nc a p a c i t i e sa r eo b t a i n e d t h er e s u l ts h o w st h a t t h i sm e t h o di sa b l et oc o m p e n s a t er e a c t i v ep o w e ri d e a l l ya n de l i m i n a t en e g a t i v es e q u e n c e c u r r e n t se f f e c t i v e l y i ti so f s i g n i f i c a n c et oe l e c t r i c a le n e r g yq u a l i t y t h e2 2 0k vp o w e rn e t w o r kh a sl a r g e rs h o r t - c i r c u i tc a p a c i t ya n dg r e a t e re n d u r a n c ef o r n e g a t i v es e q u e n c e a n dh a r m o n i cc u r r e n t sc o m p a r i n gw i t ht h e1 1 0k vp o w e rn e t w o r k b y e m p l o y i n gh i g h e rv o l t a g e ，t h en e g a t i v es e q u e n c ea n d h a r m o n i cc u r r e n t si n j e c t e di n t ot h es y s t e m w i l lb cd e c r e a s e d i na d d i t i o n ，t h ed e f e c t so c c u r r e do nt h et w o p h a s e - p o w e r - s u p p l y i n gs c h e m e f r o mh a r b i nt od a l i a ne l e c t r i f i e dr a i l w a ya r e ：a n a l y z e d ，f r o mt h ev i e w p o i n tt o r e l i e v et h e n e g a t i v es e q u e n c e a n dh a r m o n i cc u r r e a t s ，t h e p o s s i b i l i t yo fs u p p l y i n gp o w e r a t2 2 0 k vi s d i s c u s s e da n dt h ec o r r e s p o n d i n g t h r e e p h a s ec i r c u i tp l a n a t2 2 0 k vi ss u g g e s t e d k e y w o r d s ：t r a c t i o ns u b s t a t i o n ，h a r m o n i cc u r r e n t ，n e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n t ， c o m p r e h e n s i v ec o m p e n s a t i o n f v l绪论 i i i i i 1 绪论 1 1 课题的背景及意义 近年来，电气化铁道的快速发展对促进我国国民经济的增长起到了十分重要 的作用。但是，由于电力机车属单相整流型负荷，具有非线性的伏安特性，功率 因数较低，而且三相不对称，在其运行过程中会向电网注入大量的负序电流和谐 波电流，从而引起电力系统的三相电压不对称、电流波形畸变，便电能质量下降， 严重时还会威胁到电力系统的安全运行。因此，减少牵引负荷对电网的影响将是 一个很有意义的研究课题。 1 1 1 电气化铁道发展概况 我国的电气化铁道从1 9 6 1 年8 月1 5 日宝鸡凤州铁路( 第一段电气化铁路) 建成开通以来，已有4 0 多年的历程。多年的运营充分表明电气化铁路具有性能 优良、适宜高速重载、能耗小、运营成本低、能源适应范围广、环境污染少等优 点。表1 - 1 【5 4 】列出了1 9 8 0 年、1 9 8 5 年、1 9 9 0 年我国发电装机容量、发电量和电 气化铁道长度及其用电量的统计值。 表1 - 1 中国蕞电装机容量、发电量和电气化铁道长度及其用电量统计 t a b l e l - lt ks t a t i a i co f t o t 8 1 唧鲥咿o f g e t t a r o t , 萨n e m t e d 如以洳矗弭蛔曲盯幽曲扫e d n x t o u n ti tu s e dm 峋e k c t t i c i t y 年统计值年增长率( ) 项目 1 9 茸1 9 8 5 在1 9 9 0 年1 9 - 1 9 8 5 年1 9 5 5 1 9 9 0 盆 发电装机容量( 万k w )8 4 9 5l 瑚0729 3 1 笈电量( 亿3 0 0 6d 0 6 l 如6 _ 286 6 电气化铁道长度( k m ) 1 6 6 14 1 5 0 56 9 4 082 0 日1 0 - 9 3 电气化铁道用电量( 亿2 8 6 71 29 5 23 78 13 522 49 4 表】1 表明电气化铁道用电量的年增长率远高于装机容量和发电量的年增 长率。据统计至2 0 0 1 年底，我国已建成电铁1 6 8 7 6 公里，居世界第五位。随着 我国改革开放和现代化建设的深入发展，铁道电气化建设的步伐还将不断加快， “十五”期间我国将新建和改造电气化铁道8 0 0 0 公里。 电气化铁道在我国现代化建设中发挥的作用越来越大。但是，对于电力系统 而言，电力牵引负荷功率因数低、产生的谐波和负序电流较大，不仅影响了电网 的电能质量，同时也限制了电铁自身的发展。 1 1 2 三相不平衡对电力系统的危害 牵引负荷属于典型的不对称负荷，当其大量接入电力系统时必然会引起电 力系统三相电压和电流不对称，对电力系统和电力用户造成一系列的危害，其中 主要有【3 j ： 刘 卅f 大学工学硕士论文 ( 1 ) 引起旋转电机的附加发热和振动，危及其安全运行和正常出力。 ( 2 ) 引起以负序分量为起动元件的多种保护发生误动作( 特别是电网中同 时存在谐波时) ，这对电网安全运行是有严重威胁的。 ( 3 ) 电压不平衡使半导体交流设备产生附加谐波电流( 非特征谐波) ，而 这种设备一般设计上只允许2 的电压不平衡度。 ( 4 ) 使发电机容量利用率下降。由于不平衡时最大相电流不能超过额定值， 在机端只带单相负荷时，设备的利用率仅为： 墨生：0 5 7 7 4 3 u i ( 5 ) 变压器的三相负荷不平衡，不仅使负荷较大的一相绕组过热导致其寿命 缩短，而且还会由于磁路不平衡，大量漏磁通过箱壁、夹件等使其严重发热，造 成附加损耗。 ( 6 ) 在低压配电线路中，三相不平衡会影响计算机正常工作，还会引起照 明灯寿命缩短( 电压过高) 或亮度不足( 电压过低) 以及电视机的损坏等。 ( 7 ) 三相不平衡时，还将引起电网损失的增加。 ( 8 ) 使矿业炉的电能消耗增加，产量减少，使炉子的效率减低。 ( 9 ) 增加对通信系统的干扰，影响正常通信质量。 1 1 3 谐波对电力系统的危害 电力机车又属于非线性负荷，非线性负荷必然产生谐波电流，谐波电流注入 电网后会在电网中传播，从而“污染”整个电力系统的电气环境。给电网的安全 运行和广大用户的正常用电都造成不利影响。谐波对电力系统的危害归纳起来主 要有以下几个方面i f , 2 j ： ( 1 ) 对旋转电机( 发电机和电动机) 产生附加功率损耗和发热，并可能引 起振动。 ( 2 ) 引起无功补偿电容器谐振或谐波电流放大；从而导致电容器因过负荷 或过电压而损坏：电力电缆也会因谐波引起的过负荷或过电压而击穿。 ( 3 ) 增加变压器和电网的损耗。当发生谐振或谐波电流放大现象时，损耗 可达到相当大的程度。 ( 4 ) 对继电保护和自动控制装置产生干扰，甚至引起误动作。 ( 5 ) 引起电能计量误差，对通讯线路产生干扰。 1 1 4 无功补偿对电网的影响及意义 我国能源部颁发的电力系统电压和无功电力技术导则中明确规定了各种 电压等级电网及各种大中型电力用户的功率因数限值，并要求各级供电部门严格 执行，能源部对功率因数的重视程度说明了功率因数在电力系统经济、稳定运行 中有重大的意义。 1宝嚣论 暑曼皇i i i i ! 曼曼曼曼曼曼鼍量孽曼! ! ! 皇曼曼曼皇曼皇寡曼! 曼皇曼曼曼曼曼皇皇曼! 曼曼曼皇鼍! ! ! 曼曼曼曼曼 采用无功补偿提高功率因数，投资少，收效快，是电网的重点节能措旌。无 功补偿的意义归纳起来，主要有以下几个方面： ( 1 ) 降低电网中的功率损耗。由公式，= ，l 可知，负荷电流i 与c o s 口 4 3 u c o s 4 p 成反比，在输送的有功功率p 为定值时，装设无功补偿设备后提高了功率因数， 将使线路中的负荷电流降低，从而使线路上的功率损耗降低( a p = i z r ) ，当功 率因数由0 7 提高到0 9 时，功率损耗大约下降4 0 。 ( 2 ) 减少电网中的电压损失，提高电压质量。当电力负荷从线路上集中输 出到末端负荷点时，线路电压损失a u 的简化计算公式为： u ：p r + q x( 1 1 ) “ 式中u 是线路电压损失，( k v ) ： p 是线路输送的有功功率，( k w ) ； q 是线路输送的无功功率，( k v a r ) ： r 是线路的电阻，( q ) ； x 是线路的电抗，( q ) ； u 为线路额定电压，( k v ) 。 由( 1 - 1 ) 式可知，加装无功补偿设备后，线路输送的无功功率q 就要减 少，线路中的电压损失随之降低，提高了电压质量。 ( 3 ) 提高设备的供电能力，挖掘现有设备的潜力。由公式p = s e o s 妒可以 看出，在设备的视在功率s 不变的条件下，功率因数的提高可以多输送有功功率， 对于一个容量为s 的变压器，功率因数从0 7 提高到0 9 后，其输送的有功功率 大约可提高3 0 。 d ( 4 ) 减少设备容量，节省投资。由公式s = 二一可知，在输送的有功功率 c , o s 妒 p 为定值时，功率因数提高后可以减小视在功率s ，减小供电设备的安装容量， 这样不但可以节约购买设备的投资，还可以少支付电力部门按供电设备容量计算 的贴费。 ( 5 ) 减少用户电费开支，降低生产成本。无功补偿给电力用户带来的直观 经济效益可以减少电费支出：第一，安装无功补偿设备，提高功率因数可以减少 用户内部因传输和分配无功功率造成的有功功率损耗，因而可以少支付相应的电 费；第二，在国家现行的电价政策中，从合理利用电能出发，为鼓励用户安装无 功补偿设备，提高功率因数的积极性，制定了功率因数调整电费政策，用户的功 率因数提高后，不但可以避免因功率因数过低而受罚，而且还可以得到电力部门 按功率因数调整电费的奖励。 郑州大学工学硕士治文 ( 6 ) 在三相负荷不平衡的场合( 如：电气化铁道) ，通过适当的无功补偿可 以平衡三相负荷，减少注入电力系统的负序电流。 对于变压器连接方式为y n d l l 的牵引变电站来说，由于低压侧总是有一相 接地，另两相分别和两供电臂相连，这样的供电方式决定了其独特的无功补偿方 式。一般牵引变电站在两相集中安装无功补偿装置，一定量的补偿容量无论在两 供电臂上怎样分配，对于考核点处总的功率因数都是一样的，但合理分配两供电 臂的补偿容量却有改善负序的作用。即根据两供电臂负荷大小确定总补偿容量 后，采用滞后相多补，引前相少补的原则，进行两相合理分配。这样做可以在总 补偿容量不变的前提下，在提高功率因数的同时，改善滞后相电压质量，减少牵 引负荷注入电力系统的负序电流。 1 2 国内外电气化铁道综合补偿方案简介 电气化铁道对电力系统的“污染”问题已经引起了国内外专家学者的高度 重视。近几年，国内外提出了许多关于牵引变电站综合补偿的方案，其主要目的 在于提高基波的功率因数，并滤除指定的高次谐波。具体的方案有【1 仉f 1 1 6 , ，5 1 l ： 1 、安装固定电容器和电抗器组成单调谐滤波器：在设计时，滤除指定的谐 波，并兼顾到提高功因数，这种方案的优点是结构简单。投资少，但很难适应牵 引负荷变化剧烈的特点，对于过补、欠补问题无法解决，在电力部门使用反送正 计的无功电能计量方式情况下，功率因数难以满足要求。 2 、分组投切电容器：以期解决过补、欠补问题，此方案的优点是结构简单， 投资少，但投切电容器会有一个暂态过程，可能会产生过电压和过电流，影响补 偿装置的可靠运行，而且加上开关寿命的限制，不能频繁投切，仍不能解决过补 和欠补的问题，负序的问题也无从解决。 3 、晶闸管控制电抗器( t c r ) ：其般是根据需要滤除的谐波，固定安装相 应的单调谐滤波器，而电抗器根据实际负荷的变化，对负荷进行动态的跟踪补偿， 从而解扶了过补与欠补问题。但投资和运行费用较高，且t c r 自身还要产生谐波。 4 、晶闸管投切电容器( t s c ) ：按一定的寻优模式，设计多组某次或几次滤波 器，根据牵引负荷的变化，通过晶闸管分级改变补偿出力，使功率因数和谐波都 满足要求，但对负序不能抑制，此方案优点是响应速度快，不产生过电压，但 投资大。 5 、无源滤波器+ 有源滤波器：优点是无功补偿效果好，谐波治理彻底，但 结构复杂，造价高，运行费用高，技术尚未成熟，还不宣在我国电气化铁道中普 遍使用。 6 、三单相平衡变换器【4 7 】：从理论上能使功率因数、谐波及负序均达到满意 的结果，但受到技术限制。 7 、功率调整器( r p c ) ：对功率因数、谐波和负序均能达到满意的效果，在 日本已投运，但由于技术限制，在我国电气化铁道上投运还不现实。 l 绪论 8 高功率因数变流器f 弛3 7 】：此方法是对整流器本身进行改进，使其尽量不产 生谐波，且通过适当的控制可使电流和电压同相位，即功率因数为l 。但没有抑 制负序的作用。 从上述方案看，都能在提高功率因数的同时使高次谐波得到治理。但是对于 电气化铁道这种特殊的负荷，对其进行综合补偿，不仅要包括无功补偿和减少高 次谐波，还有一个不容忽视的抑制负序问题；另外补偿方案还必须结合我国国情， 既要保证治理效果，又要做到经济合理。综合分析，上述各方案用作牵引变电站 的综合治理显然仍有不理想之处。 1 3 论文的主要工作 本论文主要研究以下四个问题： ( 1 ) 滤波器的优化设计 分析电力牵引负荷的谐波电流变化规律，根据无功补偿与谐波抑制原理。采 用约束极值的非线性规划方法( 广义拉格朗日乘子算法及步长加速法) 对滤波器 进行优化设计。 ( 2 ) 牵引变电站的两相优化补偿方案 根据y n d l l 接线的牵引变压器的特点和两供电臂的负荷分布，合理地配置两 供电臂上的无功补偿容量，以期实现在提高功率因数的同时，使电铁负荷注入电 力系统中的负序电流降到最小。采用c + + b u i l d e r 5 0 编制了根据负荷变化而调 整两供电臂补偿容量的程序，并对该补偿方案的补偿效果和常规补偿方案的补偿 效果进行了比较和分析。 ( 3 ) 基于斯坦美兹原理的三相补偿方案 利用斯坦美兹( s t e i n m e t z ) 原理，在牵引变电站的低压侧配置三相补偿容 量，在提高功率因数的同时，把不对称的电力牵引负荷转化为三相平衡负荷，从 而消除注入电力系统的负序电流。采用c + + b u i l d e r 5 0 编制了根据牵引负荷变 化而调整三相补偿容量的程序，对补偿结果进行了分析。 ( 4 ) 采用2 2 0 k v 供电方案 我国目前的电力牵引负荷大都是从1 l o k v 电网获取电源，由于1 l o k v 电网对 负序和谐波的承受能力有限，并且目前许多电气化铁道的负序和谐波没有得到有 效的治理，大量的负序电流和谐波电流注入电力系统，威胁电力系统安全运行。 随着系统电压等级的提高，短路容量增大，电网对负序和谐波的承受能力也会增 强。根据这个特点，本文分析了从2 2 0 k v 电网直接获取电源的可行性，并提出了 适用于牵引变电站新建和改建的接线方式，以期缓解电力牵引负荷对电力系统的 影响。 郑州大学工学硕士论文 ! 鼍, l l l ! i 毫目! ! ! ! 自e 寡| ! ! ! ! 曼 2 电气化铁道负荷分析 由于电气化铁道具有性能优良、适宜高速重载、能耗小、运营成本低、能源适应 范围广、环境污染少等优势。所以许多发达国家的铁道电气化发展都比较快，尤其是 欧洲，例如瑞典的铁道电气化率在2 0 世纪8 0 年代初就达到了6 2 。改革开放以来， 我国的电气化铁道也得到了很大的发展，据统计2 0 0 1 年8 月底，我国电气化铁路已 达1 6 8 7 6 公里，占铁路总运量的l 3 ，“十五”期间铁道部将继续建设和改造电气化铁 路，这将给我国国民经济带来巨大的经济效益。但与此同时，由于电力牵引负荷要产 生大量的负序和谐波，也会增加对电力系统和广大电力用户的影响。 本章主要分析电力机车的结构及其产生的负序和谐波电流，针对y n d l1 接线的牵 引变电站，分析其注入电力系统的负序电流和谐波电流随负荷变化规律，推导出相应 的计算公式。 2 1 电力机车的结构及其产生的谐波电流 目前我国国产的电力机车车型主要有韶山一1 型、韶山3 型和韶山一4 型等，更新 盼车型，如韶山一8 型，也在陆续交付使用；此外还成批进口了法国制造的8 k 型、6 g y 型，前苏联制造的8 g 型和日本制造的6 k 型。电力机车采用单相整流桥，其脉动数只 有2 ，特征谐波包括全部奇次谐波。韶山一1 型、韶u h - 3 型和韶山一4 型原理性结构图 分别如图2 - 1 、图2 2 、图2 3 所示。 卜 宙z l 韶山一1 型电力机车原理性结构囤 聪卫l 蜘m t 幽妞妇h m d t m o f s h s l m 1 i d e l 1 并 r ，峥 l 畸 峙 到 r ，”峥 卜q 卜 叫，j 峥 = ；f ) 3 一 国z 一2 韶山一3 型电力机车原理性结构囤 f 酿2 0 岫b t r m 虹r e o f e l e c t r i cl o c o m o t i o f 轴蛩- 2m d e l 韶山1 型电力机车全部采用二极管整流，靠变压器有载调压来调节负荷，属于非 相控型电力机车。和相控型电力机车相比，韶山一l 型电力机车的谐波电流含有率和谐 波电流相角的分散性都较小。 韶山3 型电力机车和韶山4 型电力机车采用晶闸管整流，属于分段相控型电力 机车，其谐波含有率比非相控型要高。分段相控型机车在轻载时的谐波电流含有率和 谐波电流相角的分散性都很大。 2 电气化铁道负荷分析 厂t 一 f 1 ” 帚 _ j i i 盍j 厂t 一 | 囤2 3 韶山幢! 车头的一个单元 n e 2 嵋赫慰矗1 1 ：盎沁h ”“”征 表2 - 1 列出了韶山1 、韶山3 和韶山4 型电力机车在满载和半载时的主要谐波电 流( 3 、5 、7 、9 、1 1 次) 和基波电流i l 。 表2 - 1 翻山型机车的2 5 k v 侧的b 、k1 7 、马、i z l 和i l单位( ) t a b l e2 - 1t h eh b i l l l o n i cc u n n m ti z 。b ，i ，j “r n j la t2 5 k vs i d eo f t h e $ t 啮o s h a am o d e l 谐波电流 基波电 车型负荷 流1 1 1 31 51 7bi l l 韶山 满载。4 2 删 4 52 ：1：1 15 ，52 b 2 0 6 1 型 半栽，2 1 删 2 6 1 3b4 g 2 71 0 3 韶山 耩栽，4 g 鲫 5 02 41 263 62 a 型 半裁2 4 u 2 b：1 4b43 21 1 5 韶山 耩戡6 4 删 6 13 21 7) 8) 3 65 4 型 4 q 颇荷。2 5 6 1 唧 2 b1 2 u l bt 3 一1 0 3 2 2 61 2 2 从表2 1 中可以看出，各种电力机车都会产生较大谐波电流，这些谐被电流都 远远超过了国标中所规定的限值，如果不对电力机车所产生谐波电流加以治理，它们 将会全部注入电力系统，对电力系统的运行造成威胁。 2 2 电气化铁道供电系统注入电力系统的负序及谐波电流 牵引变电站是连接电力系统和电气化铁道供电系统的桥梁，其高压侧通常与 1 l o k v 级电网连接，低压侧向在供电臂上运行的各台电力机车供电。因此，电力牵引 负荷注入电力系统的负序和谐波电流不但取决于电力机车的型式和数量，也取决于牵 引变电站的电压等级、牵引变压器的类型和接线型式，以及接触网的长度和制式等。 我国当前电气化铁道供电系统采用的牵引变压器主要有三种，即y n d l l 接线的三 相变压器、v v 接线的单相变压器组和t 型接线的斯考特( s c o t t ) 变压器。前两种 高低压之间为三相量的变换，后一种为三相量与两相量的变换。本文主要讨论y n d l l 接线的三相变压器的牵引变电站。 郑卅l 大学工学硕士论文 2 2 1 牵引变电站注入电力系统的负序电流 图2 4 为采用y n d l l 接线牵引变压器的供电系统图【3 2 ，”】。高低压侧额定电压比为 1 1 0 + 2 2 ，5 2 7 5 k v ，低压侧c 相固定接地，a 、b 两相与供电臂相连。 图2 4