（电力系统及其自动化专业论文）大秦线综合补偿方案研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第f f 页 墨皇曼皇皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼曼曼曼曼曼曼! i , 1 , i i 曼曼皇曼罡 a b s t r a c t d a q i nr a i l w a y i sam o d e r n i z e dd e d i c a t e dt r a n s p o r t a t i o nl i n ef o rc o a l ，w h i c hi st h ef i r s t h e a v yh a u le l e c t r i f i e da n dt h em o s ti m p o r t a n tr a i l w a yi nc h i n a t h ee l e c t r i c a lr a i l w a yi sa s p e c i a lu s e ro fp o w e rs y s t e m ；t h e l o a dh a sm a n yd i s a d v a n t a g e sl i k ea c u t ef l u c t u a t i o n ， n o n l i n e a ra n da s y m m e t r y i tp r o d u c e ss e r i a lp o w e rq u a l i t yp r o b l e m ss u c ha sr e a c t i v ep o w e r e x c e s s i v e ，n e g a t i v ee x c e e d i n g ，c o n t a i n i n gh i 曲h a r m o n i c t h e s ep r o b l e m si n f l u e n c en o to n l y t h eo p e r a t i n go fe l e c t r i c a lr a i l w a ys a f e l ya n de f f i c i e n c yb u ta l s ot h ep o w e rq u a l i t yo fp o w e r s y s t e m ，t h u si n f l u e n c eo t h e ru s e r s t h e r e f o r e ，t os o l v ep o w e rq u a l i t yp r o b l e m so fd a q i n r a i l w a yi sav e r ys i g n i f i c a n tr e s e a r c ht o p i c ，w h i c hw o u l dn o to n l yr e d u c eo p e r a t i o n mc o s t so f t h ed a q i nr a i l w a y , b u ta l s op r e v e n tt h ee l e c t r i c a lp o l l u t i o ni n j e c t e dt ot h ep o w e rs y s t e m i nt h i sp a p e r , b a s e do nt h ed e t e c t e dd a t ao fat r a n s f o r m e rs u b s t a t i o no fd a q i n r a i l w a y , t h ep o w e rq u a l i t yo ft h i st r a n s f o r m e ri sa n a l y z e d , a n dt h ep u r p o s eo fc o m p r e h e n s i v e c o m p e n s a t i o ni sd e t e r m i n e d a i m i n gt ot h ew i r i n gm o d eo fs c o t tb a l a n c et r a n s f o r m e r , t h e a n a l y s i sm e t h o d so fr e a c t i v e ，n e g a t i v ea n dh a r m o n i ca r ei n t r o d u c e d i nt e r m so fa n a l y s i so f p r i n c i p l ea b o v e ，ad u a l p h a s es v gp r o g r a m i s p r o p o s e ds i n c ec o m p a r ew i t ho t h e r c o m p e n s a t i o np r o g r a m t h e nt h ep r i n c i p l eo ft h i ss v gi se l a b o r a t e d ，t h es t r u c t u r e i s a n a l y z e d , t h eb a l a n c ep r i n c i p l ea n dt h ee q u a lm o d e l si nr a i l w a yp o w e rs u p p l ya r ea l s o a n a l y z e d f o rt h es i m p l e - p h a s ef e a t u r eo ft r a c t i o n 鲥da n dt h ea c t i v ep o w e rc i r c u l a t i n g b e t w e e nt h et w oa r m s ，a ni m p r o v e dm e t h o do fs i m p l e - p h a s ec o m p e n s a t i n gc u r r e n td e t e c t i n g i su s e d a n dt h e nt h ec o n t r o ls t r a t e g yi sf o r m u l a t e d ，t h et r a c k i n gc o n t r o lo fi n s t r u c t i o n c u r r e n ti sr e a l i z e d o nt h eb a s i so ft h ew o r ka b o v et h ec o m p e n s a t i o nc u r r e n tn e e d e di s p r o d u c e db yt h ed u a l - p h a s es v g o nt h ea n a l y s i sa n d c o m p u t a t i o n ，t h ep a r a m e t e r o fm a i nc i r c u i ta n dt h ec a p a c i t yi st ob e r e a c h e d t h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h es v gi sb u i l du pb yu s i n gm a t l a b s i m u l i n k ，a n dt h e l o a dm o d e li sc o n s t r u c t e da c c o r d i n gt ot h ed a t ao fd e t e c t i n g t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ee f f e c t s o fr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o n ，n e g a t i v eb a l a n c ea n dh a r m o n i ci n h i b i t i o n a lea l l s a t i s f a c t o r y f i n a l l yt h ec o n c l u s i o ni st h a tt h ed u a l - p h a s es v gp r o g r a mi se f f e c t i v e k e yw o r d s ：d a q i nr a i l w a y , e l e c t r i c a lr a i l w a y , p o w e rq u a l i t y , c o m p r e h e n s i v e c o m p e n s a t i o n ，d u a l - p h a s es v g 西南交通大学曲南父遗大字 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密彤使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“，”) 学位论文作者签名：稚基 日期：z d fd 、乡、y指导：三_ 名2 ：0 荔- i v , 磐器日期：矽，秽 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下t 分析对比了国内外主流的现有补偿方案，提出采用基于双相型s v g 的综合补偿方 案。详细介绍了其结构、原理、检测和控制。并针对两种不同工况下牵引负荷的实例 进行仿真验证。证明了方案的有效性。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：多嵌星 同期： 2o ) d 、。髟 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 课题研究背景及意义 第1 章绪论 铁路是我国最重要的交通运输方式之一。对于铁路牵引动力来说，交流电力牵引 比蒸汽、内燃牵引更具优越性，主要体现在运输能力强、污染小、行车安全等方面。 这使其自2 0 世纪5 0 年代之后在世界范围内得到了迅速发展，并在重载、高速铁路运 输中发挥着越来越大的作用i l j 。 自上世纪7 0 年代特别是改革开放以来，铁路作为国民经济发展的先行官受到特别 重视，电气化铁路自然得到了优先而重大发展。到2 0 0 5 年底，我国铁路营业总里程达 7 5 万公里，其中复线铁路2 5 万公里，电气化铁路2 0 1 3 2 公里，己超过日本、印度， 跃居亚洲第一位、世界第四位。“十一五”期间，铁路投资将加速，电气化铁路将迎来 飞速发展时期。在中长期铁路网规划中显示，到2 0 2 0 年，全国铁路营业里程达到 l o 万公里，国内铁路复线率、电气化率均达到5 0 ，分别比2 0 0 2 年增长1 7 个百分点 和2 5 个百分点，提升空间较大，承担的运量比重也将达到8 0 以上。电力牵引将成为 干线运输的主要方式。 工频交流电气化铁路经济、可靠的优势依赖于给其供电的强大供电网电力系 统。相比三相电力系统而言，工频交流电气化铁路的供电系统是单相接地的一个供电 系统，加之采用交一直型能量变换方式，使得无功成分多、负序突出、谐波含量大，成 为影响电力系统经济与安全可靠运行的不良因素，一直受到电力系统和铁路供电技术 人员、学者的广泛关注【23 | 。 功率因数低，无功含量大，不仅造成不容忽略的有功网损和额外占有三相系统的 设备容量，负序功率( 电流) 还在三相系统中产生不对称压损，降低电动机、发电机 的正常出力，严重时还会危及发电机的安全运行。负序和无功功率加上其波动性，使 三相系统设备( 以牵引变压器为典型代表) 的负荷率和容量利用率变低成为必然。牵 引负荷中的谐波对电力系统有着多方面的危害，但牵引负荷谐波有着自己的特点，就 是穿透性，它能通过任意接线变压器而进入系统，无法用级联变压器( 倍相) 法将其 中某次谐波挡住。当有谐波和负序分量进入电网时，不仅会造成供电质量下降，还会 对电力系统造成危害。由无功补偿电容器组引起的诸振或谐波电流放大会造成电容器 的损坏；变压器保护误动跳闸；线路继电保护的误动作；电机因过热而大批损坏；延 缓输电线路潜供电流的熄灭；导致单相重合闸失败或不能采取较短时间的自动重合闸 等。另外，谐波电流在电网中流动时会产生有功功率的损耗，使供电系统网损增加， 而且谐波和负序电流产生的综合危害曾引起大容量发电机的跳闸，谐波干扰也曾造成 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 2 2 0 k v 线路保护误动作跳闸而引起大面积的停电【4 5 1 。 因此，不论从保证电力系统和牵引供电系统的安全经济运行还是从保证设备和人 身的安全角度来看，有效的电能质量治理方案及其工程化实施已成为电气化铁路迫在 眉睫的需要1 6 7 s 】。 1 2 电气化铁路电能质量问题 电气化铁路是电力系统中的一个比较特殊的用户，主要特点是对供电可靠性要求 比较高，且牵引负荷具有非线性、不对称和随机波动性【9 1 。电气化铁道电能质量问题一 直是被关注的重点【2 1 。以下将对有关电气化铁路电能质量问题产生、特点、危害进行说 明。 1 2 1 无功功率及其影响 传统的无功功率是指由储能元件引起的负荷与电源之间能量交换的最大值，是负 荷与电源间交换能量的一种量度。但随着科技的发展，许多非储能元件也会吸收无功， 这主要是由器件的非线性引起的。电力系统中的无功消耗主要来自两个方面，一是输 电系统自身吸收的无功，另一方面是负荷消耗的无功。输电设备在输送电能时要吸收 一定的无功功率，在高压输电网络中，为了提高线路的输送容量和系统的稳定性一般 会对这部分无功进行补偿，如对输电线路进行串联补偿以及在一些重要的节点进行并 联补偿等。负荷吸收的无功功率主要是指感性负载和大量的非线性负荷消耗的无功， 如工业生产和日常生活中经常使用的异步电动机、日光灯，以及各种变流装置、工业 电弧炉、电气机车等，这些负载当中有些容量非常大，在启动和正常工作时都要吸收 大量的无功功率，常常会引起电压的波动和畸变。 我国电气化铁道所采用的电力机车主要是交一直整流型的，整流型电力机车的功率 因数一般为0 8 到o 8 5 之间，由于牵引网阻抗的影响，牵引变压器低压侧的功率因数 又要降低0 o l 到o 0 5 ，通常取0 8 0 到o 8 2 ，由于牵引变压器阻抗的影响，牵引变电所 高压侧的功率因数还要降低约0 0 5 ，平均取0 7 7 到0 7 8 。尽管交一直一交整流型的和谐 机车出现，其功率因数约为0 9 5 ，但是交一直、交一直一交混跑使得电力牵引负荷的功率 因数依旧低，不但使牵引变压器等牵引供电系统设备不能得到充分利用，而且对电力 系统会产生下列不良影响： ( 1 ) 降低发电机组的输电能力和输变电设备的供电能力，使电气设备的效率降低， 发电和输变电成本提高。 ( 2 ) 增加了输电损耗，降低了系统的经济效益。 ( 3 ) 增加输电网络中的电压损失，引起电压的波动和闪变。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 2 谐波及其危害 1 电气化铁路谐波产生特点 我国电气化铁道采用单向工频交流制供电，电力机车的受电弓由接触网获取电流， 经过降压变压器、整流装置、平波电抗器驱动直流牵引电动机，经钢轨和大地流回牵 引变电所。由于机车牵引变压器、整流器、平波电抗器等的影响，使机车原边侧电流 发生畸变，交流侧不再是正弦波，包含丰富的谐波成分。机车每个转向架的牵引电动 机各由一套整流装置供电，整流装置为两段半控型整流桥，交流侧分别由独立的牵引 绕组供电，输出整流电压串联后经平波电抗器供给直流牵引电机：由于移相触发导通 和换流过程，牵引绕组侧交流电流会发生畸变和相位移，从而使电流中含有各次谐波， 并且各次谐波电流与谐波次数成反比例变化，基波电流滞后电压妒，基波负荷功率因 数等于c o s ，妒值伴随移相控制角秒的增加而增加。在研究交流电气化铁路的高次谐 波特性时，可以将单相相控整流电路看作是由基频负荷和谐波信号源组合而成，它所 产生的谐波电流将经牵引网注入电网，对其他用户造成干扰。由于作为整流器负载的 直流电机和平波电抗器可以看作是感性负荷，故在忽略换向重叠角和直流电流脉动的 条件下，变流器所输出的交流电流为理想方波，而由于实际电路中直流电流的脉动和 换向重叠角的存在，使交流输入电流中高次谐波的含量较方波电流有明显的改善。但 交流电抗的增加一方面有利于抑制原边电流中高次谐波含量，但另一方面却加大了交 流侧基频电流和接触网电压之间的相位差，也即导致功率因数的下降，并进而增加运 行的损耗，所以实际应用中必须加以折中。 针对以上，可以知道电气化铁道的谐波有以下特点： ( 1 ) 单相独立性，我国铁路供电系统均采用两相供电制，但两相负荷相关性很小， 通常认为两臂负荷是独立的。所以整流器电力机车所产生的谐波中将包括大量的三次 谐波，这是电气化牵引供电负荷与常规拖动系统谐波特性上的一个重要不同。 ( 2 ) 随机波动性，由于相控机车电流的波形随相控角的变化而改变，谐波电流随 基波负荷剧烈波动，因此谐波含量将取决于机车的运行工况。 ( 3 ) 相位广泛分布，电气化铁道谐波向量可在复平面4 个象限上广泛分布。 ( 4 ) 高压渗透性，电气化铁道是为数不多的高压用户，其任一次谐波都通过高压系 统向全网渗透，不受变压器接线方式的阻碍。 ( 5 ) 稳态奇次性，单相整流负荷在稳态运行时只产生奇次谐波，只在涌流中含有偶 次谐波。实测机车谐波电流为负荷电流的百分数：3 次为2 0 到2 5 ，5 次为1 0 到1 3 ， 7 次为6 到8 。 2 谐波的危害 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐 波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化。 谐波产生的危害是多方面的，根据危害对象分为三类分别为对输电系统的危害、对电 力用户的危害和对通讯系统的干扰。谐波对输电系统的危害主要有四点： ( 1 ) 谐波使供电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备 的效率，大量的3 次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。同时为了提高供 电的可靠性，还会为此增加设备的预留裕度，从而降低了系统的输送能力和经济效益； ( 2 ) 谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还 会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部过热。当系统阻抗在谐波电流的激励 下产生共振时，还会出现谐波过电压，使电容器和电缆设备过热、绝缘老化、寿命缩 短，以致损坏； ( 3 ) 谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大。谐波成 分过高时，可能引起继电保护误动，从而导致误操作，诱发系统解裂甚至大面积停电 等一系列重大事故；也可能使自动装置失灵，二次回路频繁动作，造成继电器弹性疲 劳、接触不良或触点粘连； ( 4 ) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。 而谐波对电力用户的危害主要表现在： ( 1 ) 使机械加工工业和精密制造业的加工精度达不到要求，造成产品质量不合格， 带来资源浪费，也影响了生产的连续性，给企业和社会造成了损失； ( 2 ) 谐波电压可能引起局部的并联或串联谐振，形成局部过电压，造成负荷的绝缘 损坏或过流； ( 3 ) 谐波对电能质量要求较高的计算机用户也会产生较大的影响； ( 4 ) 谐波对通讯的干扰也很大，影响通信的质量，甚至可以导致信息的丢失，使通 信线路不能使用。 1 2 3 负序电流的影响 电气化铁道供电系统的牵引负荷是电力系统中一个不对称程度较为严重的负荷， 对于更大容量的高速电气化铁路客运专线，由负序电流引起的三相电压不平衡问题将 更加突出【1 0 】。三相相电压不平衡问题不可忽略地给电力系统造成不利的影响，主要危 害是在系统中产生过量的负序电流和电压。负序电流对输电线路和电力变压器的影响 一般不大，因为大多数线路和变压器不是满载的，在热容量方面有很大的余地。但对 系统中发电机和电动机，由于一般在满载或接近满载的情况下运行，其热容量没有余 地或余地很小，额外的潮流会带来额外的温升，容易使电机过热而缩短绝缘寿命。因 此，负序电流对系统中的发电机和电动机影响较大。对于负序电流产生的各种影响， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 下面分别说明。 1 负序电流对发电机的影响 发电机都是按在三相平衡负荷下达到额定出力设计的，这时定子所产生的旋转磁 场与转子转速相同，均为同步转速，而且方向相同。这样，在发电机转子励磁线圈内 部，只有正常的励磁电流。但当发电机向不平衡的负荷供电时发电机电流中除正序分 量外，还包括负序电流分量。负序电流在定子线圈中流过时将产生负序的旋转磁场， 其转速与转子转速相同，但方向相反，即相对速度为同步转速的两倍，这一高速的旋 转磁场扫过电机转子的表面时，将在转子励磁线圈、阻尼线圈以及转子本体表面感应 出两倍同步频率的电流，引起额外的温升。同时，转子线圈中感应的两倍同步频率的 电流产生脉动转矩，因而两倍同步频率振动使旋转电机产生额外的机械应力。发电机 转子结构对于在静止电流不平衡时的容许负荷有决定的意义。例如，对于隐极式电机， 由于转子线圈置于转子本体上所刻出的槽中，但负序电流超过一定数值时，由于涡流 严重所引起的额外温升使转子过度发热，因而使发电机出力受到极大的限制，甚至绝 缘快速老化而烧坏：而对于凸极式电机，由于转子线圈绕在磁极上，涡流较小而且易于 冷却，因而温升较小。但是，由于d 轴和q 轴的磁导相差较大，因而负序电流所产生 的脉动转矩使其振动明显增大，当负序电流超过一定数值时，致使电机振动超出允许 范围。 2 负序电流对电动机的影响 负序电流对电动机的影响和隐极汽轮发电机类似，只是因为电动机一般都是容量 较小而数量很多和分布很广，难于逐台进行计算和监测。因此，一般只对公共连接点 的负序电压进行监测。电动机的负序阻抗约等于短路阻抗，即负序阻抗比正序阻抗小 得多。在一般情况下，5 的不对称电压可以引起约4 0 的不平衡电流。因此，实际上 可以认为电动机允许的电压不对称度应在5 以内。中华人民共和国国家技术监督局制 定的电能质量三相电压允许不平衡度标准第3 1 条说明，电力系统公共连接点正常 电压不平度允许值为2 ，短时不得超过4 。 3 负序电流对继电保护和安全自动装置的影响 负序电流对继电保护和安全自动装置的影响主要是对线路高频相差保护的影响， 当负序电流较大时，高频相差保护会误动作。 1 3 国内外有关电气化牵引带来的电能质量问题研究 无功、负序、谐波的存在时从三相电力系统取电的电气化铁路单相交一直系统所固 有的三大技术问题【31 饥。长期以来，国外对电气化铁路电能质量问题非常重视，而且国 际上对这三大技术问题的研究成果与对策也不尽相同。英国主要关注负序和谐波，基 本代表欧共体的情况。前苏联则注重电压调整和无功补偿，兼顾负序和谐波的补偿， 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 曼曼曼皇曼曼曼曼量曼曼曼曼詈i ；i o 一一 i ；i； 一i i i i 曼曼寰 基本以改善牵引供电系统自身的技术指标为主要目标。相比而言，日本的研究和应用 较为全面，如可调无功补偿及滤波，三相单相对称变化系统。但无论如何都未从理论 上将无功、负序乃至谐波的研究更全面、完备地统一起来。 国内对这三大技术问题的认识也有一个发展的过程。电气化铁路建设初期，比较 注重负序，当时电气化铁路里程短，对电力系统造成的不良影响也是局部的，后来对 功率因素愈加关注。提高功率因数的技术上可行、经济上合理的现实方案是不可调并 联补偿，但因牵引负荷的随机波动性，过补偿和欠补偿是必然要发生的过程。电力部 门在过补偿反计( 返送反计) 无功的基础上又进一步提出了过补偿不计( 返送不计) 、 过补偿正计( 返送正计) 的无功计量方法【1 1 1 ，其中过补偿正计使不可调并联补偿用于牵 引供电系统的经济性受到严重挑战。随着电力电子技术的发展及其在电力系统的广泛 应用及电力系统中谐波水平的逐渐高涨，各国分别制定了限制谐波水平的标准、规定 等。电气化铁路发展的趋势是牵引变电所的容量不断扩大，虽然采取了一些平衡负序 的措施，如采用平衡接线变压器，但负序造成的不良影响仍不容忽视，并且在个别地 区会造成严重的后果，如1 9 8 6 年大同二电厂机组事故，1 9 9 1 年河南信阳地区2 2 0 k v 线路跳闸等，因此国家制定标准加以限制是非常必要的。 电能质量问题受到人们越来越多的关注【1 2 4 1 ，应加以控制。主要有两种方案。一 种是在干扰负荷主电路上进行，叫源头控制，如改交直型机车为交直一交机车或动车 组，可以从根本上解决诸如功率因数、谐波等问题。二是另外辅以技术手段进行补偿， 这里主要讨论的是牵引变电所综合补偿技术。近年来国内外就电气化铁路电能质量综 合补偿问题进行了广泛的研究和试验，提出了许多方案，其中有的方案已在现场实施 投运，比较主流的是基于电力电子元件补偿方案，例如澳大利亚昆士兰铁路牵引变电 所全面实施的s v c 方案，日本新干线采用的静止功率调节器方案，上海南翔变电所采 用的背靠背s v g 方案等。在牵引变电所设置电能质量综合补偿装置是解决电气化铁路 电能质量问题的有效措施。 1 4 本论文主要工作 提高电气化铁道电能质量是发展我国铁路运输的重要问题，也是诸多专家深入研 究的一个问题。随着电力电子技术发展与成熟，特别是s v g 的出现，为人们解决谐波 和无功尤其为电气化铁路的综合电能质量治理提供了新的方法。本文的工作正是在此 情况下进行的，目的是通过对相关问题的研究，综合治理大秦线电能质量。归纳起来 本文主要做了以下几个方面的工作： 1 简要介绍了我国电气化铁路电能质量问题。处理并分析了实测数据，对当前主 流几种补偿方案进行了对比。对大秦线典型牵引变电所电能质量进行分析，主要包括 该变电所谐波参数、功率因数、不平衡度，确定治理目标。通过并给出所采用的方案 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 原理图。 2 对牵引变电所无功、负序特性进行了分析研究；并对牵引变电所谐波参数计算 进行了简要分析，这些为方案的设计提供了理论依据。 3 对双相型s v g 的工作原理以及结构进行了简要介绍，分析了其无功补偿、谐 波抑制、负序平衡的原理。对现行的补偿电流快速检测原理及方法进行了分析，在此 基础上给出所采用的检测方法，并对s v g 的控制策略进行简要介绍。 4 基于原理及分析，给出s v g 主要接线参数、补偿容量。根据其工作原理，搭 建m a t l a b s i m u l i n k 仿真模型；针对线路负载的两种工况，根据实测数据构造负载，经 过仿真分析，评价系统补偿效果，仿真结果表明该方案实现了大秦线电能质量的综合 治理。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 第2 章大秦线电能质量现状分析及补偿方案 大秦铁路自山西省大同市至河北省秦皇岛市，纵贯山西、河北、北京、天津，全 长6 5 3 千米，是中国西煤东运的主要通道之一。它是中国第一条单元电气化重载的现 代化运煤专线，全长6 5 3 公里，它的上游连接着煤炭储量达6 0 0 0 多亿吨的货源地，下 游连接着世界最大的煤炭外运港秦莹岛港。它为全国4 大电网、5 大发电公司、l o 大 钢铁公司、3 6 8 家电厂和6 0 0 0 多家企业输送生产用煤。大秦线是我国国民经济的命脉 线，解决大秦线电能质量问题，保证其可靠、稳定运行是具有重大意义的。 2 1 大秦线电能质量问题 目前，线路上主要机车为s s 4 机车1 0 0 台和谐机车4 0 0 台( 0 9 年4 月调查) ，由 于重载而且线路繁忙，牵弓l 负荷造成大秦线功率因数低，注入牵弓l 网的谐波电流含量 大，负序问题也很明显。大秦线牵引网供电方式采用a t 供电方式，设有湖东、东城乡 等牵引变电所。本章基于湖东变电所2 0 0 8 年1 2 月实测数据分析该段线路主要电能质 量问题。该牵引变电所进线电压为1 1 0 k v ，牵引变压器采用的是s c o t t 接线方式的平衡 变压器，其额定容量为7 5 0 0 0 k v a ，该变电所采用并联固定补偿方式，现对该变电所部 分电能质量参数进行分析。 2 1 1 牵引变电所功率因数 对于电气化铁道这样的大工业类负荷，按原水利电力部和国家物价局颁布的功率 因数调整电费办法( ( 8 3 ) 水电财字第2 15 号) 规定，牵引变电所月平均功率因数不得低 于0 9 0 ，否则要接受惩罚。因此大秦线牵引变电所功率因数是本文关注的重点之一。表 2 1 统计了湖东变电所所测期间的平均功率因数情况。 表2 - 1 湖东变电所平均功率冈数 牵引变电所平均功率因数 湖东变电所( 反送不计) 0 7 2 3 6 湖东变电所( 反送正计) 0 7 1 7 5 图2 1 为该变电所返送正计情况下功率因数统计过程。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 营” _ 明os i 盘 差o t 童电所一 功￥园戤j i 遣正计， 图2 - 1 湖东变电所功率因数过程( 返送正计) 从上表2 1 可以看出：反送不计和反送正计情况下该牵引变电所的平均功率因数 相差不大，这是因为该变电所采用的并联固定补偿装置未投入，故功率因数考核远远 不符合国标要求。 2 1 2 牵引变电所的谐波情况 中华人民共和国国家g b t 1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波规定：2 2 0 k v 电 力系统公共连接点正常电压总谐波畸变率t d h v 允许值为2 o ，奇次谐波电压含有率 为1 6 ，偶次谐波电压含有率为0 8 。 中华人民共和国国家标准g b z 1 7 6 2 5 4 2 0 0 0 电磁兼容限值中、高电压电力系统 中畸变负荷发射限值的评估规定：1 1 0 k v 电力系统公共连接点正常电压总谐波畸变 率t d h u 允许值为3 0 ，t d h v 定义为交流电压各次谐波分量平方和的开方值与基波 分量的比值乘以1 0 0 。3 次谐波电压含有率为2 ；5 ，7 次谐波电压含有率为2 ； 9 次谐波电压含有率为1 ；1 1 次谐波电压含有率为1 5 。 表2 - 2 牵引变电所电压畸变率 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 表2 - 3 变电所1 1 0 k v 侧3 , 5 ，7 ，9 ，1 1 次谐波电压含有率 从上表2 2 可以看出：按照9 3 标准，该变电所的1 1 0 k v 侧三相压畸变率( 9 5 概 率) 均未达到国标的要求，而按照2 0 0 0 标准，该变电所的1 1 0 k v 侧a 相电压畸变率 ( 9 5 概率) 达到国标的要求，其余两相均未达到要求。 从上表2 3 可以看出：按照9 3 标准，a 相的各次谐波，b 相和c 相的7 , 9 ，1 1 次谐 波的谐波电压含有率均达到国标的要求，其余相的各次谐波未达到国标要求。按照2 0 0 0 标准，a 相的各次谐波，b 相的3 ，7 ，9 ，1 1 次谐波和c 相的7 ，1 1 次谐波的谐波电压含有 率均达到国标要求，其余相的各次谐波未达到国标要求。 2 1 3 牵引变电所电压不平衡度 中华人民共和国国家标准g b t 1 5 5 4 3 1 9 9 5 电能质量三相电压允许不平衡度规 定：电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2 ，其对应的值是9 5 概率大值： 短时不超过4 ，其对应的值是统计的最大值。同时，标准中还规定：接于公共节点的 每个用户，引起该点正常电压不平衡度允许值一般为1 3 。三相电压不平衡度定义为 三相电压负序分量与正序分量的比值乘以1 0 0 。 表2 _ 4 湖东变电所的电压不平衡度的统计值 图2 2 为该变电所电压不平衡度的瞬时曲线图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 45 4 3 5 垂： 蠢 = ：25 * 笛 2 船 15 1 图2 2 湖东变电所电压不平衡度瞬时曲线图 从表2 _ 4 可以看出：该变电所的电压不平衡度未达到国标的要求。 湖东牵引变电所是大秦线上具有代表性的一个牵引变电所，通过对湖东牵引变电 所测试数据的统计分析，可以认定该变电所电能质量水平很低。1 l ok v 侧供电电压水 平、电压不平衡度、电压综合畸变率及变电所平均功率因数各项电气指标都不同程度 超过相关国家标准，部分指标超标严重。以此为依据来制定综合补偿方案，以实现提 高功率因素；抑制谐波，治理负序的目的。 2 2 大秦线综合补偿方案 牵引供电系统电能质量，不仅取决于线路运行的机车种类、数量、密度有关，而 且与外部电源、各牵引变电所接线方式、变压器接线方式等因素有关。因此，在解决 电能质量问题上，往往是多方面治理。例如对负序的治理，采取了牵引变电所的换相 连接、三相两相平衡牵引变压器等特殊供电方式、在设计电气化铁路供电中合理配置 区段相位以及运行合理调度等措施，一定程度上使负序电流对系统的影响得到缓解， 但是从单个变电站来看，作为电气化铁路负荷的电力机车是一个时变负荷，其负序电 流总是存在的，对铁路沿线的电力设备的影响并未完全消除。另外，机车上安装车载 动态无功补偿装置来就地治理，这种方式具有提高机车功率因数、减小接触网电流与 接触网损耗、降低接触网电压损失、减少接触网中谐波电流的流入、减小对电力系统 的谐波影响等优点。但是这种方式与机车运行情况有关，不一定时时处处都能达到理 想的效果，而且投资较高。另外，改变外部电源、更换变压器也是不现实的。因此， 本节讨论的综合补偿方案都是在不改变牵引变电所基本结构的基础上进行的。 2 2 1 大秦线补偿方案对比 目前，应用于电气化铁路牵引变电所补偿的最常规方案的是设置并联电容无功补偿 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 装置1 15 1 ，以解决无功补偿和电压问题为主，兼顾滤除3 ，5 ，7 次谐波，对负序分量也有所 改善。该方案对于改善电能质量具有一定的效果，而且投资较小。但随着牵引负荷的 增加以及机车类型的改变，其存在的问题也日益突出，主要有以下几点： ( 1 ) 常规的固定电容无功补偿装置由于补偿容量不能调节，难以适应牵引负荷的波 动性，对于有使用交- 直机车的线路而言，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，受罚款现象仍然 普遍存在。 ( 2 ) 并联电容装置以无功补偿为主，考虑系统中3 次谐波较大，串联1 2 的电抗器 以限制涌流，并滤除一部分3 次谐波，但对于系统中谐波含量较大，谐波次数较多， 谐波频谱丰富的情况则很难适应，且容易造成电容器组的谐波过载、谐振等【1 6 1 。 ( 3 ) 对于牵引负荷较重的客运专线、重载货运铁路，仍然很难有效降低负序影响。 针对常规方案的不足，目前加装静止无功补偿装置( 或称动态无功补偿装置) 逐渐 得到应用1 1 7 】，静止无功补偿装置其容性部分设计成多个滤波支路，可以有效地减小波 动谐波源的谐波量；其补偿容量连续可调，可有效提高电铁的功率因数，并抑制电压 波动、闪变：具有综合的技术经济效益。动态无功补偿方案主要有以下几种。 1 静止无功补偿装置t c r 方案 这种方案是由晶闸管相控电抗器t c r 和普通并联补偿电容器组组合而成，具有快 速动态补偿无功的特点。该无功补偿装置是通过控制晶闸管的导通角来无级调节与负 荷并联的电抗器的电流从而控制其感性无功的变化，它与固定电容器补偿相结合，可 以动态补偿机车负荷变化产生的感性无功，达到提高功率因数的目的。利用滤波器解 决高次谐波问题。其主要特点是：可快速调节无功，提高系统电压，提高功率因数。 其缺点实：装置本身产生一定的谐波；对系统存在较大谐波污染的情况不适应；对晶 闸管元件的性能要求较高，实际运行中出现过烧损的现象。图2 3 为该方案的原理图。 = t c r3 次滤渡器5 次滤波器t c r3 次滤波器5 次滤波器 图2 - 3t c r 型s v c 方案 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 2 静止无功补偿装置m c r 方案 采用磁控电抗器配合并联电容器组( m c r 型s v c ) ，由补偿支路和磁控电抗器( 简 称m c r ) 并联支路组成，与( s v c ) 卒b 偿技术的主要区别在于磁控电抗器。装置利用直 流励磁原理，通过调节磁控电抗器的磁饱和度，改变其输出的感性无功功率，中和电 容器组的容性无功功率，实现无功功率的连续可调。目前提出小截面饱和技术在整 个工作过程中，大截面铁心段始终不饱和，仅小截面段饱和，且饱和的程度很高。这 样不仅增强了m c r 的控制精度，提高了装置的反应速度，而且有效降低了装置的损耗 和发热量。m c r 新型s v c 装置避免了晶闸管的串联使用，容量、谐波等关键技术指 标上与s v c 基本相当，损耗较小。其主要特点是：可快速调节无功，提高系统电压， 提高功率因数。缺点为：装置本身产生一定的谐波；对系统存在较大谐波污染的情况 不适应。图2 3 为该方案的原理图。 图2 _ 4m c r 型s v c 方案 3 静止无功补偿装置t s c 方案 在补偿母线上设置几组合适的电容器支路( 实际应用中一般设置成单调谐滤波器) ， t s c 控制器根据牵引网电压u 及电流i 来计算需投入的电容器支路数量，按一定的寻 优模式，通过晶闸管电子开关控制电容器支路的投人与切除，实现有级调节无功功率 的目的，最终使得系统的功率因数保持在较高的水平。为节约投资，实际应用中是将 牵引母线电压通过协调变压器降到一定的电压水平。t s c 型静止无功补偿装置响应速 度快，对无功电流有很好的补偿效果，但滤波效果不太理想，不能很好地抑制注人系 统的谐波，对星三角接线方式的牵引变电所来说，负序也没有抑制作用。图2 5 为该 方案的原理图。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 l p t s c ! t 爱2 2t s c 3 图2 5 t s c 型s v c 方案 4 单相动态无功补偿装置s v g 方案( 分别接入在两个供电端口的单相s v g ) s v g 属于第三代动态无功补偿技术，主要采用基于i g b t 电压源逆变器构成无功 补偿装置，不再采用大容量的电容器、电抗器，通过大功率电力电子器件的高频开关 实现无功能量的变换【18 1 。s v g 补偿装置在两个方面具有重要优越性，就动态无功补偿 而言，s v g 包含传统s v c 装置的一切功能而性能更好，体积更小，响应速度更快，补 偿能力更强；同时，s v g 具备传统s v c 没有的功能，传统s v c 装置产生大量谐波， s v g 装置不仅不产生谐波，还能动态补偿谐波，而s v g 与m c r 型s v c 、t c r 型s v c 相比，具备以下优势： ( 1 ) 动态快速连续调节无功输出 s v g 能动态快速连续调节无功输出，最大限度满足功率因数补偿要求，确保任意 时刻的功率因数大于0 9 5 。 ( 2 ) 谐波治理功能 晶闸管控制电抗器t c r 是通过改变触发延迟角的大小来改变其等效感抗，会产生 大量的谐波，即使系统中没有谐波，也必须配置滤波支路。磁阀式控制电抗器通过改 变其磁饱和程度来改变其等效电感，3 次谐波比较严重，也应当配置滤波支路，而对于 t c r 和m c r ，采用滤波器组后，当系统或负载参数变化时，可能发生谐波放大现象， 引起过电压危害设备安全，而s v g 不产生谐波，并且能够起到有源滤波器的作用。 ( 3 ) 能跟踪电网频率的变化，补偿性能不受电网频率变化的影响。 ( 4 ) 占地面积 s v g 占地面积小，可做成箱变式，根据客户需求，亦可做成移动式。占地面积要 比相同容量的s v c 小3 0 - 5 0 。 ( 5 ) 可靠性高，维护量小：s v g 采用模块化设计，满足i g b t 功率模块n 1 运行方 式，有效提高系统可靠性，减小维护量。图2 6 为该方案原理图。 以上为牵引变电所的几种补偿方案，对于s v c 来说，我国电铁供电系统中采用的 s v c 装置主要是并联在牵引网的单相s v c 结构，而s v g 使用还较少，随着成本的降低， 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 曼曼! 曼皇曼蔓苎皇曼曼量皇曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼量曼皇曼曼量曼曼曼皇曼曼曼曼皇! 曼曼曼曼曼! 曼曼曼曼曼曼i ii i ,曼! 皇曼曼曼寰 技术的进步，s v g 将会有不错的发展前景。但是上述方案的补偿或者某几种方案的混 合补偿，把变电所的两个供电臂分开对待，分别安装补偿装置来调节电能质量，这样做 存在以下不足之处： 一一 图2 - 6 单相s v g 补偿方案 ( 1 ) 忽略了两供电臂之间的相互影响，如果使用动态响应很快的有源设备，有可能 会使系统不稳定。 ( 2 ) 不易使两臂达到负载平衡状态，很难补偿负序电流。 ( 3 ) 安装在两供电臂上的补偿装置分别产生补偿电流，使补偿装置总容量增大。 为了克服上述缺点，在于把牵引变电所两个供电臂统一作为补偿对象。这样的方 案主要有以下两种： 1 铁路功率调节器( r p c ) 该方案为日本研究的适用于s c o t t 供电系统的电能质量综合调节方案。r p c 的结构 如图2 7 所示。其原理主要是利用变流器可以输出和吸收有功功率的特点，两个单相变 图2 - 7r p c 方案 流器通过共用的中间直流电容器作为换能环节来实现两个供电臂之间的有功功率融 通。实现功能包括抑制牵引供电系统的电压波动和三相电压的不平衡，补偿谐波和牵 引网压过低等电能质量问题。理论上，r p c 可以实现电能质量的综合治理，但是所需 容量通常很大。对r p c 来说针对不同的电能质量治理要求分为三种模式：r p c 模式( 主 要进行有功平衡、无功补偿、谐波补偿) 、s t a t c o m q 模式( 主要进行无功补偿、谐波 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 补偿) ，s t a t c o m v 模式( 主要进行电压补偿) 。其