电气化铁路电能质量及其综合控制技术.ppt

电气化铁路电能质量及其综合控制技术,西南交通大学电气工程学院,7.1电气化铁道电能质量问题,交直型电力机车谐波电流大：由相控方式决定；谐波为奇次谐波，主要为3、5、7次功率因数低产生负序电流交直交型电力机车功率因数接近1谐波含量低牵引功率大，负序问题突出,解决思路,谐波的抑制措施为减少谐波及其危害，可采取的抑制方法有：改进换流装置设置滤波装置此处重点介绍滤波器的原理。一、交流滤波器的用途降低电网的谐波电压或减少进入系统的谐波电流。与并联补偿装置配合使用，实现无功功率的补偿。交流滤波器的安装位置电力机车上牵引变电所中（牵引侧）,滤波原理非线性负荷一般可视为谐波电流源。h次谐波下，系统、滤波器及非线性负荷的模型如下图。系统谐波电流和谐波电压分别为理想滤波器时，实际滤波效果取决于滤波器阻抗及系统阻抗的关系。,二、交流滤波器的分类1按接入系统的方式，可分为串联和并联两种类型。串联滤波器串入系统调谐滤波器，利用LC并联谐振来阻碍谐波进入系统基波下呈感性经受全部电流，绝缘水平要求高并联滤波器并入系统调谐滤波器，利用LC串联谐振构成谐波通路基波下呈容性承受调谐的谐波电流和部分无功电流一般，并联滤波器性价比要好于串联滤波器。有时两者可混合使用。,2按调谐锐度，可把并联滤波器分为调谐滤波器和阻尼滤波器两种调谐滤波器调谐在某一、二次较低次谐波上，其中串联（等效）电阻很小，也称高Q（品质因数）滤波器。阻尼滤波器在某一宽频带上呈现低阻抗（如高通阻尼滤波器），其（等效）电阻较大，也称低Q滤波器。3按阶数可把并联滤波器中的阻尼滤波器分为一阶、二阶和三阶等阻尼滤波器。重点讨论并联滤波器。,三、常用滤波器及其特性1调谐滤波器单调谐滤波器忽略电阻，相对阻频特性为其中为单调谐支路的固有频率,双调谐滤波器,2阻尼滤波器常见的有一阶阻尼和二阶阻尼型两种.一阶阻尼滤波器二阶阻尼滤波器,三阶阻尼滤波器三阶阻尼滤波器C型滤波器调谐滤波器比阻尼滤波器对元件参数精度要求高。元件参数变化及电网频率偏移都会使调谐滤波器失谐。设计时，需要在谐振点上向感性区做适当偏移。,为加强滤波效果，最经济有效的方法是对电气化铁道，采用3次、5次和7次单调谐滤波装置。,负序在电力系统中所造成的不良影响，如额外占用系统及设备容量，造成附加网损，引起系统电压不对称，降低发电机和电动机出力等。为使电力系统经济运行和提高电能质量，尽可能降低负序是十分必要的。,降低负序影响的措施,理论依据由负序电流的一般表达式来观察负序的合成特性：,可见，在各种负荷条件不变的情况下，只要合理安排负荷所在的端口，就能最大程度的使构成负序电流的各分量互相抵消，从而减少总的负序电流。,抑制负序主要措施平衡接线变压器换相连接并联补偿同相供电,1平衡接线牵引变压器比较常用的是Scott接线牵引变压器。其他三相两相平衡接线牵引变压器，如接线、LeBlanc接线、Wood-Bridge接线等很少用到。,Scott接线变压器底（M）座绕组原边接入电力系统AB相（线电压），高（T）座绕组原边一端接底绕组的中点D，另一端接入C相。,牵引变电所换相联接,为整体减轻进入电力系统的负序分量，电气化区段的各种接线的牵引变电所几乎无一例外地实行换相联接，即轮换接入电力系统的不同相。大量实践证明，牵引变电所换相联接对减少电气化铁道对电力系统的负序影响是十分有效的。,牵引变电所换相连接的基本要求,各变电所单相牵引负荷轮换接入电力系统不同相，使电力系统三相负载对称。两个相邻牵引变电所的相邻供电分区同相，便于越区供电（纯单相变电所除外）。接触网分相绝缘器承受电压不超过网压。（三相牵引变电所换相时要考虑重臂负荷安排在超前相）,1单相牵引变电所换相连接方案1：由3台单相变构成相别循环,电分相上承受电压为,方案2：由6台单相变构成相别循环,电分相上承受电压为,2Vv接线变压器换相连接,（1）单相Vv相别循环,3三相YNd11牵引变电所换相连接,YNd11牵引变压器展开图如下,接线规则：按照给定供电臂相序次边：(c)端子接轨地；(a)端子接“+”电压供电臂；(b)端子接“-”电压供电臂。原边：按YNd11牵引变压器接线展开图完成原边接线,方法：先画出展开图，绕组定向，电压均为网地，相别正负分别对应，可确定绕组上电压相别，再根据原次边绕组对应画出原边接线图。,牵引变电所的并联补偿,1臂负荷（变电所）功率因数的提高下面以臂负荷功率因数的提高为例说明并联电容补偿的相关计算。,若将供电臂功率因数提高到，计算所需投放分补偿容量。以为参考相量做相量图和功率图。,求得需补偿的容量为,2功率损失的减少,供电系统在牵引端口的三角接等效电路如图中方框内的部分所示，其中为归算到牵引端口的三相系统短路阻抗与牵引变压器等值阻抗之和，且。,则当三相负荷对称时，由于负荷电流引起的三相功率损失为式中，供电系统相阻抗的电阻部分；变压器次边绕组电流；绕组电流的有功分量；绕组电流的无功分量。当采用并联电容补偿时，系统电流的有功分量大小不变，而无功分量减小，从而使功率损失相应减小。,则当三相负荷电流不对称时，由于负荷电流引起的三相功率损失为式中，、系统三相电流有效值；、系统的正、负、零序电流；、正序电流的有功、无功分量。设置适当的并联电容补偿可减小正序电流的无功分量，从而减小总的功率损失。,3变电所母线电压的提高以YNd11牵引变电所为例，考虑三个端口都有并联电容的情形。假设牵引端口无负荷，臂电流为、和，即补偿电容电流；对应的绕组电流为、和。,设引前，可画如右所示的端口电气相量图。下面主要关注绕组电流及其在引起的压降和压损。,以端口1为例，绕组电流所产生的牵引母线的电压降为则电压损失为化简后得由于上式中第一项接近于零，所以端口1的母线电压约提高了。,4并联电容补偿对负序电流的抑制,基本方法：计算变电所合成牵引负序电流。设置并补容量，设法使补偿装置的合成负序电流与反向。已知：以原边A相电压为基准所画的负序相量图中，各相负荷电流和并联电容的负序电流分量的相位关系如表所示：,以YNd11变压器为例：,取负荷电流、产生的负序分量为、，则牵引电流的合成负序电流为，三相并联电容补偿电流产生的负序分量分别为、。分三种情况讨论。,此时，即牵引电流在系统侧的负序分量基本为，以原边相电压为基准可画出负序相量图如下：为了抵消总的注入系统的负序电流，由相量图知，应在a、b两相设置并补。,（1）,此时，即牵引电流在系统侧的负序分量基本为，以原边相电压为基准可画出负序相量图如下：为了抵消总的注入系统的负序电流，由相量图知，应在b、c两相设置并补。,（2）,（3）此时，以原边相电压为基准可画出负序相量图如下：由相量图知，在b相设置并补即可。,7.2新型牵引供电系统,7.2.1牵引供电系统的负序、电分相与同相供电的概念2.1.1当前限制不平衡程度几种措施2.1.2电分相对电力机车安全平稳通过的隐患2.1.3同相供电的概念7.2.2同相供电的实现2.2.1采用无源对称补偿技术实现2.2.2基于有源补偿技术实现7.2.3独立供电系统2.3.1基本考虑与概念2.3.2独立供电系统的构成2.3.3可靠性、可维修性与经济性,既有牵引供电系统,2.1.1当前限制不平衡程度几种措施,采用三相一两相平衡牵引变压器两个端口负荷完全相同时，变压器原边三相电流对称日本广泛采用Scott变压器和变形Wood-bridge变压器。我国主要采用了阻抗匹配平衡变压器和Scott变压器。采用高电压、大容量电源供电日本采用154kV，220kV和275kV三种电压等级，法国采用235kV电压等级，意大利采用130kV等级，西班牙采用132kV，220kV两种电压等级,2.1.1当前限制不平衡程度几种措施,采用不平衡补偿装置如日本采用单相负荷补偿装置（SFC）采用换相联接,2.1.1当前限制不平衡程度几种措施,相邻两供电臂电压相角相差120时，电分相上承受的电压为供电臂电压的倍。,相邻两供电臂电压相角相差60时，电分相上承受的电压等于供电臂电压。,YNd11接线,2.1.1当前限制不平衡程度几种措施,2.1.2电分相对电力机车安全平稳通过的隐患,电分相不论在电气上还是在机械上都是薄弱环节，当重载、高速列车通过时，由于绝缘器形成的硬点对受电弓构成严重威胁，同时绝缘器也常因拉弧而烧损；一般沿电气化铁路每50km设一牵引变电所，若列车以300km/h行驶，则每5分钟就要过一次“电分相”。每当过“电分相”时，机车都要需要提前退级、断电，并依靠惯性滑过“电分相”。待过去之后再重新给电、进级行驶。这给列车司机的操作带来了很大困难，对于高速行驶列车，人工操作几乎不可能；,2.1.2电分相对电力机车安全平稳通过的隐患,接触网“电分相”处一般有100m左右的无电区，有的甚至达到300m，在无电区，电力机车只能靠惯性通过。当“电分相”处于上坡的长大坡道线路时，机车牵引满载的列车通过“电分相”就十分困难。目前解决该问题的一般方法是在“电分相”处装设自动过分相装置，但装置复杂，且因电压高、转换动作频繁，使其准确性和可靠度在应用中受到严峻挑战，至今在使用中的技术缺陷依然存在。,2.1.3同相供电的概念,解决上述问题的理想办法是采用新型的同相供电系统，即全线用同一相位的单相供电，更理想的是在同一线路或局界内贯通，则能最大限度地避免电分相，从而有利于重载和高速牵引。,2.1.3同相供电的概念,同相供电系统的优点：各变电所结构和接线完全相同，一次系统不存在换相联接，牵引侧各供电臂电压相同，从而可取消分相绝缘器，省去自动过分相装置，避免了列车断电过分相问题，实现了同相供电，消除了高速列车过电分相所存在的安全隐患，适宜高速铁路运行;同时由于各变电所结构和接线完全相同，便于运行维护。由于对称补偿装置作用，可以完全消除系统不平衡，滤除谐波并补偿无功。使变化剧烈、含有大量谐波、低功率因数的不对称单相牵引负荷，对电力系统而言仅相当于一个纯阻性的三相对称负荷。,2.1.3同相供电的概念,同相供电系统的优点：可以最大限度地提高变压器容量的利用率，常规的供电系统除单相变压器外，无论是YNdll接变压器，还是平衡变压器（包括Scott变压器、阻抗匹配平衡变压器、三相变四相变压器等）在实际中其容量都不能得到充分利用。以YNdll接变压器为例，容量利用率只能达到76%。但基于YNd11接变压器实现的同相牵引供电系统，变压器容量的利用率可达100%。供电的灵活性和可靠性提高，可根据要求断开或闭合分段断路器，实现单边或多边或贯通式供电，使牵引网电压损失和功率损失降低。,2.2同相供电的实现,采用无源对称补偿技术实现基于有源补偿技术实现,2.2.1采用对称补偿技术构成的同相供电系统,同相供电使用的对称补偿就是三相单相系统中无功与负序的综合补偿。经各种接线变压器和对称补偿来构成的单相供电系统可统称为三相单相对称补偿系统。同相供电系统中的变电所分为三种：(1)全补偿，它要求实现对称补偿，特别对负序有极好的抑制能力(2)半补偿，对补偿负序有适度要求；(3)不补偿，只用牵引变压器。,2.2.1采用对称补偿技术构成的同相供电系统,同相供电系统的牵引变电所的接线方式：线电压型-能与单相牵引变压器构成同相供电相电压型-其他形式，主要代表是YNd11接线线电压型的同相供电：一是既有或相似接线，主要是三相两相平衡接线，其中多数接线具有两重性，即能实现线电压型，也能完成相电压型的同相供电，如Scott，Leblanc，（变型）Wood-bridge及YN3d-1和YN等。因为，从等效观点看，其牵引端口要么取之于三相系统的某一相电压，要么取之于线电压。二是特殊接线，不论是全补偿，还是半补偿，它往往追求对称补偿装置的容量为最小或尽可能小。,2.2.1采用对称补偿技术构成的同相供电系统,（1）YNd11接线三相单相系统的对称补偿,综合补偿所要求的次边3个端口的容性电流为：,为负序补偿度,为无功补偿度且有：,2.2.1采用对称补偿技术构成的同相供电系统,模式全可调补偿,2.2.1采用对称补偿技术构成的同相供电系统,模式半可调补偿（平均牵引负荷IT）,情形1两非负荷端口设置可调补偿,2.2.1采用对称补偿技术构成的同相供电系统,模式半可调补偿（平均牵引负荷IT）,情形2单端口调节,2.2.1采用对称补偿技术构成的同相供电系统,模式不可调补偿（平均牵引负荷IT）,此时，各端口的并联补偿因不可调而由时平均牵引负荷确定。,2.2.1采用对称补偿技术构成的同相供电系统,YNd11接线牵引变电所三种模式的比较全可调补偿（模式）有最完善的技术性能，能使无功（功率因数）、负序、母线压损等得到综合、理想的补偿。半可调补偿（模式）中的情形1除负序补偿效果略优于情形2外，无功（功率因数）、母线压损等方面的技术指标都不及情形2，同时，情形2比情形1简单，投资也少，故是半可调补偿中的最优方式。不可调补偿（模式）的各项动态技术指标无法与可调补偿相比，但其结构最简，投资最省。,2.2.1采用对称补偿技术构成的同相供电系统,YNd11接线牵引变电所三种模式的选择从技术方面讲，当牵引变电所的一次系统较弱时，往往负序和压损较为突出，这种各模式的选取顺序往往是模式、；从经济方面讲，投资和收益要权衡，投资是按模式、依次递增的，而使牵引变压器节容、稳定或提高网压从而增加供电运输的能力也依次递增，从中再选出经济效益最优的模式。总的看，全可调补偿（模式）更适用于电力系统较弱或牵引系统需要较大扩能的场合，不可调补偿（模式）更适用于电力系统较强或牵引系统扩能要求不高的场合，半可调补偿（模式，主要是其中情形2）则介于这二者之间。,2.2.1采用对称补偿技术构成的同相供电系统,（2）特殊接线实现三相单相对称补偿系统采用特殊接线方式完成三相单相对称补偿，有两个目的：一是寻求无功、负序完备补偿的最简方式和最小容量二是能与单相接线牵引变压器相配合，实现同相供电，以期尽可能利用电力系统承受负序的能力，简化整个供电系统。实现三相单相对称补偿的特殊接线方式主要有不等边Scott接线、不等边YNvd接线、不等边V/v接线和YN2d接线等。,2.2.1采用对称补偿技术构成的同相供电系统,不等边Scott接线,并联电容端口k与并联电抗端口L相互垂直，端口1放置牵引负荷。则实现三相单相对称变换的并联补偿电容器和并联补偿电抗器容量随牵引负荷的变化情况为：,2.2.1采用对称补偿技术构成的同相供电系统,不等边YNvd接线,用不等边YNvd接线实现三相单相对称变换的接线原理与端口电压关系如图。端口1仍置牵引负荷，端口k和端口l分别为并联电容和并联电抗。不等边YNvd接线与不等边Scott接线的端口电压关系完全一致，即补偿随牵引负荷的变化情况仍为：,2.2.1采用对称补偿技术构成的同相供电系统,不等边V/v接线,2.2.1采用对称补偿技术构成的同相供电系统,YN2d接线,2.2.1采用对称补偿技术构成的同相供电系统,YN2d接线,2.2.1采用对称补偿技术构成的同相供电系统,（3）不同接线形式特点比较基于YNd11接线三相变压器实现的对称补偿具有如下特点：对称补偿装置计算容量不能达到理论最小，即补偿装置容量利用率较低；需要在3个端口设置补偿装置，1个为感性，2个为容性，稍显复杂；原边采用接，可灵活地实现中性点大电流接地；不能输出与相邻的单相变压器变电所同相位的电压（因YNd11接线为相电压，而单相接线为线电压）；对称补偿后牵引变压器原、次边绕组的容量利用率均可达到100%；次边有接绕组，可提供3次谐波励磁电流通路。,2.2.1采用对称补偿技术构成的同相供电系统,基于Scott接线变压器实现的对称补偿具有如下特点：对称补偿装置计算容量不能达到理论最小，即补偿装置容量利用率较低；需要在3个端口设置补偿装置，1个为感性，2个为容性，稍显复杂；原边一般不宜用于中性点大电流接地；可输出与相邻的单相变压器变电所同相位的电压，实现同相供电；对称补偿后牵引变压器原、次边绕组的容量利用率均可达到100%，考虑补偿无功时甚至超过100%；3次谐波励磁电流要流入系统。,2.2.1采用对称补偿技术构成的同相供电系统,基于不等边Scott接线变压器实现的对称补偿具有如下特点：对称补偿装置计算容量可达到理论最小，即补偿装置容量利用率较高；只要在2个端口设置补偿装置，1个为感性，1个为容性，结构简单；原边一般不宜用于中性点大电流接地；可输出与相邻的单相变压器变电所同相位的电压，实现同相供电；对称补偿后牵引变压器原、次边绕组的容量利用率较低；3次谐波励磁电流要流入系统。,2.2.1采用对称补偿技术构成的同相供电系统,基于不等边YNvd接线变压器实现的对称补偿具有如下特点：对称补偿装置计算容量可达到理论最小，即补偿装置容量利用率较高；只要在2个端口设置补偿装置，1个为感性，1个为容性，结构简单；原边采用接，可灵活地实现中性点大电流接地；可输出与相邻的单相变压器变电所同相位的电压，实现同相供电；对称补偿后牵引变压器原边绕组的容量利用率可达到100%，考虑补偿无功时甚至超过100%，但次边绕组容量利用率较低；次边有接绕组，可提供3次谐波励磁电流通路；次边绕组接成vd形，相对比较复杂。,2.2.1采用对称补偿技术构成的同相供电系统,基于不等边V/v接线变压器实现的对称补偿具有如下特点：对称补偿装置计算容量在一定条件下可达到理论最小，即补偿装置容量利用率较高；只需在2个端口设置补偿装置，1个为感性，1个为容性，结构简单；原边不能用于中性点大电流接地；可输出与相邻的单相变压器变电所同相位的电压，实现同相供电；对称补偿后牵引变压器原、次边绕组的容量利用率均可达到100%，考虑补偿无功时甚至超过100%；3次谐波励磁电流要流入系统。,2.2.1采用对称补偿技术构成的同相供电系统,基于YN2d接线变压器实现的对称补偿具有如下特点：对称补偿装置计算容量在一定条件下可达到理论最小，即补偿装置容量利用率较高；只要在2个端口设置补偿装置，1个为感性，1个为容性，结构简单；原边采用接，可灵活地实现中性点大电流接地；不能输出与相邻的单相变压器变电所同相位的电压；对称补偿后牵引变压器原边绕组的容量利用率可达到100%，考虑补偿无功时甚至超过100%，次边绕组容量利用率较低；次边有接绕组，可提供3次谐波励磁电流通路；次边绕组接成2d形，相对比较复杂。,2.2.1采用对称补偿技术构成的同相供电系统,不同接线形式特点比较,7.2.2基于有源技术的同相供电系统,电压波动补偿装置（RPC:RailwayStaticPowerConditioner）有功功率流通和无功功率补偿，以此实现三相不平衡补偿和电压变动补偿滤波功能日本东北新干线盛冈到八户：新沼宫内和新八户,RPC:MT座5MVA2沼宮内:GCT，2多重変圧器八戸:IGBT，四多重変圧器,RPC的基本原理,RPC功能,设置RPC的目的是实现三相电压波动的最小化，最基本的控制目标为M座侧和T座侧的单相负荷功率相等，而且两相的功率因数为1.0。M座和T座的无功功率补偿量分别和M座负荷的无功功率和T座负荷的无功功率的值相等。RPC的补偿作用的结果是三相系统中的功率达到平衡，相电压和相电流变成同相位。此时，三相电压波动基本上变成只受到系统阻抗的电阻部分的影响，得以控制在最小范围之内。,谐波补偿PMW控制的电压型换流器能从直流侧电容器电压对交流侧产生任意时刻的电压脉冲电流。设置在变电所的RPC作为有源滤波器，对供电臂牵引负荷产生的谐波电流进行监控，发挥补偿作用。供电臂末端电压的补偿越区供电时，设置了RPC的变电所成为供电臂末端。RPC能测出供电臂末端的电压，计算出电压降补偿需要的无功功率，对供电回路输出无功功率，从而对供电臂末端的电压进行补偿。,变电所单线接线图,新八户变电所RPC回路构成（单相4并）,新沼宫内变电所RPC回路构成（单相2并）,日本东北新干线使用的RPC,控制模式和运行形式,P，Q控制：测出各座负荷的有功功率差和无功功率，利用RPC使Scott接线变压器二次侧的有功功率相等。同时利用无功功率补偿控制进行无功功率补偿，使Scott接线变压器二次侧的无功功率为零。Q控制：该控制只进行P、Q控制中的无功功率补偿。H控制：检测出列车负荷产生的3次、5次谐波，通过RPC供给相反相位的谐波电流成分，减少Scott接线变压器二次绕组的谐波电流。V控制：越区供电时，线路阻抗增加，供电电压降低。供电电压下降到低于设定电压时，RPC主动供给无功功率，补偿电压。,各控制功能的容量分配,7.3同相供电技术方案（过渡方案）,基于平衡变压器的同相供电技术方案,过分相,电能质量,过分相,电能质量,中国方案,日本方案,YNvd接线平衡变压器原理,同相供电系统的技术优越性,过渡方案的主要特点：1、采用同相供电装置的变换功能，将原有牵引变电所的两相合并为一相，解决了变电所出口的分相问题，至少将全线的分相的个数减小一半，可大大提高运行的速度。2、全线可以实现同相，分区所两边的相位也可实现同相，过分相过程可大大减化。在一定技术条件下甚至可以实现完全的贯通供电。,同相供电系统的技术优越性,3、采用平衡变压器，采用同相供电装置实现有功传递，使得两供电臂的输出功率完全相等，功率因数相同，在电力系统看来，牵引负荷完全对称，使得日益突出的负序问题得到彻底解决；4、同相供电装置可兼做无功谐波补偿，不需要加其他设备就可以实现无功、谐波、负序的完美治理；5、同相供电装置具有提高系统暂态稳定、电压稳定的作用，实现牵引网电压的稳定，增加供电臂的供电距离，从而减少变电所数量。,同相供电系统的经济优越性,节省了在电分相上的投资和运营维护费。朔黄线自动过分相装置投资约为400万元。采用车上自动过分相，则需在线路旁边设置磁铁，在车上加装控制器，平均每车增加投资约10万元。节省大量固定容量电费负荷的均衡性得到改善，并且一次侧容量利用率为100，较之目前用于弱电源的Vv接线方式能减少安装容量。功率因数始终近似等于1，节省了无功罚款。,示范工程（眉山牵引变电所