（电气工程专业论文）牵引变电所电能质量治理测试与分析.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：随着近年来我国电气化铁道的迅速发展，由电力牵引引起的电能质量 问题越来越引起人们的关注。电力牵引是指在电气化铁路上行驶的电力机车，它 是单相大功率非线性负荷。相对于电力系统其它负荷，电力机车由于存在功率大、 分布广、冲击性强、三相不对称等特性， 有较大的负序电流和高次谐波注入电网， 因此在其沿铁路移动用电过程中必然会 从而影响电网电能质量。 京沪线安定和南翔牵引变电所是铁道部电气化铁道电能质量治理试点工程， 其中安定采取了“固定补偿( f c ) + t c r 型s v c 方案，南翔牵引变电所采用“固 定补偿( f c 卜s v g 方案。两个变电所的方案是针对无功补偿而设计的，能兼顾滤 波。南翔的“固定补偿( f c ) + s v o 方案在解决无功补偿和谐波问题的同时还能兼 顾解决负序问题，这在国内尚属首次，因此对上述方案进行测试分析对未来我国 电气化铁路电能质量治理具有积极的指导意义。 为了掌握第一手数据资料，本人分别于2 0 0 8 年7 月和2 0 0 9 年4 月份对两个 牵引变电所进行了实地测试。本文根据课题需要，开发了电能质量分析系统，利 用d e l p h i 语言编写程序，完成相关数据的采集和分析，以得到电能质量相关指标 的统计结果。通过对不同运行方式的对比分析，得到牵引供电系统量化的电能质 量技术指标数据。本文针对当前国网公司考核较为严格的谐波含量、电压畸变率、 三相不平衡度、功率因数等指标进行了重点分析，评价电网和牵引供电系统的供 电质量，验证s v c 和s v g 的电能质量治理效果，提出了一些不足，结合目前我 国电气化铁路的实际情况提出了合理的建议，为今后我国电气化铁道的电能质量 治理提供参考。 关键词：电气化铁道；牵引变电所；s v c ；s v g ；电能质量 a b s t r a ( 了r a b s t r a c t a b s t r a c t ：w i t hr a p i dd 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 yi nc h i n a , p o w e r q u a l i t yp r o b l e m sc a u s e db ye l e c t r i ct r a c t i o nh a v ea t t r a c t e dm o r ea n dm o r ea t t e n t i o n e l e c t r i ct r a c t i o n , w h i c hi st h ee l e c t r i cl o c o m o t i v er u n n i n go nt h ee l e c t r i f i e dr a i l w a y , i sa k i n do fl o a dt h a ti ss i n g l e - p h a s e ，h i g h - p o w e ra n dn o n l i n e a r c o m p a r e d 谢mo t h e rl o a d i np o w e rs y s t e m ，w h i l et h el o c o m o t i v ei sm o v i n go nt h er a i la n df e e d i n gc u r r e n t , i t b r i n g si nl a r g e rn e g a t i v ec u r r e n ta n dh i g h e rh a r m o n i ct ot h ep o w e rn e ta sar e s u l to fi t s c h a r a c t e r i s t i c s ，h i g hp o w e r , w i d ed i s t r i b u t i o n ，s t r o n g l yi m p u l s ea n ds oo n ，t h u st h e p o w e rq u a l i t yi sa f f e c t e db a d l y a n - d i n ga n dn a n - x i a n gt r a c t i o ns u b s t a t i o n so fb e i j i n g - s h a n g h a ie l e c t r i f i e dr a i l w a y l i n ei sp i l o tp r o j e c t i o n so fp o w e rq u a l i t yi m p r o v e m e n tb ym i n i s t r yo fr a i l w a y t h e s c h e m eo ff i x e dc o m p e n s a t i o n ( f c ) + t c ri sa d o p t e di na n l i n gs u b s t a t i o na n d f c + s v gi nn a n - x i a n g t h e ya r ea i m i n ga tt h er e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，f i l t e r i n gi s a l s oc o n s i d e r e d t h ei m p r o v e m e n ts c h e m ei nn a n x i a n gc a na l s os o l v et h en e g a t i v e s e q u e n c ep r o b l e m i ti sf i r s tt i m eo fb eu s e di nc h i n a i tw i l lb ea c t i v eg u i d i n g s i g n i f i c a n c et ot e s ta n da n a l y z et h es c h e m e st ot h ef u r t h e ri m p r o v e m e n to fp o w e r q u a l i t yi ne l e c t r i f i e dr a i l w a yi nc h i n a i no r d e rt og e tt h ef i r s t h a n dd a t a , w ed i dt h ef i e l dt e s tt ot h es u b s t a t i o n si nj u l yi n 2 0 0 8a n da p r i li n2 0 0 9 t om e e tt h er e q u i r e m e n to ft h es u b j e c t , p o w e rq u a l i t ya n a l y s i s s y s t e mi sd e v e l o p e db yd e l p h il a n g u a g ef o rd a t aa c q u i s i t i o na n da n a l y s i sw h i c ha r e u s e dt og e tt h er e l a t i v es t a t i s t i c a lr e s u l t so fp o w e rq u a l i t yi n d i c e s t h ed a t ao fp o w e r q u a l i t y sq u a n t i z a t i o nt e c h n i c a li n d e xi nt r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mi so b t a i n e d t h r o u g ht h ec o m p a r a t i v ea n a l y s i so fd i f f e r e n to p e r a t i o nm o d e t h ep a p e re m p h a t i c a l l y a n a l y z e dt h ep o w e rq u a l i t yi n d i c e sw h i c ha r es t r i c te x a m i n e db ys t a t eg r i dc o r p o r a t i o n , s u c ha sh a r m o n i cc o n t e n t ，v o l t a g ed i s t o r t i o nr a t e ，t r i p h a s eu n b a l a n c ed e g r e ea n dp o w e r f a c t o ra n ds oo n t h ep o w e rq u a l i t i e so fg r i da n dt r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e ma r e e v a l u a t e da n dt h er e g u l a t i o ne f f e c t so fs v ca n ds v gf o rp o w e r q u a l i t ya l ev e r i f i e d b a s e do nt h ea c t u a ls i t u a t i o no fe l e c t r i cr a i l w a yi nc h i n ap r e s e n t ，r e a s o n a b l ep r o p o s a l s a b s t r a c t a r eg i v e nf o rr e g u l a t i o ne f f e c t s d i s a d v a n t a g e so ft h et w ok i n dc o m p e n s a t i o nd e v i c e s ， w h i c hc a r lp r o v i d er e g u l a t i o nr e f e r e n c ef o rp o w e rq u a l i t yi no u rc o u n t r y se l e c t r i c r a i l w a yi nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：e l e c t r i cr a i l w a y s ；t r a c t i o ns u b s t a t i o n ；s v c ；s v g ；p o w e rq u a l i t y 独创性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 签字日期：年月日 8 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 诹出， 签字日期：y 刀夕年月7 | 日 导师签名： 钕甜 签字日期：沙矽年月纡日 致谢 本论文的工作是在我的导师吴命利教授的悉心指导下完成的，论文的选题、 研究和撰写都得到了他的大力帮助和指导。每当我研究中遇到问题时，同吴老师 的讨论总能给我以帮助。在我整个研究生阶段，无论是专业知识学习、课题研究 和论文写作方面，还是我的个人生活方面，吴老师都给予了极大的关心、指导和 鼓励。他严谨踏实的工作作风和兢兢业业的科研精神都使我受益匪浅。在此衷心 感谢吴老师两年来对我的关心和指导。 在实验室工作和撰写论文期间，电气工程学院的杨少兵老师自始至终给予了 极大的帮助，对于杨老师的热情在此表示衷心的感谢。同时感谢我的家人对我生 活和学业上的帮助。 向所有曾经给予我帮助的各位师长和同学致以最衷心的感谢! 第1 章绪论 第1 章绪论 随着国民经济的迅速发展以及电力市场的逐步形成，电能质量问题在许多国 家已经引起电力部门和用户的广泛关注。电能既是一种经济、实用、清洁而且容 易控制和转换的能源形式，又是电力部门向电力用户提供由发、供、用三方共同 保证质量的特殊商品。与其他商品一样，也讲求质量。随着我国电力市场的不断 完善，电力部门不仅要满足用户对电力数量的不断增长的要求，还必须满足较高 电能质量的要求，为用户提供安全、可靠、清洁的电力能源成为电力部门获取利 润的先决条件，也是实现良好社会效益的唯一手段。因此，电能质量的好坏直接 关系到包括电力工业在内的工商业系统，乃至整个国民经济的发展前景，对于我 国这样的发展中国家更具有不可忽略的现实意义和战略意义，其受关注的程度可 见一斑。 1 1 电能质量的概念 电能质量描述的是通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。理想状态的 公用电网以恒定频率、正弦波形和标准电压对用户供电。在三相交流电力系统中， 各相的电压和电流应该处于幅值大小相等，相位互差1 2 0 的对称状态。由于系统 各元件( 发电机、变压器、线路等) 参数并不是理想线性和对称的，负荷性质各异且 随机变化，加之调控手段的不完善以及运行操作、外来干扰和各种故障等原因， 这种理想状态在实际中不可能存在，由此就产生了电网运行、电气设备和用电中 的各种问题，为尽量减少、避免这些问题，就需要对电力系统运行参数及电能参 数有一定的限制，由此也就引出了电能质量的概念。 从普遍意义上讲，电能质量是指优质供电，它包括频率、供电持续性、电压 稳定和电压波形【l 】。从另一个角度讲，电能质量可以定义为：导致用电设备故障或 不能正常工作的电压、电流或频率偏差，其内容涉及频率偏差、电压偏差、电磁 暂态、供电可靠性、波形失真、三相不平衡度以及电压波动和闪变等【2 j 。围绕电能 质量的含义，从不同角度理解通常包括如下几方面p j ： ( 1 ) 电压质量。指实际电压与理想电压的偏差，反映供电企业向用户供应的电 能是否合格。这个定义包括大多数电能质量的问题，但不包括频率造成的电能质 量问题，也不包括用电设备对电网电能质量的影响和污染。 ( 2 ) 电流质量。反映了与电压质量有密切关系的电流的变化，电力用户除对交 流电源有恒定频率、正弦波形的要求外，有些用户还要求电流波形与供电电压用 北京交通大学硕士学位论文 相位以保证高功率因数运行。这个定义有助于电网电能质量的改善和线损的降低， 但不能概括大多数因电压原因造成的电能质量问题。 ( 3 ) 供电质量。技术含义是指电压质量和供电可靠性，非技术含义是指服务质 量，包括供电企业对用户投诉的反应速度以及电价组成的合理性、透明度等。 ( 4 ) 用电质量。包括电流质量，还包括反映供电双方相互作用和影响中的用电 方的权利、责任和义务，电力用户是否按期、如数缴纳电费等。 迄今为止，国内外对电能质量的确切含义还没有形成统一的共识。但大多数 专家认为，电能质量的定义应理解为：导致用户电力设备不能正常工作的电压、 电流或频率偏差，造成用电设备故障或误动作的任何电力问题都是电能质量问题。 1 2 电气化铁道电能质量问题及治理方法 电气化铁路牵引负荷为单相非线性冲击负荷，功率大，在运行过程中有较大 的负序电流注入电网，导致电力系统三相不对称，其产生的高次谐波，使电网电 压波形发生畸变，牵引负荷负所需无功的剧烈波动引起了供电系统电压的剧烈波 动，导致电网电能质量严重下降。由无功补偿电容器组引起的谐振或谐波电流放 大会造成电容器的损坏、变压器保护误动作、线路继电保护的误动作以及电动机 过热损坏等等。牵引负荷的负序、谐波、无功以及电压波动，彼此之间具有一定 的内在联系，因此有必要对其进行分析研究并加以治理，力求把牵引负荷对电能 质量的影响降到最低程度。 般电力系统负荷较为稳定，很少出现大的波动，因此电力系统的变电所采 用固定容量的补偿装置。而牵引变电所的负荷随着机车类型，机车速度，行车数 量等因素的影响而变化剧烈，因此对于电气化铁路的补偿要求能够对负荷进行实 时追踪、及时补偿。针对电气化铁路电能质量存在的问题，人们采取了各种技术 手段进行改善和治理。总结国内外电铁牵引供电的经验，对电铁产生的谐波和负 序采取的措施，归纳起来主要包括优化牵引供电方式技术和无功补偿装置技术两 大类。 ( 1 ) 优化牵引供电方式技术主要是接入系统时采用轮转换相的方式和采用平 衡变压器等。但实际上，由于电铁负荷的波动性和随机分布性，即使换相接入， 三相负荷也不可能完全对称，因此还会存在一定量的负序电流注入系统。同样， 采用平衡变压器也需要两供电臂负荷完全平衡，才能使系统侧三相完全对称，其 它条件下，也会产生负序电流。 ( 2 ) 无功补偿装置技术则主要包括单相固定补偿兼滤波支路装置、单相自动跟 踪补偿兼滤波装置等。目前我国电气化铁道几乎所有的牵引变电所都采用固定并 2 第1 章绪论 联电容补偿装置，一方面用于提高功率因数，一方面用于滤除特定次谐波。在采 用无功“反送正计 的计量方式后，将过补偿视为欠补偿。导致功率因数大幅度 下降，尤其对于运量小、无负荷和轻负荷概率较大的变电所，过补偿十分严重， 投入固定并补的功率因数比不投时还要低。 近年来由于大功率大电流的半导体器件迅速发展，使基于无源滤波原理的谐 波治理及无功补偿研究得到了长足的发展。当前应用广泛的主要是静止型无功补 偿装置( s t a t i cv a rc o m p e n s a t i o n ) 和静止无功发生器( s t a t i cv a t g e n e r a t i o n ) 。s v c 装 置是一种快速调节无功功率的装置，它可使所需的无功功率作随机调整，从而保 持冲击性负荷连接点的系统电压水平恒定。它可有效抑制冲击性负荷引起的电压 波动和闪变、滤除高次谐波，提高功率因数，还可实现按各相的无功功率快速补 偿调节实现无功功率平衡，使负荷处于稳定、安全、可靠的运行状态。s v g 的基 本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联到电网上，适当的调节桥 式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧就可以使该电路吸 收或者发出满足需要的无功电流，实现动态无功补偿的目的。 1 3 本文研究背景 随着我国经济的飞速发展，铁路建设不断加快，电气化铁道里程逐年提高， 为国民经济带来了巨大经济效益的同时也对供电系统和相邻近的广大电力用户带 来了严重的影响。 静止无功补偿装置在我国电气化铁路电能质量治理方面的应用较晚，目前国 内只有少数牵引变电所安装了这类设备，可以说还处于初步阶段，缺少通过对实 际数据分析而得到的对其性能及性价比进行的合理评估。因此，在这方面的现场 调研、实地测试对于今后我国牵引供电系统的电能质量治理是十分必要的。 1 4 课题主要内容 本文要完成以下工作： ( 1 ) 分析电气化铁路牵引供电系统的负荷特点和谐波频谱特性，掌握电气化铁 路电能质量的主要问题，主要调研现阶段所采用的主要补偿方法和补偿装置类型， 强调对电气化铁路进行电能质量治理的重要性。 ( 2 ) 深入探究无功补偿装置的原理及其目前在我国电气化铁道中的应用情况。 ( 3 ) 对京沪线s v c 、s v g 试点工程进行实地测试和数据采集。 ( 4 ) 利用d e l p h i 语言编写数据处理和电能质量分析软件，对数据进行分析处 3 北京交通大学硕士学位论文 理。 ( 5 ) 分析数据统计结果，验证补偿效果，对当前采取的治理方案进行评价，并 提出合理化建议。 4 第2 章牵引供电系统负荷特性 第2 章牵引供电系统负荷特性 2 1 电力机车负荷特性 2 1 1 谐波特性 ( 1 ) 直流机车谐波特性 到2 0 0 6 年底，我国电气化铁路里程已突破2 4 0 0 0 公里，电气化率达到2 7 承担运量近5 0 ，电气化总里程位于世界第二位。虽然近两年已经在个别线路上 开始投运新型交流传动机车但目前我国电气化铁道上运行的电力机车仍以交直 型电力机车为主。 本人曾参与了我国电力机车的调研考察，对国内普通铁路及京津线、武广试 验段等客运专线已经采用的直流传动机车、交流传动机车和动车组的参数进行了 收集和整理。 在我国按照电力机车主电路及控制原理，直流电力机车可以分为以下几类： 1 ) 以s s 4 g 为代表的不等分三段桥控制，包括s s 4 b 、s s 6 b 、s s 3 b 、s s 8 、s s 9 、 s s 9 g 、s s 7 d 、s s t e 等电力机车； d i 2 ；q 杌j ， ：l 、l 。j：n 杌z 、 _ = 乳 。 ： ， 、t 图2 - ls s 4 g 电力机巾及其电气原理幽 f i g - 2 - 1s s 4 g e l e c t r i c l o c o m o t i v e a n d i t se l e c t r i c a ls c h e m a t i cd i a g r a m 2 ) 以s s 4 为代表的经济四段桥控制电力机车： 北京变通大学硕士学位论文 i u ： 几i # u i ! 幽2 4s s 3 型电力机卞及其电气原理图 f i g 2 - 4 s s 3 e l e c t r i c l o c o m o t i v e a n d i t se l e c t r i c a ls c h e m a t i c d i a g r a m 7 c 第2 章牵引供电系统负荷特性 通过分析发现，由于直流电力机车传动系统普遍采用单相整流电流，整流元 件采用二极管或晶闸管，其自身的结构电路特点，产生的谐波具有以下特性 1 7 i s 0 9 1 ： 1 ) 当机车处于牵引工作状态时，整流装置投入工作时，便产生谐波电流。而 在制动或惰行工作状态时，整流装置切除，不产生谐波。 2 ) 电力机车的牵引力由取自电力系统、经整流后的直流电流产生，该电流不 因系统外界条件和运行方式的改变而改变，因此，电力机车为谐波电流源【4 】。 3 ) 电力机车采用单相全波不控整流或半控整流，交流侧电流对于横轴成镜对 称，整流装置的脉动数为2 ，产生的特征谐波电流为奇次谐波，正常情况下不产生 偶次谐波。 4 ) 由于平波电抗器的电感有限制作用以及机车变压器存在漏感，电力机车产 生的特征谐波电流含有率h r l h i h 。 5 ) 随机波动性。主要是负荷电流大幅度剧烈波动，一般电力机车的取流很难 保持3 0 s 平稳不变，有时甚至在短时间内突然由零变为满负荷或相反。负荷的波动 使牵引变电所牵引网上的电压发生波动，还使牵引供电设备的容量利用率变低【5 1 。 6 ) 非线性。我国大部分使用的是交直型( a c v c ) 型电力机车，即用于牵引电 机的直流电是经交流电全波整流得到的，牵引负荷是非线性负荷。由于半波对称， 所以其中只含有奇次谐波。牵引负荷谐波具有幅度大、相位分布广的特点，并可 直接进入电力系统，造成许多不良的影响，如热影响、谐振影响等。 7 ) 单相独立性和不对称性。在正常网压范围内，可认为牵引变电所各供电臂 的取流具有单相独立性；相对三相电力系统而言，牵引负荷具有不对称性，主要 表现在单相独立的牵引负荷独立到在电力系统中造成负序，即使使用三相两相平 衡接线，由于两臂负荷的随机独立性，也仍有随机波动的未被平衡的剩余负序电 流进入电力系统，造成不良影响。 8 ) 相位分布广。谐波相量可在复平面的四个象限上广泛出现，并且谐波次数 越高，在四个象限分布越均匀。 9 ) 高压渗透性。牵引负荷属为数不多的高压用户，它通过高压电网渗透到中、 低压电网而产生影响，并且任一次谐波都不受变压器接线方式的阻碍。 l o ) 稳态奇次性。稳态运行时电力机车牵引负荷只产生奇次谐波电流。 ( 2 ) 交直交型机车谐波特性 随着我国客运专线大规模的发展，越来越多的动车组投入运营，对电网带来 新的考核。动车组为交直交型机车，由于其自身的电路结构特点，其运行产生的 谐波被控制在较理想的范围内。根据厂方提供的技术资料，如表( 2 1 ) 所示，各次 谐波电流远小于国际相关规定，对电力系统影响很小。 7 北京交通大学硕十学停论文 表2 - 1c r h 2 动车纽技术条什规定的谐波古量百分比上限值 t a b 2 - i h a r m o n i cc o n t o r l t p e r c e n t o g e u p p e r r a n g e v a l u eo f c r h 2 m o t o r t r a i nu n i t 动车组对于我国来说还是较新事物，为了能进一步了解动车组的相关数据， 笔者于2 0 0 8 年8 月8 日跟随北京南到青岛的d 5 9 次列车进行实地测试，下图为实 洌现场 图2 - 5 现场照片 f i g 2 - 5 p h e t o s o f f l e l d i n v e s a g a t l o n 表2 - 2 为基波电流2 0 7 a 时谐波分析数据，从实际测试分析结果看，c r h 2 动 车组低次谐波含有率很低，符合供货技术条件的要求，而高次谐波含有率偏高， 4 9 次谐波含有率超过了限制百分比，这与动车组的重联控制方式、背景谐波等都 有关系。数据显示各次谐波电压水平不高，谐波总畸变率不超过3 ，电源的电能 质量没有受到明显影响，但5 3 次谐波电压较高，这也是客运专线牵引供电网络的 一个明显特征：从谐波电流含量来看，2 次谐波电流很大，这主要是由于过分相点 后再次合闸所引起的励磁涌流所致。总体而言，c r h 2 动车组实测的谐波水平高于 出厂指标，这主要有两个原因：一是重联动车组之间的相互影响致使谐波叠加； 二是存在谐波电流放大现象，影响了牵引网电压，进而影响动车组谐波电流。 第2 章牵引供电系统负荷特性 表2 - 2c r h 2 谐波电流含有率( 基波电流2 0 7 a ，牵引状态) t i b 2 - 2h a r m o n i cc u r r e n tr a t eo rc a m ( f u n d a m e n t a lc u r r e n t2 0 7 a , t r a c t i o ns t a t i o n ) 谐波次数 含有率( ) 谐波次数 含有率( ) 31 3 73 l0 1 7 5 1 4 4 3 3o 2 5 70 2 93 50 2 5 90 8 53 70 1 6 1 10 6 53 90 1 2 1 3o 1 14 1o 2 4 1 5o 1 34 3o 2 9 1 7o 1 14 51 3 4 1 90 3 64 70 7 9 2 1o 3 04 91 4 5 2 3o 1 75 l1 3 0 2 5 o 2 95 3o 6 9 2 7 0 3 l5 5 1 1 4 2 9o 2 75 70 5 4 2 1 2 负序特性 电力牵引负荷属于单相负荷，必然会因产生负序分量造成三相电力系统的电 压、电流不平衡。在我国，电力牵引负荷占电网容量的比重很小，全部平均水平 不到2 。在电网容量比较大的地区，由电力牵引负荷引起的电网不平衡问题几乎 可以忽略。但是在个别电网特别薄弱的地区，电力牵引负荷比重远远大于2 ，有 的地区甚至超过5 0 ，这时必须考虑电气化铁路牵引负荷对电力系统不平衡度的 影响。 对于负序问题，可以采用牵引变电所换相连接、不同型式变压器以及分相无 功补偿装置进行抑制。但这些措施都只能部分减少负序的影响。如对于采用牵引 变电所换相连接方式，需3 个变电站才能进行一次轮换，但实际上，一般来说不 同的牵引变电所接入不同的电力系统变电站，且牵引变负荷大小并不同，有较大 的随机性，而且在一个地区，牵引变电所的个数有可能不是3 的倍数，因此相序 轮换的措施只能在一定程度上减小负序的影响。 9 北京交通人学硕十学位论文 电力机车在开停时负序都急剧变化 的开停次数多将频繁引起变压器涌流 2 2 牵引馈线的负荷特性 具有快速性和冲击性的特点。电力机车 会产生较大的暂卷负序。 牵引馈线的负荷特性除了与牵引变结构、接触网参数以及机车类型有关外， 还与列车负荷、速度、线路坡度以及运输调度等各种因数相关。列车负荷越大、 速度越快，则用电量就大。同理，上坡情况下的列车也消耗更多的电能。而列车 通车流量大，则牵引馈线供电范围内的负荷也太。图( 2 - 6 ) 是在牵引变电所现场测 试的情况； 圉2 4 s 牵引变电所山测试情况 f l & 工6 h v 舶d l - 岫e o a d l l i o a i n t h e t r l l e 6 0 a 棚胁蛳n 通过对牵引变电所的测试数据进行的分析与总结牵引馈线负荷主要具有如 下特点： ( 1 1 负荷量大。当前我国电气化铁路的已有牵引变电所用电容量最大达到 8 0 m v a ，高速客运专线牵引变远期规划容量达1 2 0 m v a ，且电气化铁道建设时考 虑多达1 0 0 的过载容量，因此峰值负载可能达到1 6 0 - - 2 4 0 m v a 。这么大的集中 负载，在电力系统中是比较少见的，也是对电网造成冲击的主要原因。 ( 2 ) 负荷波动频繁。每一条铁路线的条件都是千差万别的，而且，在个牵引 变电所的供电臂范围内，列车的通行频度、负载置、运行时速等参数也随时发生 变化。所以，牵引负荷表现出频繁波动的特性。尤其在电力机车从静止启动到加 速、机车爬升坡道以及机车通过无电区的前后，波动尤其明显。 ( 3 ) 负荷大小不均衡。牵引变电所的负荷随着两个供电臂内机车的数量和每一 机车的负荷状态随时波动，有时超载，有时轻载甚至空载，其大小变化在时问上 表现出极不均衡的特性。在节假日、铁路故障后恢复行车、军运、煤电油运、农 第2 章牵引供电系统负荷特性 运等特殊情况，也会出现列车紧密追踪的情况。此时，牵引变电所出现负荷高峰 值。 ( 4 ) 负载率低。牵引变电所供电能力是按照高峰负荷设计的，但其实际负载量 较之高峰负载差别较大。由于负荷受到铁路运量、列车速度、线路条件等因素影 响，列车运行时的受流状态随时都在发生变化，其平均负荷率较低。因此造成牵 引变电所负载率较低，一般不超过2 0 0 ，个别能达到3 0 n 0 。 ( 5 ) 谐波情况。牵引变电所供电臂谐波电流是各台电力机车通过牵引网传播到 馈线口上的谐波电流的叠加。由于机车谐波电流的即时有效值和初相角具有随机 性，那么多台电力机车运行时，谐波电流在馈线上如何叠加也有了多种提法。机 车谐波电流的随机性和供电臂上机车数目，位置以及其运行状态的随机性都决定 了供电臂谐波电流必然具有随机性。 2 3 高压侧负荷特性 目前我国电力机车都是大功率机车。自1 9 7 8 年s s 3 型机车将小时功率从 4 2 0 0 k w 提高到4 8 0 0 k w 起，1 9 8 5 年又研制成功了s s 4 型8 轴货运机车，功率达 到6 4 0 0 k w ，1 9 9 4 年研制成功时速1 6 0 k i n 的准高速四轴电力机车，至此，中国干 线电力机车已经形成了4 、6 、8 轴和3 2 0 0 k w 、4 8 0 0 k w 和6 4 0 0 k w 功率系列。大 量大功率直流机车的应用对牵引侧的电能质量造成了严重的影响，下图( 2 - 7 ) 为 我国重载线路大秦线的三个变电所三相电压不平衡度统计； 图2 - 7 电压不平衡度 f i g 2 - 7 u n b a l a n d e g r e e o f v o l t a g e 从图中可见，重载机车的负序影响非常严重，不平衡度严重超标，对电网高 压侧造成了极其恶劣的影响， 北京交通大学硕士学位论文 随着非线性负荷特别是电气化铁路等的快速增长，电网的谐波水平也在不断 的提高。谐波会引起公用电网中局部的并联谐振或串联谐振从而使谐波放大， 增加了谐波的危寄。电气化铁道为两相或单相不对称的谐波负荷，经牵引变压器 的变换后，高压侧注入电力系统的谐波电流为三相不平衡谐波，且有基波负序电 流注入系统。除基波正序电流是由系统向电铁馈供的电流外，所有谐波电流以及 基波负序电流均由电铁产生并向系统倒送1 2 0 。下图( 2 8 ) 为大张线周士庄牵引变 电所1 1 0 k v 侧a 相谐波电流统计： 口蹑大值 口9 5 概率值 - 芏均值j 35 7 9 1 11 31 5i71 9 谐波次数 圈2 - 8 谐波情况统计 n 山s t a t i s t i c s o f h a r m o n i c 输入系统的不平衡谐波具有如下特点： ( 1 ) 各次谐波，包括3 的奇数倍次，都要经过变压嚣输入系统，输入系统的特 征谐波为全部奇次谐波。 ( 2 ) 各次三相不平衡谐波电流均由谐波序电流组成。都可以分解为正序谐波分 量和负序谐波分量。在这种两相或单相负荷的供电方式下，低压侧各次三相谐波 电流的相量和为零，均不包含零序分量。故变压器绕组对机车谐波电流不起任何 阻挡作用，机车谐波电流全部注入系统。 谐波在公用电网具有渗透性。从谐波干扰的角度，将供电系统的供电设备产 生谐波千扰的电气设备称为谐波源，电铁既是此类。它产生的谐波电流通过牵引 变压器传入公用电刷，使母线电压产生畸变，对线路上的其他用户产牛极大的干 扰和危害。特别是在电网薄弱的地区，影响更加明显， 电网中无功问题也相当严重。摧流型电力机车的平均功率因数仅为o8 0 0 8 s 。此外。牵引网阻抗的影响使牵引负荷在牵引网上有功和无功损失之比小于1 因此功率因数要再降低0 0 1 0 0 5 。同时，牵引变压器阻抗的影响使牵引变电所 帖站佶加o 0 3毽1i羹一 第2 章牵引供电系统负荷特性 1 1 0 k v 侧的功率因数还要降低约o 0 5 。电力牵引负荷的功率因数低，不仅使牵引 变压器等牵引供电系统设备的能力不能充分利用，还对电力系统产生如下影响【2 0 】： ( 1 ) 降低发电机组的输出能力和输变电设备的供电能力，使电气设备的效率降 低，发电和输变电的成本提高。 ( 2 ) 增加输电网络中的电能损失。无功电流的引入增大了网络中的传输电流， 网络中的电能损失与电流的平方成正比，由此就增大了网损。 ( 3 ) 增加了输电网络中的电压损失，往往造成用户的供电电压不足。电压损失 与电流成正比。如果功率因数低于规定值，在输送同样的有功功率情况下，视在 功率要增大，与此相应的电流随之增大，从而输电网络中的电压损失增大。 2 4 治理措施 为了解决牵引供电负荷给电力系统带来的诸多问题，目前普遍采取了一些治 理的措施。针对机车的谐波问题，在机车本身安装滤波装置，减小谐波的干扰； 在牵引变电所方面，一、采用平衡变压器，安装滤波装置和无功补偿装置来减小 谐波，提高功率因数，降低负序。二、采用轮转换相的方法，达到减小单相牵引 负荷在电力系统中引起的负序电流，减轻对电力系统的负序影响。三、采用同相 供电技术。四、增大接入点的短路容量【2 2 1 。 受地区条件限制，不可能每个牵引变电所的接入点要求短路容量都很大，而 且由于牵引负荷的特殊性，随机性，难于达到平衡变压器和轮转换相所要求的负 荷平衡才能使三相系统平衡的要求，因此，更多的解决办法在于安装补偿装置。 由于牵引负荷变化剧烈，有时甚至会出现很剧烈的冲击电流，固定电容补偿的静 态补偿措施往往会出现过补或欠补的情况，因此在牵引变电所实现动态补偿装置 投切具有相当的现实意义。 2 5 小结 本章重点分析了目前我国电力机车、牵引馈线的负荷特性，及其对电网高压 侧产生的影响，说明了当前我国电气化铁道进行电能质量治理的必要性。简单介 绍了当前采取的治理方法，受限于牵引负荷的特殊性，提出安装动态无功补偿装 置进行治理的现实意义。 1 3 第3 章动态无功补偿装置原理及应用 3 1 无功功率补偿的原理 如图( 3 - 1 a ) 所示为系统、负载和补偿器的单相等效电路图。 。庀戮x 窆黧飘惫篡紫燃襄篡兹徽淼 苎景差竺耄之缫燃龛谥巍筹茹簇舅妄荔械 纂竺图裟黧黧鬈嚣- 嚣嚣柰鬃篙姜荔茹磊 可以看出，该特性曲线是向下倾斜的，即随着系统侠缉刚兀别圳午蟛，目“一 北京交通大学硕士学位论文 电电压下降。实际上，有电力系统中的分析可知，系统的特性曲线可近似用下式 表示： u ：u o ( 1 一孚) ( 3 - 1 ) ) 或者写为 筹一等 p 2 ， 一= 一一 i - - u b s s c 、。 式中一无功功率为零时的系统电压； 墨c 一系统短路容量 可见，无功功率的变化将引起系统电压成比例地变化。 投入补偿器之后，系统供给的无功功率为负载和补偿器无功功率之和，即 q = q + q ，( 3 3 ) 因此，当负载无功功率q 变化时，如果补偿器的无功补偿功率q ，总能够弥补 q 的变化，从而使q 维持不变，即驴0 则u 也将为0 ，供电电压保持恒定。 这就是对无功功率进行动态补偿的原理。图( 3 i b ) 表示出了进行动态的无功补偿， 并使系统工作点保持在( q = 翻= 常数) 的示意图。当使系统工作点保持在q = o 处，即图中的c 点时，就实现了功率因数的完全补偿。可见补偿功率因数的功能 可以看作是改善电压调整的功能的特例【6 】【刀【引。 3 2 动态无功补偿器( t c r 型s v c ) 3 2 1 无功补偿及谐波抑制原理 1 1 0 k v 尚士士士岁 l zz 一一一= 图3 - 2t c r 型s v c 补偿装置原理接线图 f i g 3 - 2p r i n c i p l ea n dw i r i n gd i a g r a mo fs v cc o m p e n s a t i o nd e v i c ew i t ht c r m o d e l 1 6 第3 章动态无功补偿装置原理及应用 幽3 - 3 t c r 型s v c 装置实物图( 安定所) 心n s v c d c v l e e o f t c r 咖i n ( a n - a m 0 此种单相t c r 型s v c 补偿装置安装与牵引变2 7 5 k v 侧，如图( 3 2 ) 所示。基 于电铁系统产生的谐波全为奇次谐波，尤其以3 、5 、7 次谐波电流最为显著，故 谐波治理重点放在对3 、5 、7 次谐波的抑制上。滤波器为单调谐滤波器( f c - f i l t e r c a p a d t o r ) ，除在其谐振频率下有效滤除对应谐波，同时在基频下提供固定的容性 无功。晶闸管控制电抗嚣( t c r - t h y t i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r ) 通过改变控制角 叫a 1 2 7 r ) 而改变导通时问，相当于调节电抗罂电抗运到改变其感性无功输出的目 的，与f c 一起动卷补偿机车负载需要的无功。 t c r 由两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联组成。由分析可知，触发延 迟角a 的有效移相范围是9 0 1 8 ( y ，其位移因数始终为0 也就是说，基波电流都 是无功电流。a = 9 0 时，晶闸管完全导通，与晶闸管串联的电抗相当于直接接到电 网上，这时其吸收的基波电流和无功功率最大。当触发延迟角在9 0 1 8 0 时晶 闸管为部分导通，增大触发延迟角的效果就是减少电流中的基波分量，相当于增 大补偿器的等效感抗，或者说减小其等效电纳，因而减少了其吸收的无功功率1 9 1 1 。 3 2 2t c r 的参数计算 设“：j us i n 酬，则t c r 电流瞬时值可用下式表示 呻) = 0 半b s a - c o s c o t ) 0 f ，2 m r 口 口 t 0 。同理，如电流滞 后向量图所示，当输出电压低于电网电压硌时，场 0 ，滞后u s 9 0 。，这时无 功功率发生器输出滞后的即容性的无功功率，这时q o 。 考虑到连接电抗器的损耗和变流器本身的损耗，并将总的损耗集中作为连接 电抗器的电阻考虑，则s v g 的实际等效电路如图( 3 7 ) 所示。 北京交通大学硕士学位论文 u s a l 电流超前 b ) 电流滞后 图3 7s v g 等效电路及工作原理( 计及损耗) f i g 3 - 7e q u i v a l e n c ec i r c u i ta n dr u n n i n gp r i n c i p l eo fs v g ( 1 0 s si n c l u d e d ) 在这种情况下，变流器电压研与电流，仍相差9 0 ，因为变流器无需有功能量。 而电网电压玩与电流i 的相差则不再是9 0 ，而是比9 0 小了占角，因此电网提供 了有功功率来补充电路中的损耗，也就是说相对于电网电压来讲，电流，中有一定 的有功分量。这个占角也就是变流器电压研与电网电压魄的相位差。改变这个相 位差，并且改变所的幅值，则产生的电流的相位和大小也就随之改变，s v g 从 电网吸收的无功功率也就因此得到调节。 由以上分析知道，通过控制交流侧电压研的幅值和相角j 来控制s v g 吸收的 无功电流。实际上，研随着6 的变化而自动地变化是通过变流器直流侧电压叻的 变化实现的。在改变j 角后的暂态调节过程中，变流器将吸收一定的有功电流， 因而直流侧电容被充电或放电，引起直流电压叻的变化，从而使得交流侧输出电 压所的幅值变化，也就改变了其基波的有效值【l 。 3 3 2 控制方法 作为动态无功补偿装置的类型之一，s v g 的控制不论是从大的控制策略的选 择来讲，还是从其外闭环反馈控制量和调节器的选取来说，其原则都与传统的s v c 装置是完全一样。 在控制上，s