（电气工程专业论文）电气化铁道电能质量与控制及应用研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 电气化铁道牵引负荷是大功率的单相非线性负荷，具有随机波动性，富 含奇次谐波，在运行过程中会有较大的负序电流和高次谐波注入电网，使电 网的电能质量受到影响，同时我国普遍使用的交直形电力机车功率因数偏低， 加之对无功实行“反送正计”计量，对无功实行动态补偿才能达到提高电气 化铁道功率因数的目的。 通过对电气化铁道牵引负荷的负序、谐波的分析，提出了并联电容补偿 方案，比较了西南地区常用的两种变压器，并对牵引变压器对电能质量的影 响进行了分析。 介绍了几种动态无功补偿装置，如晶闸管控制电抗器( t c r ) 和晶闸管投 切电容器( t s c ) 及静止无功发生器( s v c ) 。对有源滤波器( a p f ) 与晶闸管 投切电容器( t s r ) 的几种组合形式分析了其优缺点。对养马河变电所的测试 数据进行了分析，并对电能质量进行了评价。 关键词：牵引负荷；电能质量；负序；谐波； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t r a c t i o nl o a di ne l e c t r i f i e dr a i l w a y si sak i n do fl a r g e - - p o w e r , s i n g l e - p h r a s e a n dn o n l i n e a rl o a d i t sr a n d o mf l u c t u a t i o nc h a r a c t e ra n da b u n d a n th a r m o n i c c o m p o n e n t sm a k et h ee l e c t r i c n e t w o r k sf u l lo fn e g a t i v e - s e q u e n c ec u r r e n ta n d h i g h e rh a r m o n i c s ，t h e r e f o r e ，t h ee n e r g yq u a l i t yi si n e v i t a b l yd e t e r i o r a t e d i nt h e m e a n t i m e p o w e rf a c t o ro f c h i n a sa c - d ce l e c t r i cl o c o m o t i v ei ss o m e w h a to n t h es l o ws i d e ，r e a c t i v ec o m p o n e n tm u s tb ed y n a m i c a l l yc o m p e n s a t e di no r d e rt o i m p r o v ep o w e r f a c t o ro fe l e c t r i f i e dr a i l w a y s b a s e do nt h e a n a l y s i s o fn e g a t i v e s e q u e n c ea n dh a r m o n i cc o m p o n e n t so f e l e c t r i f i e dr a i l w a y s ，ap a r a l l e lc a p a c i t o rc o m p e n s a t i o ns c h e m ei sp r o p o s e d t w o t y p e so f t r a c t i o nt r a n s f o r m e ri nc o m m o nu s ei ns o u t h w e s ta r e aa r ec o m p a r e da n d t h ei n f l u e n c eo f t r a c t i o nt r a n s f o r m e ru p o n p o w e rq u a l i t yi sa l s oa n a l y z e d i nd e t a i l s e v e r a l d y n a m i c r e a c t i v e - l o a d c o m p e n s a t i o ne q u i p m e n t s a r e i n t r o d u c e d ， s u c h 船t c r t s ca n ds v g t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fs e v e r a l c o m b i n a t i o n so fa p fa n dt s ra r ed i s c u s s e d f u r t h e r m o r e ，t h et e s td a t ao f y a n g m a h es u b s t a t i o ni se x a m i n e dc a r e f u l l y , l e a d i n gt o at y p i c a le v a l u a t i o no f p o w e rq u a l i t y k e y w o r d s ：t r a c t i o nl o a d ，p o w e rq u a l i t y , n e g a t i v e - s e q u e n c e ，h a r m o n i c 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 概述 第1 章绪论 电力牵引相对内燃牵引具有污染小、可综合利用各种能源、功率大，能 源综合利用率高等特点，因此在各国都得到广泛的应用。2 0 0 0 年在南非共和 国召开的世界铁路会议上，许多国际知名专家认为 5 3 l ：在客货运量比较大， 基础设施比较好的国家，象俄罗斯、中国这样的国家应大力发展电气化铁路， 其所占比重( 电气化率) 应在5 0 ，卜_ 6 0 以上，所承担的铁路运量比重应在 8 0 护啕o 以上，我国水利资源丰富，发展电气化铁路有得天独厚的优势。近 几年以来我国加快了铁路建设的速度，其中电气化线路占了很大的比重。随 着我国电气化铁路的发展，电牵引负荷对电力系统的电能质量的影响问题， 也越来越引起人们的关注。 电力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运行，还会产生高次谐波，使 电网电压波形产生畸变，以及大量无功的需求使供电系统电压偏移和波动， 从而使电网的电能质量受到严重影响。牵引负荷的负序、谐波、无功以及电 压波动，几者闯具有一定的内在联系，因此有必要对其进行分析研究，并提 出综合治理措施，力求把电力牵引负荷对电能质量的影响降到最低程度，其 中谐波是焦点问题。 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3 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， 尤其是运量小、无负荷和轻负荷概率较大，过补偿十分突出，投入固定并补 的功率因数比不投时还要低，有的牵引变电所的功率因数低至0 6 及以下， 牵引变电所因功率因数而被罚款多者达到每年两百多万元，因此改进现有的 补偿方式，寻求无功、负序、谐波综合补偿的最优方法具有重要意义。t s c 为现阶段较为成熟的方案1 5 卯，从发展趋势看【5 6 1 ，a p f 能同时补偿无功和滤除 谐波，补偿效果不受系统特性影响，为理想的补偿方案。 1 2 本文的主要工作 本文分析了不同结线牵引变压器的特性，及牵引负荷对电力系统的影响 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 在现有条件下寻找牵引负荷经济、合理、有效的优化补偿形式取代现有的固 定电容补偿形式，减小牵引负荷对电力系统的不良影响。 l 、本文分析了牵引负荷的负序特性，p r c 在变压器两端口不同分布与负 序补偿的关系，牵引负荷的谐波模型，及滤波支路的计算模型。 2 、对比了y n d l l 结线牵引变压器和阻抗匹配平衡结线牵引变压器的异 同，及负荷情况下对电能质量的影响。 3 、介绍了牵引变压器的综合补偿的计算方式，对动态补偿装置( s v c 、 s v g ) 的特性进行了简单的分析，介绍了有源滤波装置的几种接入方式。 4 、进行实例分析，对养马河变电所的测试数据进行了分析，并对其提出 补偿方案，并对补偿效果进行了仿真分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 第2 章牵引负荷的特性及其对电能质量的影响 2 1 牵引负荷及其特性 与其他电力负荷相比，由于牵引供电系统的负荷具有一定的冲击性、随 机性，它属交一直型负荷，具有功率因数偏低、富含奇次谐波等特点。 ( 一) 随机波动性 由于列车在运行过程中的加速、惰行、制动的各种状态，以及线路坡度、 弯道半径、气象条件、司机操作等因素及供电臂上列车数量的变化，使牵引 负荷随机波动。图2 1 为牵引变压器2 7 5 k v 侧2 4 小时牵引电流的变化。 圈2 - 12 7 5 侧电流图 牵引负荷的特点为电流会大幅度波动，其波动具有随机性，但通常说来， 山区电气化铁路的牵引负荷要比平原的波动剧烈，单线比复线剧烈( 前者主 要由于山区线路的坡道、弯道较平原多，后者是单线行车密度较复线低) 。与 之不同，一般牵引负荷的功率因数变化范围较小。韶山i 型电力机车功率因 数如表2 - 1 所列。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 表2 - 1 韶山1 型机车功率因数 0 弓上电流( a ) 4 3 ( 启动)6 08 0 1 0 01 5 02 0 02 3 6 8 ii c o s 中0 8 2 00 8 4 50 8 6 208 6 60 8 6 30 8 7 50 8 5 1i ( 二) 非线性 现行的电力机车多为交一直( a c d c ) 整流型的，即用于牵引电机的直 流电是经交流电全波熬流得到的，这是一个非线性过程，故亦称牵引负荷为 非线性负荷。正常运行时牵引电流的波形一般介于方波与三角波之间，它们 含有明显的谐波成分，由于半波对称，其中只含有奇次谐波。牵引负荷的谐 波具有幅值波动大，相位分布广泛的特点，明显区别于一般工业用的三相非 线性负荷。 当牵引负荷流经大地时，会在地面空间造成不平衡电磁场，在临近电气 化铁路的通讯线上感应干扰。由于牵引负荷电流的主要谐波都处于音频带上， 所以通讯的杂音干扰就不容忽视。b t 、a t 等供电方式能有效地吸回地中电 流，从而能有效地抑制谐波造成的通讯干扰。牵引负荷对通讯线路的干扰影 响，通常采用供电臂的9 5 概率最大安培公晕来表示供电臂在正常状态下对 通讯线路可能产生的最大干扰。图2 - 2 为典型的复线供电臂牵引网干扰电流 阶梯曲线。 图2 - 2 复线供电臂牵引网干扰电流阶梯曲线 另外，牵引负荷中的谐波可直接通达牵引变电所进入电力系统。谐波在 电力系统中的流通会造成许多不良影响。诸如，额外占有系统及其设备容量， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 引起附加发热；激发谐振，影响电容装置的正常运行可能使继电保护发生误 动；使发电机、电动机出力下降或引起机械振动；加速绝缘介质老化，降低 寿命等。谐波的不良影响己引起国内外电力行业的广泛关注。图2 3 为2 4 小 时牵引负荷三次谐波趋势图。 图2 - 3 牵引负荷3 次谐波 ( 三) 单相独立性和不对称性 现行牵引变电所除纯单相接线外，都是两相( 异相) 供电，一条馈线的 负荷可能在另一条馈线上引起电压损失( 如y n d l l 接线) 而影响其电压水平， 但在正常网压范围内，由于机车自身的调节功能，其取流受到另一馈线造成 的电压损失的影响是甚微的，故可认为牵引变电所各供电臂的取流具有单相 独立性，即牵引变电所两供电臂的牵引负荷是相互独立的、随机波动的，因 此在运行中有负序电流注入电网，电力系统中产生不对称电压。图2 - 4 为2 4 小时牵引负荷负序电流趋势图。 图2 4 牵引负荷负序电流 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 2 2 牵引负荷对电能质量的影响 电牵弓l 负荷直接连接于电力系统，是为数不多的高压用户，箕电能质量 直接对系统产生影响，集中体现在负序( 电流) 、谐波、无功( 功率) 及电压 波动等方面。其评价指标主要体现在电压总谐波畸变率( t h d 。) 、电压不平衡 度( 岛，) 、功率因数以及电压偏差a 2 2 1 牵引负荷的负序特性 单相牵引负荷将引起三相电力系统的不对称运行，在电力系统中将产生 负序电流，由于牵引负荷容量较大，对容量较小的三相电力系统影响较大。 负序电流对同步发电机的影响有：出力下降，产生附加谐振，造成定子 各部分不均匀发热，引起转予表面发热。对电动机的影响：将造成电动机端 子三相电压不对称面使正序分量减小，当电动机机械功率不变时，必将引起 定子电流的增加，并造成各相电流的不平衡，从而降低运行效率，使电动机 过热。对变压器而言由于负序电流将造成三相电流不对称，因而电力系统三 相变压器有相电流最大而不能有效发挥变压器的额定出力( 即容量利用率 下降) ，还造成变压器的附加能量损失和在变压器铁心磁路中造成附加发热。 负序电流流过电力网时，负序电流虽不作功，但造成电能损失，从而降低了 电力网的输送能力，并容易使系统中以负序分量起动的继电保护及高频保护 误动，从而增加了保护的复杂性。 三相y n d l l 结线的牵引变压器一次侧三相电流与牵引侧馈线电流的分布 如图2 - 5 所示，对应变换式为1 1 1 ： a c l e b c 图2 - 5 三相y n d l l 结线牵引变压器电流分布图 口) 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 lh l ： ( 2 1 ) 令，。= o ( i 。= 0 ) ，可知，。、，。、j 。与，( ，。) 在同一直线上，即牵引侧任一 端口运行时在三相系统侧产生的电流与其共线，又牵引侧任一端口运行时都 不在三相电力系统侧产生零序电流，则： + ，日+ i c = 0 ( 2 2 ) 设。为牵引侧m 端口电流，。、，。、，。为，。在三相电力系统侧产生的 a 、b 、c 相的电流 牵引变压器变 匕为耻击，讥滞后以相位角为虬 则 u m = u 。e 一。“= 4 3 k 。u 8 7 “ ( 2 - 3 ) 设m 端口功率因数角为妒。，则有： ，= ，。p 一。( + _ ) ( 2 - 4 ) 根据功率守恒原理可得： d i a 。+ 口b ，m + d ( ( _ = 吒j 。 ( 2 - 5 ) 根据正序、负序、零序电流电压关系，联立式( 2 2 ) 、( 2 - 5 ) 并注意到零 序分量不存在，可得： l m l8 m i c m 再令m = l ，2 ，n ；再迭加，可得原边三相电流： ( 2 6 ) 0 壶 m ，0 。承瓜 oo，oo几 矿口，搿矿 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 ；i = 州 l i 嚣0l p k 去世，p 1 “ jm = 1 f 。2 专著如l 口一“2 ( 2 7 ) ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) = s 。e “ ( 2 1 0 ) m 2 1 = s 。e 胙” ( 2 1 1 ) m _ l 其中s m 为啪端口的( 视在) 功率模值，咒= u 。，。 由( 2 1 0 ) 式可知：牵引侧各端口的正序功率与接线角无关，即与牵引 变压器的接线方式无关，也与负荷在各端口的分布无关。 由( 2 1 1 ) 式可知：牵引侧各端口在三相系统中造成的负序功率不仅与各 端口的功率因数( 负荷性质) 有关，而且与负荷在各端口上的分布方式及牵 引变压器的接线方式有关。 对于三相、三相一两相牵引变电所，均有两个相位相异的单相牵引端口， 且其电压模值相等，要使，( _ ) = 明p ： j l p j 2 妒i + 纯= j 2 p ，8 0 。+ 2 y 2 + 晚) 当 = j ：、z = 9 0 。+ 堕专堕时p k o ，由于牵引负荷的随机波动 性，= j ：的几率几乎等于零，但如果不考虑两臂负荷性质的差异，即认为 妒。= 伊：时，牵引变压器接线角满足矿：= 蚍9 0 。时，两臂负荷的负序电流始 终相互削弱，则两臂电压向量垂直的三相一两相接线的牵引变压器是减弱负 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 序电流的最佳变换变压器。 p r o 对负序电流的补偿 我们设令m = l ，2 ，3 为牵引端口，其余为p r c ) 嵩口可得，若令无p r c 时 的负序功率为s j ，则可定义负序补偿度为 舻等：善n 沼 其中：”= s 。p “2 ”+ s 。g “2 “”w m = lm 0 4 通常k 。取实数，由上式易知k 【0 ，l 】，若k 。= 1 即雪一1 = 0 为完全补偿 负序；k 。= o 即岛一= 雪一为无负序补偿。 得 假设p r c 端口均装设并联电容，当其僵为负时则为感性，将上式展开可 - s i n 2 4 l c o s 2 u 4 一s i n 2 j u 5 g o s 2 ls 4 一s i n 2 眠1s s c 。s 2 j i ； l s 。 ( 2 1 7 ) 吗( 警1 ：船c 。s ( ：2 ”v 2 + 蚴妒2 ) 嚣：绸 最多是二维的，即最多能确定两个端口的p r c 值，且这两个端口的接线角满 妒i y ，i 蚧9 0 。，( 七，= 4 , 5 ，一，竹) 对补偿负序而言，任意两个接线角相异且不垂直得的端口安装p r c 都能 达到相同得任意好的负序补偿效果，即两接线角相异且互不垂直的端1 3 的 p r c 对补偿负序是完备的。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 对y n d l i 来说：选择i ，= i 。为超前相牵引负荷，i ：= i 。为滞后相牵引负 荷，功率因数分别为c o s 吼，c o s 妒b ，自由相i ，= 0 ，三个p r c 端口在a 、b 、c 三相上，电流分别为i 4 ，i 5 ，f 6 ，且有l = p 4 = 妒月= 0 。，y 2 = 5 = y 口= 1 2 0 。 y 3 = y 6 = 矿( ，= 一1 2 0 。 ( 1 ) 超前相、滞后相加p r c 将上述条件代入( 2 1 7 ) 并令= 0 化简可得 阡k 。 定义叩：粤， i 1 芹c o s 妒a + s i n ( 0 , 4 吖j 2 百c o s 妒a v j 2 一万8 1 一西。0 8 + 8 1 n ；= 以及相对p r c 容量屈= 士，屈= 士上式变为 f + f rl + z 月 p 1 ：一k n l 屈j 1 + 叩 12 万。0 8 n + s i n p a 一万叩。0 8 万2c 。s 吼一叩咭c 。s p n - s i n 伊n - s i n 伊s )万叩一叫窃叩 ( 2 ) 超前相和自由相上加p r c 同理令墨= 0 可得 崩 ：_ _ k n 【凤j 1 + 叩 一去c o s 吼吲击c o s 妒n + s t o m a + s i n r p e ) 一万8 吼一刁万 一j 薯c o s 妒+ 叩( 去c o s 伊。- s i n ) 一万8 吼+ 叩万8 ( 3 ) 滞后相、自由相上加p r c 令s 。= 0 可得： h ：生 l 风j 1 + 叩 击唧一州击c o s t s - - s l n 妒a + s i n q k ) 万咖吼+ 刁万 11 一万c 0 8 吼q l n 吼+ 万叩。0 8 ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) 对上述三式在k = 1 ，c o s 吼= c o s = o 8 时，绘出屈、屈、凤的曲线分 别如图2 - 6 、图2 - 7 、图2 - 8 所示： 亘塑塞堕盔兰塑塑窒生兰焦笙塞 蔓! ! 夏 圈2 - 6 超前相、滞后相加p r c 图2 7 超前相、自由相加p r c 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 图2 - 8 滞后相、自由相加p r c 由图形可知单对负序补偿而言： 叩( ( 1 即超前相负荷远大于滞后相负荷时，应在超前相和滞后相上加 p c c 。 r zi 即超前相负荷与滞后相负荷接近时，应集中在滞后相上加p c c 。 叩) ) 1 即超前相负荷远小于滞后相负荷时，应在滞后相和自由相上加 p c c 。 用一个或两个相互垂直接线角的端口p r c 补偿负序也能达到所要求的效 果，但此时端口接线角已不能独立牵引负荷而自行选择，此时设两端口为并 联电容器，一为并联电抗器，要完备补偿负序电流和无功其接线角需满足： ：1 3 5 6 + 冬，凯：4 5 0 年 瓤一。毒”m ；+ 挈 q 。2 。 其中为牵引合成负序功率的相角： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 s ps i n ( 2 p ”+ ) s ，c o s ( 2 p p + 妒p ) ( 2 2 2 ) 对于牵引供电系统这样波动剧烈的负荷，接线角，y 一日p 。，会在一定 范围内变化，因此要适时补偿牵引负荷的负序电流，就必须即时改变牵引变 压器p r c 端口的电压和接线角，如此往复，需要一个烦琐的调整过程，在工 程应用上无法实现。 当各牵引变电所由同一电力系统供电时，各牵引变电所在电力系统中引起 的总的负序电流与每个牵引变电所的引入相序有关，实际运行中为减小牵引 负荷对电力系统的不对称影响，通常采用轮换接线方式：电力系统引入的相 序分为正相序和逆相序，共六种排列，即a b c 、b c a 、c a b ( 正相序) 和a c b 、 b a c 、c b a ( 逆相序) 。当6 个牵引变电所各供电臂电流都相等，而且功率因数 角都相同时，按正相序相连接的3 个牵引变电所的负序电流之和为零，按逆 相序连接的3 个牵引变电所的负序电流之和也为零，但牵引变电所通常相距 3 0 4 0 公罩，6 个牵引变电所不可能都接在同一区域电网，而且牵引负荷波动 很大，也不可能满足“各供电臂电流都相等，而且功率因数角都相同”的条 件，因此换相连接的实际效果是要打折扣的。 2 2 2 牵引负荷的无功功率 事实上对运行中的牵引变电所，负序和无功是同时出现的，按现有规定 功率因数有奖罚问题，用户尤为关心。 功率因数偏低是交一直型电力机车的主要特性之一，由此造成牵引变电 所平均功率因数较低。电力机车的功率因数一般为0 8 2 0 8 5 。特别对于具 有再生制动功能的电力机车，如果车载无功补偿器退出工作，将造成牵引变 电所平均功率严重偏低。远远不能达到国家标准， 功率因数低，不仅使牵引交压器等供电设备的能力不能充分利用，还对 电力系统产生如下影响：降低发电机的出力，使发电设备效率降低，发电成 本提高；降低输电和变电设施的供电能力：使网络电力损耗增加( 网络中的 电能损失与功率因数的平方成反比) ；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。 大量统计表明，因变电所因功率因数低而被罚款有的变电所每年多达 2 2 0 万元，少者也有2 0 力n 元( 按“反送j 下计”) ，因此平均每个变电所也达 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 1 0 0 万元左右，全路每年多达3 亿元，也就是说，我国牵引变电所现行通用 的大多数不可调并联电容补偿模式已无法适应形式的需要，为使牵引变电所 与我国铁路、电力市场管理现代化发展相适应，对现行无功补偿方式进行改 进。提高功率因数己成为当务之急。 为了提高牵引负荷的功率因数，可从两方面入手：其一，提高用电自然 功率因数。例如提高电力机车的功率因数。其二，在牵引变电所2 7 5 k v 侧安 装无功补偿装置，实际应用中以并联补偿装置为主，目前普遍采用。 从目前工程应用来看并联电容补偿装嚣( p c c ) 做为一种简单、易行、有 效的方法得到了广泛的应用，但由于电容补偿装置一般为固定容量，牵引负 荷具有随机波动性，无法根据负荷变化而改变，而且如果并联电容补偿装置 容量按照线路远期运量考虑，或者线路空载率较高。就容易产生过补偿。而 电力部门对无功补偿装置实行“反转f 计”的计量方法，就会影响功率因数 的提高，甚至降低功率因数。 采取分组投切电容的方式，根据近期、远期运量分别设计电容补偿容量， 对电容进行分组，根据负荷的变化自动进行投切。分组投切补偿，虽然跟随 性不是光滑的，但比现有固定容量的补偿方式要好，采用这种方式对现有的 牵引变电所进行改造，是一个简单易行的方法，通过对既有牵引变电所的改 造实验取得了良好的经济效益，但由于牵引负荷变化剧烈，电容器组需频繁 投切，开关元件的寿命( 开合次数) 十分关键。 2 2 3 牵引变电所的谐波模型 谐波的影响主要为谐波电流，其不良影响可分为三类：热影响、冷影响、 谐振影响。 热影响，因发热而产生的不良影响，有长期性和积累效应，主要是谐波 或合成谐波的幅值在起作用，包括引起感应电机和同步电机的额外损耗和过 热：电容器组的热效应，电度表的计量误差以及引起机械振动。 冷影响，是瞬间产生的不良影响，主要是谐波或合成谐波的瞬时幅值或 相位在起作用，包括对电容器组和电缆的介质击穿等。 谐振影响，指系统元件在谐波下发生或接近发生谐振。 电气化铁道谐波的特点 使用交直流电力机车的电气化铁道产生的谐波与其它非线形负荷的谐波 相比具有一些明显的特点： l 、单相独立性。虽然我国铁路的供电系统都采用两相供电制，但两相 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 负荷相关性很小，通常认为两臂负荷是相互独立的。 2 、随机波动性。谐波电流随基波负荷剧烈波动，范围很大。 3 、相位广泛分布。谐波向量可在复平面4 个象限上出现。 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影响。 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。 借助端口变换关系和变换阵可把牵引侧的两相系统等效变换成原边的三 相系统，进而对给定的接线方式分别获得三相谐波模型【i 】。 牵引侧的两相系统的电路模型可由图2 - 9 描述。 图中 国2 - 9 牵引侧两相系统等效模型 z 2 、z 夥、z 龆一n 次谐波下端口绕组d 、b 绕组漏抗和互漏抗。 z 船、z 船一端口a 、b 中滤波装置或并联补偿装置的n 次谐波阻抗。 f 勰、f 船一端口、b 中牵引负荷谐波。 根据上图可写出牵引系统端口电压方程： 鼢+ 象 z 。， 再由前面的端口变换矩阵可得变压器的三相等效模型 对于y n d l l 接线可得 e 篙j = t ) 譬3 + 2 器j 篙? ( 2 2 4 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 乞端，= 美e ：；：；： 其中z p 为次边绕组的每相漏阻抗。 裕筹 即z 夥= z 黟锚= 筹 z 蹈= z 篇= z 夥= 0 根据图2 - 9 可写出包含滤波支路和牵引负荷谐波源在内的牵引系统的 回路电压j - 程： 简记为 绷驯圳 z 咄= 三( 磁+ 碍) 用变换阵将其变换到三相侧，并用导纳阵表示t 化简得： 式中： 厨：( 2 ) 。霞1 疗鬻= 府：( 磁+ 瑶) 锵口鬻= j 蹴，+ 馏 j 锡= 力：( 2 ) 。府i 1 一滤波网三相导纳阵； j = 詹：j 等效三相谐波电流源阵； ( 2 2 6 ) 呻h ( f z o ，。l = 帅口研卢 uu ，。； 西南交通大学硕士研究生学位论文塑! _ 7 至 d 龆= p ，d 口f 三端口n 次谐波电压相量 ? 茅= ，秒，7 三端口n 次谐波电流相量； 式( 2 - 2 6 ) 对应三相模型如图2 - 1 0 所示。 图2 1 0 牵引变电所三相谐波模型 谐波限制与治理电气化铁道谐波的原则应当有： 1 、谐波的影响及影响程度，重点是冷影嗍和热影响； 2 、在未获得详尽的谐波不良影响和谐波随机过程的知识之前，以平均 有效值或2 阶原点矩为主要依据来衡量谐波水平； 3 、在公共连接点处用9 5 概率( 不超过) 值和平均有效值衡量总谐波 水平： 4 、9 5 概率( 不超过) 值向非线性用户分解时应按概率事件分配；治 理的谐波次数限制在电力系统发生第一次谐振之前，并联电容器引 起的低次谐振可除外； 5 、滤波器的基波无功不应超过正常功率因数补偿的要求，不应造成负 序的恶化； 6 、对滤波器应进行无功、负序综合约束下的优化设计。 目前滤波的主要措施有：在牵弓 变电所中采用并联电容补偿装置，装置 中的参数选择滤除3 次( 或3 、5 次，3 、5 、7 次) 为主；在机车中加装并联 滤波装鼍：此外还有各种有特殊要求的滤波方式。 滤波装置的无功补偿容量按照系统补偿要求计算： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 o c = 艘( t g 吼一辔妒2 ) 叫届i 一层i ， ( 2 2 7 ) 其中为负荷系数，只为谐波源额定有功负荷( k w ) ，辔吼，辔仍为补偿 前、后功率因数角的f 切值，p 为平均有功功率，c o s o ，c o s t p ：为补偿前、后 功率因数值。 滤波装置一般有多个滤波支路，每个支路的补偿容量幺工程上可用下式 近似计算： 量 q 。= 与一q 。 ( 2 2 8 ) 薹( 式中q 为1 1 次谐波滤波支路的补偿容量，。为1 7 次谐波电流。 文献 1 给出了按最小设备容量建立补偿支路的计算模型：设有i f 个滤 波支路，取每支路基波容性无功功率比例系数为岛，其中n = 3 ，5 ，7 ，7 ， 即同时补偿3 ，5 ，7 ，次谐波，以不改变总基波容性补偿功率： 目标 m i n ( 剑高+ 鳓：) ) 约束 p 。= 1 p 。0 , 1 l ， 式中a 。= 华旦为负荷中一次谐波含量。确定t s c 及多串多次滤波支路最 i 】 佳分布的算法，可借鉴中固定并联电容补偿装置满足多串多次滤波支路满足 最佳分布( 模型) 要求的算法【5 5 】。 步骤一：给定综合频偏，确定最佳技术方案； 步骤二：按式( 4 5 ) 确定最小调谐系数f 。，按( 4 6 ) 确定d 。，按( 4 7 ) 确定p 。： 步骤三：确定滤波器有关参数； 步骤四：由滤波器补偿支路与电力系统组成的网络结构参数确定实际滤 波率d m 。和实际调谐系数咖。； 步骤五：若d m 。、t m 。已稳定，d 。_ 咖。、，。4 - - - t m 。，转步骤六；否则， d 。4 - - d m 。，转步骤三； 步骤六：根据确定的d 。、f 。计算有关技术参数； 步骤七：实际电容器和电抗器选择； 步骤八：必要的技术校验： 步骤九：输出有关参数及滤波效果的技术指标。 静止无功发生器( s v g ) 1 3 3 s v g 的接线如图4 8 所示，图中g 。g 8 为六组可关断晶闸管( g t o ) ，d i 风为六组快速续流二极管，c 。为直流侧滤波电容，并同时起直流电源的作用， x 、r 分别为换流器与系统间的总阻抗和总电阻。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 0 页 r f 其等效电路如图4 - 9 所示： 图4 - 8s v g 接线例 图4 - 9s v g 等效电路圈 改变s v g 的输出电压d ，的幅值及相位就可以改变电流j ，也就是改变 s v g 吸收无功的性质和大小。 j 仉 。_ - - _ 。一 - - - - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ 。一 “ 掌睁灞况零，e 褚 ( c ) 毪嘞睫 图4 一l o 无功示意图 由图4 1 0 可知，可控补偿无功补偿电源( s v g ) 调节无功功率是靠改变 逆变器输出电压u 。和系统电压u 之间的相位角艿，迫使s v g 的直流侧滤波电 容c 。上的电压u d 升高或降低，从而导致逆变器输出电压u 。增加或减少。当系 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 1 页 统无功功率发生改变时，可调节逆变器的触发角，使u 相对u 。的相角巧改 变，从而达到无功功率调节的目的。 s v g 的伏安特性如图4 1 1 所示： 卢 ，一二一 髟 _ 一 一 1 ：一一 一- 叫 t 口w0 1 图4 - 1 1s v g 电流一电压特性图 同t c r 一样，改变控制系统参数，可以使电压一电流特性上下移动。 4 3 有源滤波装置眄明 有源滤波器( a p f ) 是一种新型抑制谐波、补偿无功的电力电子装置， 根据其接入电网的方式，可分为并联型a p f 和串联型a p f ，目前的应用主要 以并联型a p f 为主。 单独使用a p f ，由于电力电子器件的限制，大容量的p w m 逆变器造价高， 制造困难，而且功耗大，与无源滤波器( p p f ) 组合使用可大大降低造价，利 用a p f 补偿p p f 不能补偿的剩余谐波，保证整个装置的滤波能力。现在电气 化铁道普遍采用无功电容补偿装置串联电感构成单调谐支路，来滤除3 、5 次谐波，发展趋势为采用晶闸管进行分组投切( t s c ) ，进行可调补偿， g p f 与t s c 的组合能对变电所的综合补偿取 | 寻更好的效果。 1 、并联a p f ( p a p f ) 与p p f ( t s c ) 并联( 并联混合型) 如图4 一1 2 所示，a p f 和t s c 均与系统并联，其中a p f 起谐波补偿作用，t s c 可滤除大部分谐波，因此a p f ( p a p f ) 的容量较单独使用a p f 小，能对谐波 及无功进行动态控制。等效电路如图4 - 1 3 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 2 页 图4 1 3p a p f 与t s c 谐波等效电路图 图中，d 。为系统侧的等效谐波电压源，z 。为系统侧的等效谐波阻抗，l 为系统侧的等效谐波电流，。，为并联a p f 发t ：b 的补偿电流，j ，为流过t s c 的电流，z ，为t s c 的等效阻抗，l 为非线性负荷的等效谐波电流源。 该方案能对机车产生的谐波进行补偿，而且由于a p f 的加入，能够抑制 t s c 与系统的谐振，并联型的a p f 能补偿无功功率，对系统的无功能进行连 续补偿。但对谐波的补偿要求越高，则需要的a p f 的容量也越大，如果为补 偿无功对a p f 的容量要求也就越高，相应系统的成本也较高。 2 、串联a p f ( s a p f ) 与p p f ( t s c ) 并联( 并联混合型) ： 系统的构成如图4 1 4 所示，其中谐波和无功功率主要由t s c 补偿，而 a p f 的作用是改善t s c 的滤波特性，可将a p f 看作一个可变电阻，它对基波 的阻抗为0 ，对谐波却呈现高阻抗，阻止谐波流入电网，迫使谐波电流流入 t s c ，即a p f 起到谐波隔离的作用，可抑制电网阻抗对t s c 的影响，以及抑制 电网与t s c 之间可能发生的谐振。并联混合型等效谐波电路如圈4 - 1 5 所示。 酉南交通大学硕士研究生学位论文第4 3 页 圈4 1 4s a p f 与t s c 幽4 1 5s a f f 与t s c 谐波等效电路圈 图中各参数意义同前，阮= k l ，由上图可得： ，m = 志，。+ 羔= 躲 ) 哺= z 吨if = z i 出一z 喃i 哺 当k z 曲，z n 时，可得： i m 0 u 肪。一z 劢 则 u m z i + u m ( 4 - 8 ) ( 4 - 9 ) ( 4 - 1 0 ) ( 4 1 1 ) ( 4 一1 2 ) 由式( 4 8 ) ( 4 1 2 ) 可知：a p f 充当谐波回路阻尼电阻的作用，能消 除滤波器与系统之间可能发生的谐振，当k 比系统阻抗大很多时。谐波源侧 盼谐波电流将不能流入系统，保证了滤波器的有理想的滤波特性。这种方案 a p f 所需容量小，只需补偿对象容量的3 5 即可达到理想的补偿效果。缺 点是a p f 保护较困难，而且a p f 不能补偿无功功率，只能靠t s c 来调节，因 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 4 页 此系统对无功的补偿是不连续的，这种方案目前处于实验阶段，文献5 6 对其 做了详细的分析。 3 、a p f 与p p f ( t s c ) 串联( 串联混合型) 系统的构成如图4 - 1 6 所示，a p f 与t s c 作为一个整体并联接入系统，a p f 处于系统的低压侧，对a p f 的保护较容易，装置实现的难度相对较小。与方 案2 相同的是a p f 对无功不能进行控制。等效谐波电路如图4 一1 7 。 图4 1 6a p f 串入t s c 与t s c 混合使用 图4 - 1 7a p f 与p p f ( t s c ) 串联谐波等效电路 图中各参数意义同前，d 。= k l ，由图4 - 1 7 可得： l = 赤l d n 2 时“一z m ，m = 一 羔， 吣黝扩志k ( 4 - 1 3 ) ( 4 1 4 ) ( 4 - 1 5 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 5 页 同样当k z m ，z n 时： i “0 u f h 2 一z 1 h ljh 则 u z 1 i ，h + u 。h ( 4 一1 6 ) ( 4 1 7 ) ( 4 1 8 ) 式( 4 1 6 ) 式( 4 1 8 ) 与式( 4 1 0 ) 式( 4 1 2 ) 完全相同，由此可 得出相似的结论。 表4 - 3 对有源滤波器( a p f ) 和晶闸管投切电容器( t s c ) 组成的几种混 合型滤波器进行了简单对比。 表4 - 3混合型滤波器 系统结构 p a p f 和t s cs a p f 和t s ca p f 与t s c 串联 a p f 电路电压源p 删逆变器，电压源p 硼逆变器，电压源p 删逆变器，有 有电流反馈无屯流反馈或无电流反馈 a p f 作用谐波补偿或谐波隔离和 谐波阻尼或 谐波阻尼谐波阻尼谐波补偿 优点有并联a p f 的作用。可改善t s c 的滤波特可改善t s c 的滤波特 可补偿无功功率性，谐波电流不通过性，a p f 的保护较容易 a p f 存在问题a p f 与t s c 之间存在a p f 保护较困难，不能 不能控制无功功率 谐波通道控制无功功率 应用情况商业阶段实验阶段己应用 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 6 页 第5 章养马河变电所负荷分析 养马河牵引变电所两台主变压器容量为2 x1 6 m v a ，采用一主一备工作方 式。l l o k v 侧采用双t 结线方式，2 7 5 k v 侧采用单母线结线方式，主变压器 采用y n d l l 结线方式，装有两套3 2 0 0 k v a r 和1 6 0 0 k v a r 的固定并联电容补偿 装置，两套并补装置均安装在滞后相。一般投入3 2 0 0 k v a r 的一组并补装置， 负荷较大时两组均投入运行，采用人工投切方式。 2 0 0 2 年5 月1 0 日至1 3 日采用西南交大研制的b d c 一5 变电站电能质量监 测系统对养马河牵引变电所进行了连续监测，获得了大量的数据。 电网电压水平 通过长期对电能质量问题的研究和对实测数据的分析，我们发现，电压 质量问题除了与负荷特性有关外，还和电力系统有关，向电气化铁路供电的 电力系统容量越小，电压质量问题表现得越严重。国标规定：3 5 k v 及以上供 电电压正负偏差的绝对值之和不超过额定电压的1 0 。 图5 - 1 图5 4 为5 月1 0 日至1 3 日养马河牵引变电所1 l o k v 侧a 相电 压记录。a 相电压统计数据见表5 l 。 图5 一l5 月1 0 日1 l o k y 侧a 相电压趋势图 堕塑奎望查堂塑主婴窒皇兰垡迨窒 篁翌戛 图5 - 25 月1 1 日l l o k v 侧a 相电压趋势图 图5 - 35 月1 2 日i l o k v 侧a 相电压趋势图 图5 - 45 月1 3 日i l o k v 侧a 相电压趋势图 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 8 页 表5 - 1a 相电压统计数据 日期 2 0 0 2 5 一l o2 0 0 1 5 112 0 0 2 5 1 22 0 0 2 5 1 3 最大值 1 2 06 41 2 0 2 71 2 0 3 41 2 0 2 6 最小值 1 1 2 2 71 1 0 8 81 1 2 4 9“2 3 3 电压偏差 7 68 57 1 7 2 从上表可看出，1 l o k v 侧母线电压偏高，均大于额定电压( 1 l o k v ) ，电 压波动满足国标要求。 电压综台畸变率( t h d 。) 牵引变电所通常测试1l o k v 各相电压综合畸变率，相电压样点经快速傅 立叶变换后可得其基波分量“和一系列谐波分量，电压综合畸变率( t h d 。) 定义为： 、哪 t h d t ，= 牛1 0 0 ( 5 1 ) u i 中华人民共和国国家指导性文件g b z1 7 6 2 5 4 - 2 0 0 0 电磁兼容限值 中、高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估规定：l l o k v 电力系统公共 连接点正常电压总谐波畸变率t h d 。9 5 概率大值的允许值为3 o 。 测量的1l o k v 母线a 相电压综合畸变率趋势如图5 5 至图5 8 所示。 图5 - 55 月1 0 日1 l o k y