（电力电子与电力传动专业论文）基于statcom的电铁负序和无功综合补偿的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，f r o mt h ep o i n to fv i e wo np o w e r , an e ww a yo fa n a l y z i n g3 - p h a s e u n b a l a n c ec u r r e n ti s g i v e n b y t h i s w a y , t h ec o m p e n s a t i n gd y n a m i c a l l y n e g a t i v e - s e q u e n c ea n dr e a c t i v e - c u r r e n tw h i c ha r eg e n e r a t e db yt h ee l e c t r i ct r a c t i o n l o a dw i t hs t a t c o mi sr e a l i z e d o nt h ec o m p e n s a t i o ns i d eo ft r a c t i o n t r a n s f o r m e rf o r t e s t i n ge l e c t r i cl o c o m o t i v e ，t h ea p p r o a c ho fi g b tc o n t r o l l i n gs t a t c o mh a sb e e n u s e d ，w h i c h c a nb er e a lt i m e c o m p e n s a t i n g ，a n db yt h i st e c h n o l o g y , t h e n e g a t i v e s e q u e n c ec u r r e n ta n dr e a c t i v ec u r r e n to nt h ep o w e rs i d eo ft h et r a n s f o r m e r a r ed e c r e a s e du n d e rt h en a t i o n a ls t a n d a r d t h ec o n t r o l l e ri sak e yp a r to ft h e c o m p e n s a t i o ne q u i p m e n t a n di t sc o n t r o lc i r c u i t ，c u r r e n td e t e c t i n gc i r c u i ta n d s y n c h r o n i z a t i o nt r i g g e rc i r c u i ta r ed e s i g n e d ，s ot h ei n s t a n t a n e o u si m p u l s ec u r r e n ti s b er e d u c e dl a r g e l yw h e nt h es t a t c o mc o m p e n s a t i o nc i r c u i ti sc l o s e d ，a n dt h e r e l i a b i l i t yo ft h ee q u i p m e n ti si m p r o v e dg r e a t l y t h ee q u i p m e n ti sb a s e do nt h ed i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ( d s p ) ，w h i c hc o n t a i n sm u l t i p l i c a t ef u n c t i o n s ，s u c ha sr e s i s t a n c ea n d r e a c t i v ep o w e rm e a s u r e m e n t ，s t a t c o ma u t o t r i g g e r i n g ，f a i l u r ea u t o d i a g n o s i s ， f a i l u r ed i s p l a ya n da l a r m t h ee q u i p m e n th a sb e e nu s e di nt h es h a n g h a ir a i l w a y s b u r e a u i na d d i t i o n ，b a s e do nt h et r a n s i e n tr e a c t i v ep o w e rt h e o r y , t h ep a p e ra n a l y z e s r e a l - t i m e ，t h eg e n e r a ld e t e c t i n gm e t h o d sf o rr e a c t i v e ，t h ef u n d a m e n t a ln e g a t i v e s e q u e n c ea n dh a r m o n i cc u r r e n t si nt h r e e p h a s ec i r c u i t s ，a n dg i v e san e wd e t e c t i n g w a yo ff u n d a m e n t a lr e a c t i v e ，t h a ti st h en e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n t s t h ea p p r o a c ho f i n d i r e c tf b dc u r r e n td e t e c t i n g t h ea p p r o a c hi se f f i c i e n tw h e nt h ef u n d a m e n t a l r e a c t i v ea n dn e g a t i v e - s e q u e n c ec u r r e n t sa lec o m p e n s a t e dw i t hs t a t c o m f i n a l l y , t h em e t h o do fh a r d w a r ed e s i g nf o rt h ec u r r e n td e t e c t i n gu n i ti sd e t a i l e di nt h i sp a p e r , w h i c hb a s e do nc p l da n dd s p d i g i t a lp r o c e s s i n gc h i p s k e yw o r d s ：e l e c t r i ct r a c t i o nl o a d ，t h r e ep h a s eu n b a l a n c e ，n e g a t i v e s e q u e n c ea n d r e a c t i v e c u r r e n tg e n e r ac o m p e n s a t i o n ，s t a t c o m ，c p l d i i 学位论文独创性声明 学位论文独创性声明 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 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，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 为获得直昌太堂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 的说明并表示谢意。 学位论文作者签名( 手写) ：氟辱裕字日期：沙，月多日 f 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权直昌太堂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，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究 所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 钐坼觯 弧矽 疡调 名 ，年签 者 汐 一癣 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1引言 随着工业化进程的不断加快，各种用电负荷对电网的“污染”也同益严重， 三相电流严重不平衡、功率因数低和谐波分量比较高等问题的出现已经对电力 系统质量造成了很大的影响，同时也必将影响电网中设备的安全运行。因此， 分析电网中存在的负序、无功和谐波等问题，并研究补偿负序和无功功率以及 抑止谐波的方法己经成了一个非常重要和紧迫的任务。目前，国内对于谐波的 补偿或抑制已经有了许多方法，如滤波电容、有源滤波器等等。而本文则以静 止同步补偿器( s t a t c o m ) 为基础，着重研究对负序和无功进行综合补偿的问 题。 1 2 课题的背景及意义 随着国民经济的快速发展，铁路运输能力与运输需求之间的矛盾日益突出， 成为制约社会经济发展的瓶颈。为了提高铁路运输速度及载重能力，牵引方式 的选择尤为重要。与传统的蒸汽机车或内燃机车牵引方式相比，电气化铁路具 有运输能力大、行驶速度快、消耗能源少、运营成本低、工作条件好等优点。 据国家统计局提供的数字，到2 0 0 6 年9 月，随着浙赣线电气化铁路的开通，我 国已建成电气化铁道4 9 条，总里程达到2 4 0 0 0 多公里，超过日本和印度居亚洲 第一位，世界第二位，是世界上少数拥有2 万公里以上电气化铁路的国家。铁 道部“十一五”规划中指出：“十一五”期间，铁路既有线电气化改造1 5 0 0 0 公里， 电气化比例达到4 5 以上。在提速主要干线，实现时速2 0 0 至2 5 0 公里动车组、 时速1 2 0 公罩货车、双层集装箱列车共线运行，列车最小追踪间隔5 分钟。研 究开发轴重2 5 吨及以上的新型重载货车，及载重1 0 0 吨的专用货车。铁路快速 客运专线网络和各大区域之间，大能力货运通道网络初步形成，快速货运网络 初步建成，东部铁路基本实现现代化。由此可见，电气化、高速、重载是铁路 发展的必然趋势。因此，电气化铁道的发电设备装机容量、电力机车数量都将 大幅度增加。我国电气化铁路的飞速发展，给人们带来快捷、高效、清洁的交 通同时，对公共电网的安全运行带来负面影响。电力机车牵引负荷为波动性很 第1 章绪论 大的功率单相整流负荷，当机车的工况改变时，会导致较大的负荷电流波动， 根据有关资料j ，列车所取得的电流一般不会保持恒定3 0 s 之久，因为坡度、曲 率以及风阻的变动，所以对机车需作经常的调节以保持其恒速运行；此外，机 车进站停车也需要按照信号改变速度。机车电流往往在几秒钟或更短时间内从 零变化到满负载或从满负载到零，而且在整个期间都有很大的变动，导致在牵 引供电系统中产生大量的谐波与负序，如不能在电铁牵引变电站得到及时治理， 将注入电力系统，影响全网，波及用户。电铁机车沿铁路移动用电，其产生的 危害性远比其他任何谐波源设备更为严重，更为广泛。 随着电气化铁路运行速度和载重能力的不断提高，负序电流对电网的影响 也越来越受到关注。电力机车作为单相移动、幅值频繁变化的大功率非线性整 流负荷，正常运行时将会引起电力系统三相不对称而产生较大的负序电流。如 不及时地采取措施加以治理，将对电气设备及电力系统的安全经济运行造成严 重的威胁。实际运行中，由于受到负序电流的影响，已发生多起电力系统大面 积停电、中小型发电机转子损坏、继电保护误动等事故，严重扰乱正常的运输 秩序，造成巨大的经济损失和社会影响川【2 】。同时，电铁机车也是一大感性负载， 运行时会从电网中吸收大量的无功功率。一方面增加了输电成本，另一方面， 大幅变化的无功负荷还会造成电网电压的波动。目前，相当数量的牵引变电站 功率因数低下。仅以郑州铁路局西安分局为例，在电力系统考核的1 4 个牵引变 电站中，有5 个功率因数不合格，占3 6 ，北京分局在1 9 9 8 年度，因管内牵引变 电站功率因数低于0 9 ，增加缴电费1 0 0 0 多万元。如全路以2 0 计，急需动态补 偿的就有4 0 个，改造后年效益可达2 0 0 0 多万元。 在负序方面，为减轻对公共电网的影响，人们采取了许多措施，如对传统 的y n d 联接变压器，接线时采取了换向联接。做法为将铁路沿线各牵引变电所 的变压器依次按照a b ca c b b c a c b ac a b 和b a c 的相序依次与l1 0 k v 电网 的a b c 连接。当六个牵引变电所个供电臂电流都相等，而且功率因数角都相同 时，按正向序连接的3 个牵引变电所的负序电流之和为零，按逆相序列连接的3 个牵引变电所的负序电流之和也为零。但是，这六个牵引变电所通常两两相距 4 0 公里左右，不可能都接在同一区域电网；再者，牵引负荷波动很大，也不可 能满足“各供电臂电流都相等，功率因数角都相同的条件。对于新型的平衡 牵引变压器，在一定程度上能够减少负序电流，具有当二供电臂负荷相同时， 实现原边三相平衡，但正如前面提到的，很难做到两供电臂电流相等。因此实 2 第1 章绪论 际效果要大打折扣，只能减轻负序电流，做不到完全抵消负序电流，对于公共 电网，电力机车在运行过程中仍会向电网注入大的负序电流。在无功功率补偿 方面，铁道运营部门一般采用并联固定的电容器，但因牵引负荷变化较大，使 牵引变电所的无功有时处于过补，有时处于欠补，降低了整个牵引变电所的功 率因数值，达不到电力部门要求的0 9 值，加大了企业的运营成本。 为此，要想使铁路运营企业的技术经济指标得到提高，维护公共电网的安 全运行，牵引供电系统必须采用新的装置提高对负序和无功功率的进一步综合 补偿，使电力机车产生的负序电流控制在合理范围内，并提高功率因数，保证 电力机车及电力系统安全运行。电气化铁路牵引变电所的无功补偿、负序补偿 及其综合补偿的应用前景广阔，本文“基于s t a t c o m 的电气化铁路负序和无功 综合补偿的研究”，正是针对这一目的而进行的。 1 3 负序和无功功率产生的原因及其影响 1 3 1 负序和无功功率产生的原因 负序的产生，是由于三相负荷的不平衡引起。由于三相负荷的不平衡，导 致中性点偏移，系统中出现负序电压、负序电流。电网中产生负序电流的因素 可归纳为事故性和正常性，前者是指由于三相电力系统中一相或两相出现故障 而导致电网中产生大量的负序电流，后者主要来自于电气化铁路和交流电弧炉 等负载产生的负序电流，而且电气化铁路和交流电弧炉两种负载还会从电网中 吸收大量的无功功率。 无功功率在电气技术领域是个必不可少的重要物理量。电力系统中的无功 功率主要用于电路内建立电场与磁场。并用来在电气设备中建立和维持磁场， 完成电磁能量的相互转换，不对外做功，只为系统提供电压支撑，在电源与负 荷之间提供电压降落所需要的势能。尽管无功功率会对电网造成影响，但同时 也应注意到无功功率对于电网的运行也是必不可少的。无功功率不直接作为实 际消耗之功，但无功功率的交换，将引起发电和输电设备上的电压开降和电能 损失。无功功率是交流电力设计和运行中的一个重要因素，不仅大多数负荷要 消耗无功功率，而且大多数网络组件也要从电力系统中吸收无功功率，以产生 这些设备维持正常工作所必须的交变磁场。无功功率不是无用功率，其能为能 量的交换、输送和转换创造必要的条件。在工业和日常用电中，感性负载占了 3 第1 章绪论 很大的比例，如感应电动机、变压器、日光灯镇流器等都是典型的感性负载， 都需要从电网中吸收大量的无功功率，还有电力系统中的电抗器和架空线等也 需要从电网吸收无功功率。而且随着电力电子器件的大量使用，特别是许多相 控装置，在工作时基波电流滞后于电网电压，同样需要从电网中吸收大量的无 功功率。鉴于电气化铁路的负载电力机车比较典型，我们简单说明下它的运行 情况和对电网造成的影响。 我国电气化铁路的牵引供电制式采用单相工频( 5 0 赫) 2 5 k v 交流制，从 1 1 0 k v 公共电网上取得电源，经牵引变压器降至2 7 5 k v ( 空载电压) ，向接触 网供交流电。电力牵引负荷从接触网上获得需要的电能。由于电气化铁路的电 力机车是移动性的单相整流带冲击的负荷，该牵引负荷具有间歇性、流动性和 不对称性等特性，所以必然会造成三相电流的严重不对称，以及功率因数低等 问题，据对多种电力机车功率因数的测定表明，各类机车功率因数都不超过0 8 ， 有的甚至低于0 5 ，所以其带来的负序和无功问题应引起我们足够的重视。 1 3 2 负序电流的特点 1 3 2 1 波动性大 电气化铁路负荷是单相、移动、幅值频繁剧烈变化的特殊负荷，每天按列 车运行图运行。无论是分析国内实测资料还是参考国外有关文献，电气化铁路 日波动负荷的特征是非常明显的。形成这种日波动负荷与线路情况、机车类型 与操纵、机车速度、牵引重量及运行图等多种因素有关，具有很大的波动特性。 因此电气化铁路负荷不同于一般的持续电力负荷，是一种典型的日波动负荷。 这种负荷所产生的负序电流时大时小，也是快速波动的。 1 3 2 2 污染整个公用电网 通过负序网络分析，负序电流造成的负序电压压降，其值在负荷点最大， 越接近电源越小。从这种效果上看，可以把单相牵引负荷看成是一个负序电流 源，它向电源方向输送负序电流，其注入点在牵引变电所的高压侧。 负序电流的频率与j 下序电流的频率一样。因此，一旦负序电流进入电力系 统就无法将其过滤掉，负序电流将顺着电力网络流向系统中的所有发电机和电 力用户，整个电网的各个角落都将会受到其污染。 1 3 2 3 与污染源的距离有关 经过详细计算表明，距离污染源越近的地方，受到的污染越严重。以发电 4 第1 章绪论 机为例，当一列火车运行到百色路段时，机车所发出的负序电流有2 ，7 6 注入电 气距离较小的澄碧河电厂，而注入电气距离较大的洛东、拉浪、合面狮、京南、 昭平、麻石、天湖等电厂的负序电流分别只有总负序电流的0 1 5 ，o 0 9 ，0 0 5 ， 0 0 9 ，0 0 9 ，0 1 6 ，0 0 5 t 3 1 。 1 3 2 4 与容量有关 同上例，列车运行到百色路段时，注入大化电厂、柳州电厂、岩滩电厂、 来宾电厂：天生桥二级、合山电厂、西津电厂的负序电流分别达到总负序电流 的2 5 7 ，2 8 2 ，1 0 1 6 ，2 6 8 ，1 0 8 3 ，2 0 ，1 4 2 。但注入洛东、拉浪、合面狮、 京南、昭平、麻石、天湖等电厂的负序电流分别不到总负序电流的0 2 。 1 3 2 5 仅在负序网络内流动 负序电流只在负序网络内流动，因而负序潮流分布取决于负序网络阻抗而 与正序网无关。 1 3 2 6与电网的运行方式有关 电网在合环运行或开环运行时的负序潮流是不一样的，因而其危害的对象 和程度也就不同。 1 3 2 7与列车运行方式有关 同相别的列车负序电流互相叠加，不同相别的列车负序电流互相抵消。所 以，列车的运行方式对电力系统的负序污染程度的影响是各不相同的。 一 1 3 2 8 + 与牵引变压器接线方式有关 牵引变电所采用单相接线变压器，其牵引负荷在电力系统中引起负序电流 大小与正序电流相等。并且都等于牵引负荷电流的0 1 4 4 倍。 采用单相v 接线变压器，当两个方向的牵引负荷相等时，其牵引负荷在 电力系统中引起的负序电流为正序电流之半。当两侧牵引负荷不相等时，两侧 牵引电流之差的绝对值越大，其负序电流就越大。 采用三相y 接线变压器，其牵引负荷在电力系统中引起的负序电流为正 序电流之半。 采用s c o t t 接线或平衡变压器接线，当两侧牵引负荷相等时，其牵引符合在 电力系统中引起的负序电流为零。 5 第1 章绪论 1 3 3负序电流对电力系统的影响 1 3 3 1 负序电流对同步发电机的影响 在电力系统中，当三相电流平衡时，发电机定子的三相电流所产生的旋转 磁场与转子转速相同，均为同步转速，而且方向也一样，故定子旋转磁场与转 子旋转磁场相对静止。此时，发电机转子励磁绕组中只有正常的励磁电流。 当三相电流不平衡时，发电机定子的三相电流所产生的旋转磁场与转子转 速相同，均为同步转速，但方向与转子的旋转方向相反，相对于转子而言，转 速为同步转速的2 倍。这种负序旋转磁场以2 倍的速度直接扫过转子绕组和转子 本体表面，从而在转子励磁线圈、阻尼线圈及转子本体中感应出2 倍同频率的电 势，并引起涡流，将对同步发电机产生以下的影响【4 ：i ： ( 1 ) 导致出力下降 单相牵引负荷引起发电机的不对称运行，从发电机的安全运行考虑，其每 相电流均不应超过额定值，因此实际上限制了发电机的出力，否则将超过额定 温升； ( 2 ) 产生附加振动 当负序电流流经发电机时，其负序电流产生的负序旋转磁场，以同步转速 的两倍速度切割转子，产生负序同步转矩，使发电机产生附加振动： ( 3 ) 造成附加损耗 由于漏磁通，使定子槽内导线中的电流产生集肤效应，引起定子绕组的铜 的附加损耗，在定子端接部分使端盖板和压环中产生涡流，而产生附加损耗； ( 4 ) 引起转子表面发热 涡流将引起励磁线圈、阻尼线圈及转子其它部分的附加发热，产生额外的 热量和能量损失。同时，由于负序旋转磁场感应出来的电流频率高，集肤效应 较为严重，这个电流极不容易渗透到转子的深处，而集中在转子本体和各个部 件的表面。负序旋转磁场在转子方面所感应出来的2 倍工频环流，直接越过汽 轮机转子的槽楔与齿，以及槽楔和齿与护坏的许多接触面。而这些地方的接触 电阻较高，可能出现局部高温现象，会降低转子部件金属材料的强度和线圈绝 缘强度。 1 3 3 2负序电流对异步电动机的影响 对于异步电动机来说，正序电压产生正序电流和顺转的电磁转矩，负序电 压产生负序电流和逆转的电磁转矩。负序电压对异步电动机的运行是十分不利 6 第l 章绪论 的，较小的负序电压加到异步电动机上，将会引起较大的负序电流及负序逆转 电磁转矩，直接影响异步电动机的效率和安全可靠运行。例如当负序电压达5 时，电动机出力将降低1 0 - - - 1 5 ；负序电压达7 时，则出力降低达2 0 - - 2 5 。 因此，负序电压对异步电动机的影响是很大的，可以引起电动机的额外发热、 破坏其正常工作、减小出力、降低寿命【5 1 。 1 3 3 3 负序电流对继电保护装置的影响 负序电流干扰继电保护和自动装置的负序参量启动元件，使它们频繁误动 作。其中距离保护的负序振荡闭锁装置误动作后，除了作用于触发声光报警信 号外，尚可能产生以下后果之一【6 1 ： ( 1 ) 当电气化铁路负序电流信号作用时间较长时，常规的距离保护就要转 入闭锁状态，使一段时间内距离保护的快速动作段退出运行，线路在当时失去 保护： ( 2 ) 当电气化铁路负序作用于解除振荡闭锁后，如系统又立即发生振荡， 则使保护误动作而触发跳闸，切断线路； ( 3 ) 自动故障录波装置的负序启动元件的误动作，导致无故障记录而浪费 记录胶卷。在频繁误动时，可以因未能及时装好新胶卷，而导致发生故障时无 记录。 1 3 3 4 负序电流对电力变压器的影响 负序电流造成三相电流不对称，因而电力变压器三相电流中有一相电流最 大，而不能有效发挥变压器的额定出力( 变压器容量利用率下降) 。此外，还 造成变压器的附加能量损失，在变压器铁芯磁路中产生附加发热。 1 3 3 5 负序电流对输电线路的影响 负序电流流过输电线路时，负序功率实际上并不做功，而只造成电能损失， 增加了网损，降低了送电线路的输送能力。 1 3 4 无功功率对电力系统的影响 1 3 4 1 增加设备容量 无功功率的产生会使得电流增大和视在功率的增加，从而使发电机、变压 器等各种电气设备的容量和导线的容量增加； 1 3 4 2 增加了输电网络中的电压损耗 7 第1 章绪论 如果是冲击性无功功率负载，例如电弧炉、轧钢机等，还会造成供电电压 剧烈波动，严重影响供电网的质量； 1 3 4 3 设备及线路损耗增加 无功功率的增加，使总电流增大，必然使得设备和线路的损耗增加； 1 3 4 4 功率因数降低 输电和变电设备的利用率降低，会增加运行成本以电气化铁路为例，电气 化铁路牵引变电所功率因数多执行o 9 0 的考核标准，当功率因数低于o 9 0 时，功 率因数每降低0 0 1 ，电费增加o 5 ，当功率因数低于0 6 5 时，功率因数每降低0 0 1 ， 电费增加1 o ，当功率因数低于o 5 9 时，功率因数每降低0 0 l ，电费增加2 o 。 由上面的分析可以看出，无功功率补偿可以大大改善功率因数，近而相应 地减少电费，降低系统的能耗，减少了线路的压降，增加了供电功率，减少了 用电帖费。很明显，负序电流和无功功率会对电力系统造成很大的影响，研究 如何补偿电网中负序和无功功率已成为净化电力系统，实现电网“绿化的一 个紧要任务。 1 4 负序和无功补偿的研究状况 近一个世纪以来，人们对于负序和无功补偿的研究有了长足的发展，尤其 是近些年，电力电子器件的不断更新促进了负序和无功补偿技术的快速进步。 从总体上来说，要改善负序和无功补偿的效果，一方面可以改进补偿装置，这 倚仗于其他技术的发展，另一方面可以对补偿方法进行研究与改进。早期无功 补偿装置的典型代表是同步调相机。同步调相机不仅能补偿固定的无功功率， 对变化的无功功率也能进行动态补偿。至今在无功补偿领域中这种装置还在使 用，而且随着控制技术的进步，其控制性能还有所改善，但从总体上说这种补 偿手段已显得陈旧，所以使用的已经不多。 设置无功补偿电容器是补偿无功功率的传统方法之一，目前在国内外均获 得广泛应用，它属于无源补偿装置。电容器与网络感性负荷并联，以并联电容 器补偿无功功率具有结构简单、经济方便等优点。这种补偿方式是使用接触器 或者真空断路器投切电容器组进行无功补偿的。这种补偿装置存在着一些不足： ( 1 ) 在用机械式交流接触器作为投切方式进行投切时，接点间易拉弧粘连， 寿命短，响应速度慢，约为5 s n 3 0 s ，投切过程会对系统产生冲击电压和冲击电 8 第l 章绪论 流； ( 2 ) 电容器组合闸的冲击电流一般为额定电流的十几倍到几十倍，比三相 异步电动机起步的冲击电流还大； ( 3 ) 补偿容量与系统电压平方成正比； ( 4 ) 不能动态地跟踪负荷无功功率的变化。 尽管设置无功补偿电容器有这些缺点，但其成本低，使用方便，现在使用 还是比较广泛的。后来出现了静止无功补偿( s v c ) 装置，静止无功补偿( s v c ) 是指用不同的静止开关投切电容器和电抗器，使其具有连续而且迅速地吸收和 发出无功电流的能力，用于提高电力系统的功率因数，稳定系统电压，抑制系 统振荡等功能。近些年来静止无功补偿装置已经有了很大的发展，已被广泛应 用于输电系统波阻抗补偿及长距离输电的分段补偿。随着电力电子技术的发展 及其在电力系统中的应用，将交流无触点开关s c r ，g t r ，g t o 等作为投切开关， 速度可以提高5 0 0 倍，对任何系统参数，无功补偿都可以在一个周波内完成，而 且可以进行单相调节。目前所说的静止无功补偿装置一般专指使用晶闸管的无 功补偿设备，主要有以下三大类型：一类是具有饱和电抗器的静止无功补偿装 置s r ( s a t u r a t e dr e a c t o r ) ；第二类是晶闸管控制电抗器t c r ( t h y r i s t o rc o n t r o l r e a c t o r ) 、晶闸管投切电容器t s c ( t h y r i s t o rs w i t c hc a p a c i t o r ) ，这两种装置统 称为s v c ( s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ) ：第三类称为自换相变流电路的静止无功补 偿器( s v g ) 。 1 4 1 具有饱和电抗器的无功补偿装置( s r ) 饱和电抗器分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种。自饱和电抗器的无 功补偿装置是依靠电抗器自身固定的能力来稳定电压，它利用铁心的饱和特性 来控制发出或吸收无功功率的大小。可控饱和电抗器通过改变控制绕组中的工 作电流来控制铁心的饱和程度，从而改变工作绕组的感抗，进一步控制无功电 流的大小。 它具有如下特点： ( 1 ) 具有静止型特点，响应速度比同步调相机快得多； ( 2 ) 由于铁心需磁化到饱和状态，因此损耗和噪声比较大，而且存在非线 性电路问题。同时，调整时间长，动态补偿速度慢； ( 3 ) 装置中的饱和电抗器造价高，约为一般电抗器的4 倍； 9 第1 章绪论 ( 4 ) 不能分相调节以补偿负荷的不平衡。由于有以上的优缺点，所以饱和 电抗器的静止无功补偿器目前应用的比较少，一般只在超高压输电线路才有使 用，未能占据静止无功补偿装置的主流。 1 4 2晶闸管控制电抗器( t c r ) 晶闸管控制电抗器通过调节触发角的大小来改变补偿器所吸收的无功分 量，达到调整无功功率的效果。t c r 的响应时间为毫秒级，一般在l 到3 个周波之 内。由于单独的t c r 只能吸收无功功率，不能发出无功功率，这时可以将并联电 容器与t c r 配合使用构成无功补偿器。根据投切电容器的元件不同，又可分为 t c r 与固定电容器配合使用方式和t c r 币n 断路器投切电容器配合使用方式。这种 具有t c r 型的补偿器反映速度快，灵活性大，目前在输电系统和工业企业中应用 最为广泛。 1 4 3晶闸管投切电容器( t s c ) 为了解决电容器组频繁投切的问题，晶闸管投切电容器t s c 装置应运而生， t s c 实际上就是断续可调地吸收容性无功功率的动态无功补偿器。为了对无功电 流尽量做到无级调节，总是希望电容器级数越多越好，但考虑到系统的复杂性 及经济性，通常依二进制原则，可用k 1 个电容值为c 的电容和一个电容值为c 2 的电容，组成2 k 级的电容组数。t s c 的关键技术问题是投切电容器时刻的选择。 经过分析和实验研究表明，其最佳投切时间是晶闸管两端的电压为零的时刻， 即电容器两端电压等于电源电压的时刻，这时投切电容器，电路的冲击电流为 零。与t c r 相比，t s c 虽然不能连续调节无功功率，但具有运行时不产生谐波而 且损耗较小的优点。 1 4 4自换相变流电路的静止无功补偿器( s v g ) 自换相变流电路的静止无功补偿器能对一个宽范围的交流电压环境提供额 定的无功补偿，并且比起传统的t s c t c r 装置，其调节速度更快且不需要大容 量的电容、电感等储能元件，由于采取了多重化，多电平技术，显著地抑制了 装置输出的谐波小，工作范围宽，特别在系统欠电压条件下，无功调节能力强。 在国外，9 0 年代中期以进入实用化阶段，如美国西屋电气公司与电力研究院联 合为田纳西峡谷电力系统研制的士1 0 0 m v a r s v g l 7 1 ，其变流器主电路由8 个 1 2 5 m v a r 的三相桥式变流器构成形成4 8 脉波的多重化结构，通过平衡电抗器及变 1 0 第1 章绪论 压器连接到1 6 1 k v 母线上，变压器的漏抗被用作连接电抗。该装置以于1 9 9 4 年投 入电网实际运行，以改善所在电网连接点处的电压调整。在我国正逐步进入实 用化阶段，清华大学研制3 0 0 k v a 静止无功补偿器，采用一种借助变压器连接的 谐波消除方法耳1 6 n 脉冲变流器，这也是一种多重化技术。其主电路采用单相桥 式结构【6 j ，其基本组成单元为三个单相桥组成的三相逆变器，将多个这样的三相 逆变器进行多重化连接，便构成了大容量的主电路，成功地将s v g 应用于大型 电力系统中。由此看来基于白换向逆变器电路的静止无功发生器必将成为未来 无功补偿的重要发展方向。 1 4 5 有源电力滤波器( a p f ) 有源电力滤波器( a p f ) 基本原理是由全控型电力电子器件构成、采用p w m 控制的逆变器。可用于补偿谐波、无功功率、三相不平衡电流、供电点电压波 动，还可将这几项任意组合，进行综合补偿。其优点有：1 ) 可连续调节且响应 迅速；2 ) 无功补偿时不需大容量的储能元件，补偿谐波时所需储能元件容量也 不大：3 ) 即使补偿对象电流过大，有源电力滤波器也不会发生过载，并能正常 发挥补偿作用；4 ) 受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振；5 ) 能跟踪电网频率的变化。但目前仍存在一些问题，如电流中有高次谐波，单台 容量低，成本较高等。日本的有源电力滤波器使用很普遍，并联型有源电力滤 波器最大容量达5 0 m v a p j ，采用的是g t o ，s c r 器件，用于抑制电弧炉引起的 闪变。在国内，有源电力滤波器方面的研究仍处于起步阶段。有关有源电力滤 波器的研究主要集中在并联型、混合型，也开始研究串联型。研究最成熟的是 并联型，而且主要以理论研究和实验研究为主。理论上涉及到了功率理论的定 义、谐波电流的检测方法、有源电力滤波器的稳态和动态特性研究等。采用多 重化技术，西安交通大学己研制出1 2 0 k v a 并联型有源滤波器的试验样机。 目前在我国广泛使用的还是以s v c 为代表的传统的静止无功补偿装置，应用 的领域主要是以提高功率因数和电压调整为目标的无功补偿。而在利用储能元 件实现负序和无功综合补偿方面的研究和应用还比较少，其补偿的容量也较低 l l o jo 国外也有关于采用f c t c r 型静止无功补偿装置进行负荷平衡化方面的研究 i i ，如日本、澳大利亚等国已成功地将s v c 技术应用在电气化铁道的无功和负 序补偿中i l 川。对于自换相变流电路的静止无功补偿器，其主要应用于无功补偿 领域，如果用于负序补偿，则要求使用容量较大的电容器或电抗器，而有源电 第1 章绪论 力滤波器( a p f ) ，由于容量的限制，一般比较适合应用于谐波抑制。从收集的 文献看，主要是对无功补偿的研究和应用，而对负序和无功综合补偿的研究， 从文章反应看川，还处于研究阶段，结合课题的具体情况，本文采用了静止同 步补偿器( s t a t c o m ) 来实现负序和无功综合补偿。荣信公司研制开发的我国 第一套用于电气化铁路的s t a t c o m 系统装机，于上海铁路局试点运行。该装 置在响应速度、稳定电网电压、降低系统损耗等多方面具有更加优越的性能， 将为我国j 下在进行的铁路大提速、大电网并网运行、远距离超高压输电等关键 课题提供坚实的技术保障。 1 5 本文的主要工作 本课题所做主要工作如下所示： ( 1 ) 对电气化铁路所产生负序和无功电流的特点，以及其对电力系统的影 响进行综合分析和论述； ( 2 ) 对单个牵引变电所所产生负序和无功电流的计算方法进行初步研究， 并对影响负序电流和无功电流值的因素进行分析； ( 3 ) 对电气化铁路牵引系统运用s t a t c o m 装置对负序和无功功率进行实 时综合补偿，应用模糊控制原理设计了s t a t c o m 的主控制器，并对其外围的 控制、触发电路进行了设计； ( 4 ) 对负序和无功电流的检测与补偿方法进行改进，并对电流检测方法进 行分析和仿真比较； ( 5 ) 对采用s t a t c o m 进行负序和无功电流综合补偿的实时电流检测电路 进行研究，并给出了各部分的设计原理及要求，使设计充分体现集成电路的特 点。 ( 6 ) 针对目前电网先污染后治理的情况，文中最后介绍了如何从机车本身 ( 即机车负载转型) 来消除谐波、负序及无功对电网带来的影响，简单给出了 解决方案，从而真正实现从源头消除电网的污染源。并介绍了现行的，国家对 净化电网、实现绿化所规定的各项标准及措施，最后给出实例供研究参考。 1 2 第2 章电铁负序和无功综合补偿的原理和方法 第2 章电铁负序和无功综合补偿的原理和方法 2 1引言 从物理本质上看，不论是无功还是负序电流，都可以归结为波形的问题。 无功是电压、电流的波形相位不同，负序是三相电流波形不对称。由于这种物 理本质的统一性，可以对电力系统中的无功和负序电流进行综合补偿。本章在 第一章给出的关于负序、无功的基本知识基础上，对电气化铁道牵引供电系统 进行了研究，并针对牵引变压器的选择，对牵引网的负序和无功电流进行分析， 给出了负序和无功综合补偿的原理和方法。 2 2 牵引供电系统概况 我国电气化铁路牵引供电系统采用单相工频交流制，其主要由牵引供电电 网、牵引变电所、分区亭及电力机车等部分构成，如图2 1 所示 1 4 】。牵引变电所 的高压侧受电于1 1 0 k v 或2 2 0 k v 三相高压交流电，通过牵引变压器将其转换为 2 7 5 k v 单相工频交流电，送到铁路上空的接触网。电力机车利用车顶上的受电 弓从接触网获得电能，牵引机车运行。牵引供电系统在两个牵引变电所供电臂 相汇处设立分区亭，分区亭由开关组成，正常时开关断开，两个供电臂各自由 相应的牵引变电所供电，列车靠惯性通过分区亭。当一个牵引变电所失去电源 时，分区亭开关闭合，临时向停电的供电臂供电。 1t o w z z o w 系统电源l1 0 9 v z z o t v 系统电塬 牵引 图2 1 牵引供电系统结构图 2 2 1 牵引供电系统运行方式 目前我国电气化铁路均采用单边供电，其主要有五种供电方式【m l ：直接 ( t r ) 供电方式、吸流变压器( b t ) 供电方式、自耦变压器( a t ) 供电方式、 1 3 第2 章电铁负序和无功综合补偿的原理和方法 直供+ 回流( d n ) 供电方式和同轴电缆( c c ) 供电方式。 其中，t r 供电方式主要用于早期电气化铁路。以牵引供电系统自身的电压 损失、输送功率能力等性能为参考，a t 供电方式和c c 供电方式最好，d n 供电 方式次之，b t 供电方式最差；以牵引网及其设备投资为参考，d n 供电方式最少， b t 供电方式较高，a t 供电方式更高，c c 供电方式最高；以防护效果为参考， a t 方式优于b t 和d n 方式。随着通信技术的快速发展，光缆的普遍应用，通信设 施及无线电装置自身的防干扰性能大为增强，考虑到接触网的运行可靠性对电 气化铁路的安全运行至关重要，所以通常认为，一般情况下d n 供电方式为首选， 在电力系统比较薄弱的地区，经过经济技术比较，可采用a t 供电方式，b t 供电 方式则尽量少采用或不采用。 2 2 2 系统电源电压等级 目前我国电气化铁路系统电源电压，通常采用1 1 0 k v 等级，2 2 0 k v 等级也有 采用，如哈大线f 1 。与l1 0 k v 等级供电相比，2 2 0 k v 等级供电具有以下优点： ( 1 ) 提高送电能力 限制输电网送电能力的因素有四个方面：导线发热、电压损耗、功率和能 量损耗、稳定破坏，其均由电流引起。当输送功率一定时，输电电压越高，电 流越小，线路电压损耗、能量损耗及相对电压波动也越小，有利于改善运营指 标，提高输电能力。 ( 2 ) 增强负序承受能力 与1 1 0 k v 侧相比，2 2 0 k v 侧各支路( 电厂和负荷) 更多，使牵引负荷距离小 容量发电机更远，从而将负序电流进行更多支路的分流，减小了敏感支路中的 电流，有效抑制负序电流的影响。2 2 0 k v 级短路容量一般在2 0 0 0 m v a 4 0 0 0 0 m v a ，1 1 0 k v 短路容量为8 0 0 m v a 2 5 0 0 m v a ，系统短路容量的增大，使 负序电压相对值变小，改善了负序电压影响【溶】。 综上所述，由于2 2 0 k v 等级具有技术性能好，综合技术经济指标高的优点， 因而越来越引起重视，是今后发展的趋势。 2 2 3 牵引变压器综合性能比较 纯单相牵引变压器目前主要使用于高速铁路供电系统，其主要原因是纯单 相变压器结构简单、一次侧设备数量少、容量利用率高、电能损耗小、有效利 1 4 第2 章电铁负序和无功综合补偿的原理和方法 用列车再生电能、运营费用低、运营维护方便和工程投资较低等优点。特别是 采用单相牵引变压器，在正常条件下可减少接触网电分相数量，有利于机车高 速运行。其不足在于：外部电源的短路容量不易满足要求，当牵引变压器容量 很大时，牵引变电所设计困难。v 接线牵引变压器和纯单相牵引变压器一样【l 引， 结构也较简单，容量利用率高，具有纯单相变压器的大部分优点。并且在超大 容量时，牵引变电所可以根据每个供电臂的牵引负荷，单独选取所需要的容量； 变电所的母线、断路器、隔离开关等设备容易选型和实施，不会给变电所设计 带来困难，负序影响为纯单相牵引变压器的一半。该类牵引变压器的不足，是 其牵引网在变电所位置需设置电分相，不利于其利用机车再生能量，它的实际 安装容量比单相牵引变压器要大，单供电臂容量不宜大于7 5 m v a ，负序功率仅 为牵引负荷功率5 0 。 三相一二相平衡型牵引变压器( s c o t t 、阻抗匹配平衡等) 【2 0 l ：在高密度行车 条件下，其两臂容量较均衡时，负序影响几乎为零，平衡型牵引变压器的原边 三相是对称的；它的过载能力强，容量利用率较高，可改善牵引变电所发生三 相不平衡的概率和减少对电力系统的负序影响，其优点同v 接线变压器基本相 当。但是平衡型牵引变压器的结构复杂、投资较大、运营和维护费用较高。 y 1 1 接线牵引变压器在我国使用时间较长，有较多的运行经验，制造相 对简单，价格也较便宜。它的容量利用率较低，过载能力也较低，对电力系统 的负序影响介于单相牵引变压器和平衡型牵引变压器之间，而且制造和运行经 验较成熟，仍然是电气化工程中的基本选择之一。负序影响同v 接线牵引变 压器一样。其缺点主要是结构较复杂、过载能力较小、容量利用率低。 结合目前国内外电气化铁路的发展特点【2 ，以及对各种接线类型的牵引变 压器分析，得出以下初步结论： ( 1 ) 高速铁路的牵引变压器接线型式，在其容量较小时首选纯单相牵引变 压器。一旦纯单相牵引变压器安装容量超过2 * 9 0 m v a 时，就会给牵引变电所设 计