（电力系统及其自动化专业论文）牵引供电系统综合补偿技术应用研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t 、i t hi t s r a p i dd e v e l o p m e n t e l e c t r i f i e dr a i l w a yi st h ed o m i n a n tw a yo f r a i l w a yt r a n s p o r ts i n c ee l e c t r i ct r a c t i o nw a si m p l e m e n t e di nm a n yc o u n t r i e s ， a n de l e c t r i ct r a c t i o nl o a d sh a v eb e e nt h em a i np o r t i o ni np o w e rs y s t e m t h e e l e c t r i f i e dr a i l w a yh a sp r o m i n e n ts u p e r i o r i t yo fc a r r y i n gc a p a c i t y , r u n n i n g s p e e d ，e n e r g yc o n s u m p t i o n ，t r a n s p o r tc o s ta n do p e r a t i n gc o n d i t i o n ，s oe l e c t r i c l o c o m o t i v ei sb e r e rt h a nt r a d i t i o n a ls t e a ml o c o m o t i v ea n di n t e r n a lc o m b u s t i o n l o c o m o t i v ef o rt r a c t i o n h o w e v e r t h r o u g ht h et r a c t i o ns u b s t a t i o n ，t h er e c t i f i e r t r a c t i o nl o a do fl o wp o w e rf a c t o rw o u l dg e n e r a t ea b u n d a n th a r m o n i cc u r r e n t a n dn e g a t i v e s e q u e n c ec u r r e n tf o rs i n g l e - p h a s ei n d e p e n d e n c ei np o w e rs y s t e m t h ee l e c t r i cp o w e rq u a l i t yw o u l db ed e t e r i o r a t e db yt h ed i s t o r t e dw a v e f o r m w h i l et h e s ec u r r e n t sf l o w , e v e np r o d u c eh e a v ye c o n o m i cl o s s e sf o ru n s t a b l ea n d u n s a f eo p e r a t i o n t h e r e f o r e ，i ti sm o s ts i g n i f i c a n tt oe l i m i n a t et h ea d v e r s ee f f e c t o nt h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e mf r o mt r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mi ne l e c t r i f i e d r a i l w a y a i m i n gt ot h et r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mo fe l e c t r i f i e dr a i l w a y , t h o s e e x i s t i n gc o m p r e h e n s i v ec o m p e n s a t o r sf o rt r a c t i o ns u b s t a t i o n sa les t u d i e di nt h i s p a p e r t h e ni t sc o m p e n s a t i n gr e s u l ti sa n a l y z e da f t e ri n t r o d u c i n gc o n v e n t i o n a l m e t h o d sf o rt h ec o m p e n s a t i o no fr e a c t i v ec o m p o n e n t ，n e g a t i v e s e q u e n c ea n d h a r m o n i cc u r r e n t s a c c o r d i n g t ot h e o p e r a t i n g t e s td a t ao fs o m et r a c t i o n s u b s t a t i o n ，t h ec o m p e n s a t i n gr e s u l t sf o rv a r i a n tc o m p e n s a t o ra t eo b t a i n e d t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ，s y s t e ms i m u l a t i o n ，a n dc o m p a r i s o no fv a r i o u s s c h e m e s a tl a s t ，ap a r a l l e ls t a t i cv a lg e n e r a t o rf o re l e c t r i f i e dr a i l w a yi s p r o p o s e dt of o l l o wt h eu p t o d a t ed e v e l o p m e n to fc o m p e n s a t i o nt e c h n i q u e a n d i t ss i m u l a t i o nw a v e f o r m sa l s os h o wt h ea v a i l a b i l i t yo ft h i s c o m p e n s a t i o n s c h e m e k e yw o r d s ：t r a c t i o np o w e rs u p p l y ；c o m p r e h e n s i v ec o m p e n s a t i o n ；p o w e r q u a l i t y ；s i m u l a t i o na n a l y s i s 西南交通大学 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d 使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名： e t 期：口；口 蹈素犀 指导老师签名： 季碎琶 日期： 口舌中弓口 西南交通大学学位论文创新性声明 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的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承 担。 本学位论文的主要创新点如下： 本文结合我国牵引变电所实际运行的现场测试数据，利用系统仿真软件 m a t l a b s i m u l i n k 建立仿真计算模型，对比分析应用于牵引供电系统中的多种 补偿方案及其综合补偿效果，结果表明所提设计方案均能有效解决电铁中的电 能质量问题，各项技术指标能较好满足国标要求，为今后新投入的补偿装置和 设计新型的补偿器提供了参考且奠定了实践基础。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 电气化铁道电能质量问题 铁路作为国民经济的重要基础设施，在我国综合交通运输体系中扮演 重要角色，在加快建设节约型社会中，铁路肩负着重要责任。一方面作为 消耗能源的重点行业，在节能降耗、提高能源综合利用效率方面大有潜力 可挖：另一方面电气化铁道长期存在着功率因数低、谐波含量高、负序等 问题，不仅严重影响公用电网的电能质量，同时也限制了电铁自身的发展。 随着“环保、节能 的呼声越来越高，特别是电能质量国家标准的实施， 负序、无功、谐波这些危及公用电网电能质量的问题必将更加得到重视。 铁道部制定的铁路科技发展“十五计划和2 0 1 5 年长期规划纲要已经 将“研究牵引供电系统功率因数补偿、谐波治理技术”列为发展铁路环保 技术的重点任务。因此，有效的电能质量治理方案及其工程化实施己成为 电气化铁道迫在眉睫的需要。 从全国范围来看，电铁仍是至今未得到有效治理的一类产生严重电力 污染的用电大户。作为“十一五 规划的重点战略部署，高速铁路的发展 建设将使我国电铁牵引变电所的数目大量增加，由电铁造成的电力污染形 势更加严峻。随着我国电气化铁道的飞速发展，牵引供电系统作为电气化 铁道中最重要、最基本的系统之一，电铁中无功功率、负序、谐波这三大 技术问题对电力系统的不良影响就需要在牵引供电系统中采取有效的技术 措施以期综合解决。 电力牵引作为电力系统的一级负荷，其独特的工作特性给电力系统及 其自身造成了诸多不良影响。电气化铁道牵引供电对象为电力机车【2 3 】，我 国普遍采用单相交一直( a c d c ) 整流型的传动系统，针对交流电气化铁道 机车负荷是一种变化急剧、随机性强的单相非线性负荷，电力牵引负荷随 机波动范围很大。由于其不对称性，将在供电系统中产生负序分量：由于 其非线性，将在供电系统中产生高次谐波；由于其波动性，将使供电系统 电压波动。因此，功率因数低、负序功率大、谐波含量丰富是牵引供电系 统的3 个主要技术特征，这也是电力部门所关注的重点。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 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2 2 0 k v 线路保 护误动作跳闸而引起大面积的停电【4 j j 。 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，迫切需要对我国电铁牵引供电系统的综合 补偿技术加以利用，进而对电能质量问题造成的危害影响加以限制和治理。 1 2 电气化铁道综合补偿技术的发展和应用 j 改善电气化铁道电能质量的有效措施之一是提高牵引变电所功率因数 1 6 j ，进而改善系统电压质量，减少系统损耗。由于电力部门实行无功计量 方式为“反送正计，使得单纯的固定补偿模式下牵引变电所的功率因数 大幅下降，尤其是运量小、无负荷和轻负荷概率较大的区段，过补偿十分 突出。因此采用动态可调补偿方式，提高牵引变电所功率因数已是一个非 常迫切的问题。同时，通过可调方式也能对实现负序的补偿和谐波的抑制 达到较好的效果【_ ， 1 引。 补偿无功功率的传统方法是采用固定电容器与网络感性负荷并联，在 国内外获得了广泛的应用。并联电容器补偿无功功率具有结构简单、经济 方便等优点，但其阻抗是固定的，故不能跟踪负荷无功需求的变化，即不 能实现对无功功率的动态补偿。随着电力系统的发展，要求对无功功率进 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 行动态补偿，从而产生了同步调相机。它是专门用来产生无功功率的同步 电动机，在过励磁或欠励磁的情况下，能够分别发出不同大小的容性或感 性无功功率。由于它是旋转电动机，运行中的损耗和噪声都比较大，运行 维护复杂，响应速度慢，难以满足快速动态补偿的要求。2 0 世纪7 0 年代 以来，同步调相机开始逐渐被静止型无功补偿装置( s v c ) 所取代，早期的 静止无功补偿装置是饱和电抗器型的。饱和电抗器比之同步调相机具有静 止、响应速度快等优点：但其铁心需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声还 是很大，而且存在非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节以补偿负 荷的不平衡，所以未能占据主流。8 0 年代后，随着电力电子技术的发展及 其在电力系统中的应用，由于高功率大电流的半导体器件及可关断晶闸管 ( g t o ) 、复合型电力开关管( 如：i g b t ) 发展很快，将晶闸管的静止无功 补偿装置推上了无功补偿的舞台，并逐渐占据了静止无功补偿装置的主导 地位，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发展， 许多其原来所不能克服的问题得到了解决。并且，随着微机控制技术和半 导体器件的发展，利用计算机对电网进行实时检测、控制，并根据无功功 率的变化，自动切换补偿电容，可以准确、快速地实现动态补偿，这样出 现了有源滤波器和静止无功发生器，达到降低消耗、改善供电质量之目的 【1 4 ，1 5 】 o 目前国内外关于牵引变电所综合补偿方案主要有以下几种： 1 、固定电容器和电抗器组成单调谐滤波器( f c ) 。这是我国电气化铁 道的惯用方法，在设计时，滤除指定的谐波，并兼顾到提高功率因数，这 种方案的优点是结构简单，安装容量较小，投资少，运行可靠及维修方便， 但很难适应牵引负荷变化剧烈的特点，不可调补偿装置的跟随效果不佳， 对于过补、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，其滤波特性受系统参数的影响 大，并可能与系统发生谐振或谐波放大，危及系统安全。 2 、真空断路器分组投切电容器。该方案最大的优点是结构简单、投资 节省；缺点是合闸时，投切滤波支路有一个暂态过程，会产生过电流和过 电压，影响电容器及串联电抗器的可靠运行；切除滤波支路时，触头上恢 复电压较高，有开关重燃的可能，多次重复开断时，电容器上产生很高的 过电压，致使设备损坏。国际电工委员会( i e c ) 规定电容器组的投切冲击 不超过1 0 0 0 次年，加之开关寿命的限制，不能频繁投切，从而影响动态 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 补偿效果，仍不能解决过补和欠补的问题，负序的问题也无从解决。 3 、晶闸管投切电容器( t s c ) 。按照一定的寻优模式，设计多组某次 或某几次滤波器，基波下各支路呈容性，根据牵引负荷的变化，通过晶闸 管分级改变补偿装置的无功出力；滤波器某次谐波下偏调谐，兼滤该次谐 波，使功率因数和谐波都满足要求，但对负序不能抑制。这一方案的优点 是损耗小，结构简单，速度响应快，不产生谐波，可以实现过零投切，不 会产生像真空开关那样严重的过电压，缺点是每级都配相应的晶闸管，滤 波效果受系统特性和投入组数的影响，一次性投资大。 4 、固定滤波器( f c ) + 晶闸管控制电抗器( t c r ) 或可控饱和电抗器。 固定滤波器按谐波要求设计，反并联晶闸管与电抗器串联，通过改变晶闸 管导通角来调节流入回路的感性电流，使其与并联滤波器中多余的容性无 功功率相平衡，满足功率因数的要求。该方案优点是固定并联滤波支路长 期投入，无须投切，任何时候都能满足谐波设计要求，需要晶闸管数量少， t c r 响应速度快，调节性能好( 实现光滑可调) ，从而解决过补与欠补问 题。当使用可控饱和电抗器代替t c r 时，通过调节饱和电抗器磁饱和程度来 改变流入回路的感性电流，使其与并联滤波器中多余的容性无功功率得以 平衡，但同t c r 一样要产生谐波，有损耗，噪声大。 5 、固定滤波器( f c ) + 电容器( t c ) 、电抗器( t l ) 调压。按照负荷 平均无功功率和滤波要求设计固定多次单调谐滤波器容量，在电压调节支 路分别配置一定容量的电抗器和电容器组。当欠补偿时，通过分级调节并 联电容器组的端电压，输出适量感性无功；过补偿时，同样分级调节并联 电抗器的端电压，使其输出容性无功。在整个过程中，实现无功平衡，同 时有效滤波。调节时，用晶闸管通断，分接开关无载调节，可充分利用分 接开关的机械寿命( 达5 0 万1 0 0 万次) 和晶闸管的电气寿命( 理论上不受 限制) ，彻底避免了分接开关电气寿命短( 5 万1 0 万次) 的缺点。该方 案与其他方案相比具有结构简单，操作方便，国产技术成熟的优点，能实 现最严格的无功计量方式( 反送正计) 下，功率因数达n o 9 ( 经济功率因 数) 以上的目标，并能抑制负序电流和滤波功能，还能有效利用既有不可 调并联补偿装置或滤波器，亦可与专门设置的滤波器相配合。 6 、无源补偿器+ 有源滤波器( a p f ) 。有源电力滤波器是由全控电力 电子器件构成的采取p w m 控制的变流器，产生与负荷中谐波和负序电流大小 相等、相位相反的电流，使其相互抵消以抑制负载所产生的有害电流，来 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 满足电源的总谐波、无功电流的要求。单独使用有源补偿器的方案补偿灵 活，调节速度快，不会与系统发生谐振，但因电力电子设备价格昂贵，尚 未得到广泛应用。比较成功的是无源、有源混合滤波器，它能扬长避短， 合理分担补偿任务，充分利用无源补偿的大容量和有源补偿的灵活性、可 控性，这种方案的优点是无功补偿效果好，谐波治理彻底，缺点是结构复 杂、造价和运行费用高。但a p f 作为提高系统经济性、安全稳定性及改善供 电质量的关键技术之一，在世界范围内应用发展很快。 7 、功率调整器( r a il w a ys t a t i cp o w e rc o n d i t i o n e r 简称为r p c ) 。 该装置适用于主变为平衡变压器的牵引变电所，通过在牵引变压器的二次 侧相位差为丌2 的两条馈电母线上连接变压器，再经过自励式转换器与直 流环节相连，同时进行回路间的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，与此同时，还具有对列车产生的高次谐 波电流进行补偿的功能，能同时对两条牵引馈电母线进行补偿，对功率因 数、谐波和负序均能达到满意的效果。r p c 装置在日本新干线已投运，但由 于技术限制，在我国电气化铁道上投运还不现实。 8 、静止无功功率发生器( s v g ) 。s v g 亦称为静止同步补偿器( s t a t c o m ) ， 由交流环节和直流环节组成，交流环节与系统相连，它先将系统的交流电 能经变流器转换成直流并保存在直流侧的储能器内，同时直流侧电压电流 经过变流器变成交流电压电流输送到系统。s v g 还可同时对谐波和无功功 率、负序进行补偿，补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需储 能元件的容量不大，且补偿无功功率的大小可以做到连续调节。与其他补 偿装置相比，s v g 具有控制灵活、调节速度快、调节范围广、连接电抗小、 谐波含量小等优点，尽管这一技术正处于研究阶段，尚未发展成熟，但s v g 代表了现阶段电能质量控制的发展方向。 从上述方案看，都能在提高功率因数的同时使高次谐波得到治理。但 是对于电气化铁道这种特殊的负荷，对其进行综合补偿，不仅要包括无功 补偿和减少高次谐波，还有一个不容忽视的抑制负序问题；另外补偿方案 还必须结合我国国情，既要保证治理效果，又要做到经济合理。 1 3 本论文的主要工作 牵引供电系统由建立在铁道沿线上的牵引变电所和牵引网组成，牵引 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 网则由接触网、分区所、钢轨( 地) 、接地线及有关设备组成。对于电气化 铁道运行过程中牵引负荷产生的无功、谐波和负序问题，治理的途径除了 在机车上直接安装功率补偿装置，在补偿无功的基础上调谐至3 次或5 次 来补偿谐波，从电力机车本身改善电能质量外，还有按照就近集中治理的 原则，采取在变电所供电臂牵引母线通过电气开关投入补偿装置，这种措 施需要的补偿设备总容量较小，大大节省投资。 由于电力机车受其空间限制、机车型号和数量、改造成本的制约，本 文重点研究的就是在牵引变电所低压侧采取并联综合补偿装置，就地集中 解决电气化铁道电能质量问题。所完成的工作主要包括以下几个方面内容： 1 介绍牵引供电系统的多种并联综合补偿技术，结合不同接线牵引变 压器的特性，及牵引供电系统对电力系统的影响，对动态补偿装置( s v c 、 s v 6 ) 的特性进行分析。 2 介绍基于瞬时无功功率理论的实时信号检测方法，并在此基础上分 析了牵引负荷的单相电路瞬时电流实时检测算法及其控制策略。 3 针对电气化铁道牵引负荷无功功率和负序功率的综合补偿，分析了 两类牵引变电所综合补偿方案：两相优化补偿方案和完备的三相补偿方案。 4 对我国铁路既有线的综合补偿装置的实际运行数据进行测试，对多 个牵引变电所的测试数据结果进行实例分析，进一步对其补偿效果加以对 比分析，为今后新投入的补偿装置和设计新型的补偿器提供了参考且奠定 了实践基础。 5 利用静止无功发生器的补偿方案，分析其拓扑结构和基本工作原理， 基于m a t l a b s i m u l i n k 软件的仿真平台构建系统的数学模型，通过仿真结 果验证该补偿方案的有效可行性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章牵引负荷无功、谐波和负序的分析与检测 2 1 牵引负荷的功率因数 我国的电气化铁道所采用的电力机车迄今大部分还是整流型，由于交 流侧电流波形畸变以及整流换相过程中重叠导通角的影响，使得整流型电 力机车的功率因数较低 16 1 7 】，一般为0 8 0 - 0 8 5 左右，再由于牵引网阻抗 的影响，牵引变电所牵引变压器低压侧的功率因数要降低0 0 1 0 0 5 ，另 外加上牵引变压器阻抗的影响，其高压侧的功率因数还要降低约o 0 5 ，这 样电力牵引负荷的功率因数比较低，平均值只有0 7 7 - 0 7 8 。而按电业部 门要求，电气化铁道牵引负荷在牵引变电所牵引变压器高压侧的月平均功 率因数应达到0 9 0 以上，高者获奖，低者受罚。 2 1 1 无功功率对电网的不良影响 我国颁发的电力系统电压和无功电力技术导则中明确规定了各种 电压等级电网及各种大中型电力用户的功率因数限值，并要求各级供电部 门严格执行，对功率因数的重视程度说明了功率因数在电力系统经济、稳 定运行中有重大的意义【l 引。 无功功率对公用电网的不良影响主要有： ( 1 ) 增加设备容量。无功功率的增加，会使发电机、变压器及其它电气 设备容量和导线的容量增大。同时，电力用户的起动及控制设备、测量仪 表的尺寸和规格也要加大： ( 2 ) 增加设备及线路损耗，从而加大输电网络中的电能损失； ( 3 ) 无功功率的变化会引起电网电压的波动，使一些用电设备无法正常 工作，降低供电质量。 2 1 2 无功补偿的意义 采用无功补偿提高功率因数，投资少，收效快，是电网的重点节能措 施。无功补偿的意义归纳起来，主要有以下几个方面： 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 ( 1 ) 降低电网中的功率损耗。由公式i = e c o s 妒可知，负荷电 流，与c o s ( p 成反比，在输送的有功功率户为定值时，装设无功补偿设备后 提高了功率因数，将使线路中的负荷电流降低，从而使线路上的功率损耗 降低( 廿= 1 2 r ) ，当功率因数由0 7 提高到0 9 时，功率损耗大约下降4 0 。 ( 2 ) 减少电网中的电压损失，提高电压质量。当电力负荷从线路上集 中输出到末端负荷点时，线路电压损失u 的简化计算公式为： rr 瑚+ ，r ) 1 、 u l 一- = 一 厶j - u 式中，a u 是线路电压损失( k v ) ；尸是线路输送的有功功率( k w ) ； q 是线路输送的无功功率( k v a r ) ；r 是线路的电阻( q ) ； x 是线路的电抗( q ) ；u 为线路额定电压( k v ) 。 由( 2 - 1 ) 式可知，加装无功补偿设备后，线路输送的无功功率q 就要减 少，线路中的电压损失随之降低，提高了电压质量。 ( 3 ) 提高设备的供电能力，挖掘现有设备的潜力。由公式p = s c o s 矽 可以看出，在设备的视在功率s 不变的条件下，功率因数的提高可以多输 送有功功率，对于一个容量为s 的变压器，功率因数从0 7 提高到o 9 后， 其输送的有功功率大约可提高3 0 。 ( 4 ) 减少设备容量，节省投资。由公式s = p c o s 缈可知，在输送的有 功功率尸为定值时，功率因数提高后可以减小视在功率s ，减小供电设备 的安装容量，这样不但可以节约购买设备的投资，还可以少支付电力部门 按供电设备容量计算的费用。 ( 5 ) 在三相负荷不平衡的场合( 如：电气化铁道) ，通过适当的无功补 偿可以平衡三相负荷，减少注入电力系统的负序电流。 ( 6 ) 减少用户电费开支，降低生产成本。无功补偿给电力用户带来的 直观经济效益可以减少电费支出：第一，安装无功补偿设备，提高功率因 数可以减少用户内部因传输和分配无功功率造成的有功功率损耗，因而可 以少支付相应的电费；第二，在国家现行的电价政策中，从合理利用电能 出发，为鼓励用户安装无功补偿设备，提高功率因数的积极性，制定了功 率因数调整电费政策，用户的功率因数提高后，不但可以避免因功率因数 过低而受罚，而且还可以得到电力部门按功率因数调整电费的奖励。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 由此可见，提高功率因数，不但对电力系统的经济、稳定运行有很大 意义，而且对降低电气化铁道运营成本也有实际的经济意义。 对于变压器连接方式为y n d l l 的牵引变电所来说，由于低压侧总是有 一相接地，另两相分别和两供电臂相连，这样的供电方式决定了其独特的 无功补偿方式。一般牵引变电所在两相集中安装无功补偿装置，一定量的 补偿容量无论在两供电臂上怎样分配，对于考核点处总的功率因数都是一 样的，但合理分配两供电臂的补偿容量却有改善负序的作用。即根据两供 电臂负荷大小确定总补偿容量后，采用滞后相多补，超前相少补的原则， 进行两相合理分配。这样做可以在总补偿容量不变的前提下，在提高功率 因数的同时，改善滞后相电压质量，减少牵引负荷注入电力系统的负序电 流。 2 2 牵引供电系统注入电力系统的谐波及负序电流 牵引变电所是连接电力系统和电气化铁道供电系统的桥梁，其高压侧 通常与1 l o k v 或者2 2 0 k v 电网连接，低压侧向在供电臂上运行的各台电力 机车供电。因此，电力牵引负荷注入电力系统的谐波和负序电流不但取决 于电力机车的型式和数量，也取决于牵引变电所的电压等级、牵引变压器 的类型和接线型式，以及接触网的长度和制式等【1 8 2 。 我国当前电气化铁道供电系统采用的牵引变压器主要有三种，即 y n d l1 接线的三相变压器、三相v v 接线的变压器和三相一两相平衡接线 方式( t 型接线的s c o t t 变压器或阻抗匹配平衡变压器) 。既有线路上使 用最多的还是y n d l l 接线的牵引变压器，在此主要讨论y n d l l 接线的三相 变压器的牵引变电所。 2 2 1 三相牵引变电所注入电力系统的负序电流 图2 1 为采用y n d l l 接线牵引变压器的供电系统图，高低压侧额定电 压比为11 0 2 2 5 2 7 5 k v ，低压侧c 相固定接地，a 、b 两相与供电臂 相连。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 o k v 5 k v 钢轨 图2 1 电气化铁道供电系统图 负序电流是由于三相负荷不对称引起的，那么它必然有一种随负荷变 化的规律可寻。设a 供电臂的电流为l ，功率因数角为( 滞后) ，b 供 电臂的电流为厶，功率因数角为纯( 滞后) ，牵引变压器低压侧各绕组中 的电流分布如图2 2 所示。 冀 图2 2 牵引变压器低压侧各绕组中的电流分布 当，。= o 时，b c 绕组中电流约为鲁，6 ，其它两个绕组中的电流约为 一o l ；当，。= o 时，a c 绕组中电流约为詈，。，其它两个绕组中的电流约为 i 一o i o c 、 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 。综合两种情况，可以得出牵引变压器低压侧各相绕组中的电流，曲、 ，为 对应的高压侧三相绕组电流l 、i 占、i c 为 压 k ( 2 2 ) ( 2 3 ) 式中k 为变压器的变比。 由对称分量法可导出高压侧的正序电流，。和负序电流，：分别为 1 1 = o ia + n lb + 玉ic 、) 1 2 = 妻( ，+ 口2i s + a i c ) 其中a = e j l 2 0 。 把( 2 - - 3 ) 式代入( 2 - - 4 ) 和( 2 - - 5 ) 式得 厶= 击u 口+ 厶e j 6 0 * ) l = 专u i t , e - j 6 0 。) 牵引变压器低压侧电压与电流的相量如图2 - - 3 所示。 l 11i l厶 1kijiiijj 。31 3 。3。3 2 3 曲 k ， 一 一 ll 1liij”ijlj 。一3。一3 23 23。3。3 压下 西 缸 rrr lll 、，、， 4 l f u 一 一 2 2 ，k，l 、， c u 7 一 一 2 0 、】 ll 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 磁 k l 1 u 曲 图2 - - 3 牵引燹压器低胜侧电压、电流相重图 以u 6 c 为参考方向，则有 ，口，。一。叩j ( 2 - 8 ) ib = i be 1 钆 把( 2 - - 8 ) 式代入( 2 - - 6 ) 、( 2 - - 7 ) 式得 2 志u 口e 八6 0 。嘞- l 一。叩6 ) ( 2 - - 9 ) 1 22 瓦1 ( ，a e 胭。嘞+ ，朋 ( 2 1 0 ) 则牵引变压器高压侧的正序、负序电流的有效值分别为 仁妻厅习历五而丽( 2 - - 1 1 ) 铲尝厅习而再而而( 2 - - 1 2 ) 由( 2 - - 1 2 ) 式可知，牵引供电系统注入电力系统的负序电流的大小主 要与与两供电臂的电流幅值及接线角之差1 2 0 。角相关，因为在近似计算 中可认为两供电臂功率因数角相等( 实际上这两个角是不相等的) 。 2 2 2 三相不平衡对审力系统的危害 牵引负荷属于典型的不对称负荷，当其大量接入电力系统时必然会引 起电力系统三相电压和电流不对称，对电力系统和电力用户造成一系列的 危害，其中主要有： 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 ( 1 ) 引起旋转电机的附加发热和振动，危及其安全运行和正常出力。 ( 2 ) 引起以负序分量为起动元件的多种保护发生误动作( 特别是电网中 同时存在谐波时) ，这对电网安全运行是有严重威胁的。 ( 3 ) 电压不平衡使半导体变流设备产生附加谐波电流( 非特征谐波) ， 而这种设备一般设计上只允许2 的电压不平衡度。 ( 4 ) 使发电机容量利用率下降。由于不平衡时最大相电流不能超过额定 值，在机端只带单相负荷时，设备的利用率仅为u 1 , 3 u i = o 5 7 7 。 ( 5 ) 变压器的三相负荷不平衡，不仅使负荷较大的一相绕组过热导致其 寿命缩短，而且还会由于磁路不平衡，大量漏磁通过箱壁、夹件等使其严 重发热，造成附加损耗。 ( 6 ) 在低压配电线路中，三相不平衡会影响计算机正常工作，还会引起 照明灯寿命缩短( 电压过高) 或亮度不足( 电压过低) 以及电视机的损坏 等。 ( 7 ) 增加对通信系统的干扰，影响正常通信质量。 2 2 3 三相牵引变电所注入电力系统的谐波电流 电力机车产生的各次谐波是通过牵引变压器注入电力系统的，仍以 y n d l l 接线的牵引变压器为例分析从牵引变电所注入电力系统的谐波电流 2 2 2 3 o 设电压为正弦波，电力机车产生的谐波电流注入变压器低压侧各绕组 的情况如图2 2 所示，两供电臂输入牵引变压器的各次谐波电流均以相电 压玉k 为参考相量，则两供电臂的甩次谐波电流的复数形式为 1 口开= ：，口一口，”。6 。一妒 ( 2 1 3 ) i b n = i b ，e 1 一 式中，、。分别表示参照于各自供电臂电压的1 3 次谐波初相角，下标 n 表示n 次谐波。牵引变压器低压侧的c 相1 1 次谐波电流为 i 。= 一i4 。一ib l l r ，所以在实际计算中常常忽略变压器的电阻月， 变压器的电抗用x r 表示，则表达式为u = 姒r u r 。把无功功率q m 电 流，表示，则电压损失的表达式为【厂= i x rs i n g , 。 把电流，用各绕组中的电流代替，则牵引变压器各相的电压损失由式 ( 3 3 ) 决定。 。= i lls i n ( o , , + 厶s i n ( 6 0 。+ 缈6 ) 】彳7 j) 9 1 u k = 【詈厶s i n e p b 一ls i n ( 6 0 。+ 缈。) x r jj u 西：卜丢，。s i n ( 6 0 。+ 吼) + ；11 6s i n ( 1 2 0 。+ 仇) r ( 3 3 ) 由式( 3 3 ) 可知：在两相负荷和功率因数都相等的情况下，牵引变 压器滞后相( a c 相) 电压损失要比超前相( b c 相) 大，若滞后相的功率因数比 超前相的功率因数低，则电压损失要更大一些。 根据以上负荷特性分析，在一定的补偿容量下，应按照滞后相多补， 超前相少补的原则分配补偿容量。这不仅能提高滞后相的功率因数，还可 减少三相电压的不平衡度。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 5 页 3 1 2 无功和负序的综合补偿 就牵引供电系统而言，无功、负序是伴随牵引负荷同时出现的，仅补 偿其一并不能达到综合治理的要求1 1 。因此，必须对无功和负序进行综合 补偿。假定牵引变压器次边n 个端e l 中前m 个为牵引负荷端口，后面n m 个为并联补偿端口，y ，、吼、s ，分别为端口y 的接线角、功率因数角和 视在功率，k c 为无功补偿度，k 为负序补偿度，则补偿的算式为 一s y p y = k s i l lk c 5 j ，s i l l 伊yz sy 9 y 2 cz sy 绎y y = m + lj ，= i 一j y p “2 b 岬一= k s ，p 八2 h 邮一 ( 3 4 ) 综合补偿无功和负序可分两种模式进行分析，一种是通过选择有关端 口接线角( 即补偿端口可以任意选择) 而使补偿设备总容量为最小；另一 种是在固定牵引变压器既有接线上( 即利用给定的自然端口) 使补偿效果 最佳。这两种情形的目标均为提高补偿装置的经济性能。另外，在负序较 为严重的区段，要考虑以补偿负序为主，兼顾无功补偿；而是在负序要求 较为宽松的场合，以补偿无功为主，兼顾负序补偿。 3 1 3 任意选择补偿端口模式 这种模式追求的目标是在选择补偿端口时使总补偿容量最小，故又称 为最小补偿容量模式。同时要求补偿系统与牵引负荷产生的合成负序( 功 率或电流) 共线反向，尽可能有效地补偿牵引负荷产生的负序功率。因无 功补偿要求各端口均加容性补偿，负序补偿就只能在相同接线角的端口上 进行，并完全可等效成同一端口，因此总体最小补偿容量应以满足负序补 偿为主，兼顾无功补偿。 由式( 3 4 ) 可知，最小补偿容量模式下的解的唯一性只要求取两个 端口即可，设两端口为k 、，则有 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 6 页 ( 一s i ：妒t 一8 妒7 ( ：) = ( k f 毒：三_ 缈 2 y i + 缈t = 1 8 0 。+ 口胞 2 吵，+ 9 ，= 1 8 0o + 口旭 ( 3 5 ) 式中，5 胞、分别为牵引负荷的合成负序功率模值和相角。为使s 七和j ， 唯一确定，要求s i n t p t s i n o ，k 、f 一n 。由s i n 儿在 - - 9 0 。，9 0 。】之间取值 的单值性应有纯仍，即两端v i 不能加同性补偿，只能一个端口为容性， 另一端1 2 1 为感性。若选择吼= = - 9 0 。，仍= 吼= 9 0 。，即端口k 加并联 电容器，端口，加并联电抗器，由式( 3 5 ) 解出有 ( 守兆 y c = 搠州5 。+ 等 y 。= 圳。邛。+ 誓 ( 3 6 ) 同理，当端口k 加并联电抗器，端口助口并联电容器时，结果亦如上式所示。 由此可见，仅在两个电压相互垂直的端口上加装并联补偿装置，其中 并联电容端口滞后并联电抗端口9 0 0 ，就能实现无功、负序的综合完备补 偿，并使总补偿容量最小。 、一 3 2 三相补偿方案 目前牵引变电所均采用两相补偿，常规的两相补偿会有大量的负序电 流注入电力系统，对电力系统形成威胁。既便是采用前面提出的两相优化 补偿方案，也还会有一些负序电流注入电网。 缈 n吼 厶盎 k k n j 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 7 页 3 2 1 给定补偿端口模式 在既有接线上实现综合补偿，这些接线端口的接线角是给定不变的， 即不能随两臂( 端口) 牵引负荷的变化而改变，这就要利用这些接线的自 然端口。 对式( 3 4 ) 分解实、虚部，并设所有补偿均为容性，即哆= 一9 0 。， y = m + 1 ，甩，则有 s y = k c s ，s i n o y ( 3 7 ) y = m + ly = l 一s i n 2 c , y = k j s yc o s ( 2 + 哆) ( 3 8 ) y = m + l y = l z 6 j ，c o s 2 9 j ，= k sj ，s i n ( 2 9 , y + c p y ) ( 3 9 ) 这里的y y ( y = m + l ，t ) 已知，求解s y ( y = m + l ，f ) 的唯一解 最多是3 维的，按3 维解算，这时补偿方程为 1 一s i n 2 l i v f c o s 2 9 7 ， k c sj ，s i ny y = l = ik s yc o s ( 2 驴, y ly = l + 吼) k s t n ( 2 蝣, ，+ 吼) y = l ( 3 1 0 ) 既有牵引变压器的接线多供两相( 臂) 牵引负荷，但考虑到换相，可令 m = 3 ，应用时，只要令自由相负荷为零即可。由上式可推出，用己知3 端口实现无功、负序综合完备补偿的充要条件是这3 端口的电压两两既不 同相也不反相，即其接线角满足 y y 7 k 1 8 0 0 ( k = 0 ，l ，2 ，)( 3 1 1 ) 其中，y 渺t ，y ，y 。 。 理论上令式( 3 1 0 ) 中的k = l ，就可实现三相一肌端口的对称补 偿，即经过综合补偿后，原边三相系统中无负序电流。 仍以常用的y n d l l 型牵引变电所为例，讨论该接线方式的综合补偿情 况。设k = 4 ，= 5 ，t = 6 ，m = 3 ，并安排、同端1 ：3 ，= 9 4 = 万，s 2 、 ， r 2 h 吖。啦咄 出 一 o 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 8 页 s 5 同端1 ：3 ，= = 1 2 0 。+ 万( 滞后) ，s 3 、s 6 同端口，= 眠= - 1 2 0 。+ 万 ( 超前) ，牵引负荷在端口1 、2 ，而端口3 牵引负荷为0 ，即s 3 = 0 。将 这些数据代入( 3 1 0 ) 式，可得出综合补偿模型 f + 玛) s 嘞k c s 嘞+ 2 k n c o s 色+ 1 5 0 ) 丫s l 、l 是刊l 一二| s i m + 碥c o s 白+ 3 回 孵+ 玛) s 嘞 il ( 3 一1 2 ) 。k s i m + 2 k , ；c o s t a + 1 5 0 ) s 曲仍+ 2 k n e o s 红+ 3 回人是 容易看出，上式与6 无关，也就是说，式( 3 1 2 ) 既适于y n d l l 接线， 同样也适于v v 接线。如果3 个端口的并联无功补偿均可调，k 广可在( o ， 1 ) 内任意选择，当k = 1 时，在实现对负序的完全补偿的同时，使功率 因数为任意好。这是最完善的补偿模式，能使无功、负序和母线压损等技 术指标得到综合、理想的补偿，但要以巨大的投资为代价。此种方式较适 用于电力系统较弱或牵引供电系统需要较大扩容的场合。 对于电力系统较强或牵引供电系统扩容要求不高的场合，基于投资和 收益的均衡，可以考虑仅在两个端口设置补偿。显然仅在两个端口补偿， 功率因数将不能达到较高的目标，此时通过