铁路牵引变电所无功补偿的研究.docx

铁路牵引变电所无功补偿的研究苏银德（中铁七局电务公司，河南 郑州 450016）摘 要：提高牵引变电所的功率因数，进而改善系统电压质量，减少系统损耗，是改善铁路电能质量的有效措施之一。由于电气化铁路的牵引变电所的供电对象为电力机车，其牵引负荷具有随机波动大、非线性特征，易导致功率因数低、谐波分量大等缺点，因此对铁路 牵引变电所无功补偿的研究非常重要。鉴于上述原因，提出了一种牵引供电所的动态无功补偿方案。 关键词：铁路；牵引变电所；无功补偿中图分类号：u224文献标识码：a文章编号：1672-545x（2010）07-0026-02铁路电力机车负荷功率因数较低，受弓网压力和离线的影响，对电力系统产生较大的无功冲击，引起电压波动与偏 差。铁路电力机车普遍采用交直流传动，将产生很大的奇次谐 波，对电力系统的安全稳定运行带来负面影响。再加上铁路牵 引供电负荷是单相负载，所产生的负序电流将注入电力系统， 减弱供电能力。鉴于上述原因，提高电气化铁路的电能质量， 对电力系统很有意义。提高电气化铁路的电能质量，最有效的措施，是提高牵引 变电所的功率因数，减少系统损耗。铁路牵引变电所的供电对 象为电力机车，其广泛采用单相交直流传动系统，具有随机波 动大、非线性等特征，容易导致电力系统功率因数低、谐波分 量大等缺点。为了提高功率因数，就必须要进行无功补偿。所 谓无功补偿，就是利用无功补偿装置向电力系统注入一定的 无功功率，以达到提高功率因数的目的。铁路牵引供电系统的无功不足，将会引起系统电压下降， 严重时还会导致设备损坏，甚至系统解列。进行无功补偿的方 法很多，但由于铁路的电力机车负荷是一种急剧变化且具有 随机性的单相负荷，具有负荷波动范围大、功率因数低、谐波 含量多等特点，加之电力部门实行无功计量的“反送正计”，使 得在传统的固定补偿模式下，牵引变电所的功率因数大幅下 降，尤其是在无负荷和轻负荷概率区段，过补偿十分突出，投 入固定并联补偿电容后，功率因数大循下降，无法达到经济功 率因数的要求，牵引变电所因此遭受巨额罚款。另外，固定电 容器补偿，还会导致空载时电压抬升，使电压质量继续恶化。 因此，研究一种既能提高电能质量，又不大幅增加投资的牵引 变电站无功补偿方案，是十分必要的。（1）同步调相机。实际上是一台空载运行的同步电动机，它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，适合于大型变电所对无功功率进行集中补偿，缺点 是价格高，运行维护复杂，有功功率消耗大。（2）并联电容器。实际中大多数负载是感性负载，采用电 容器进行并联作为无功补偿装置是非常重要的。大容量并联 电容装置一般还分为数组，各设开关，分级调节输出的无功功 率。在常用的无功功率补偿设备中，并联电容器的费用最低， 有功功率消耗最小，维护最简便。它可以分散安装在用户处或 靠近负荷中心的地点，实现无功功率的就地补偿，还可根据需 要分散撤迁到其他地点。由于上述优点，并联电容器得到了广 泛的应用。其主要缺点是电压调节效应差，电容的投切是有级 的，难免出现过或欠补偿，不能动态跟踪系统所需无功功率的 变化。同时一般需要串联电抗器，用于限制投切时的涌流，抑 制高次谐波的影响。由于系统中有谐波，有可能发生并联谐 振，使谐波放大，造成电容器烧毁。（3）静止补偿器（svc）。由可控电抗器和电容器组成，其 能实时地对电网所需要无功实施调节，使电网运行在较高的 功率因数水平上，具有调节速度快、运行维护简单、功率损耗 小等优点。静止补偿器不但能在稳态运行时，调节无功功率， 保证系统电压的稳定；而且对冲击负荷也有较强的适应性，能 满足动态无功功率补偿的要求。由于使用晶闸管的静止补偿 器具有优良的性能，它已占据了静止无功补偿装置的主导地 位，包括晶闸管控制电抗器（tcr）和晶闸管投切电容器（tsc） 以及这两者的混合装置（tcr+tsc）。（4）静止无功发生器（svg）。是一种电力电子装置，其最 基本的电路是三相桥式电压型或电流型变流电路 。svg 和 svc 不同，svc 需要大容量的电抗器、电容器等储能元件，而 svg 在其直流侧只需要较小容量的电容器维持其电压即可。 通过不同的控制，svg 即可以发出无功功率呈电容性，也可吸 收无功功率呈电感性。采用 pwm 控制，即可使其输入电流接 近正弦波。由于 svg 的控制方法和控制系统要比 svc 复杂， 并且 svg 要使用数量较多的较大容量全控型器件，其价格要1无功补偿现状无功补偿的主要作用，包括提高负载和系统的功率因数，减少设备容量和功率损耗，提高供电质量，平衡三相负载的有 功和无功功率等。常用的无功补偿设备有同步调相机、并联电 容器、并联电抗器和静止补偿设备等。收稿日期：2010-04-02作者简介：苏银德（1970），男，河南南阳人，工程师，中铁七局电务公司项目经理，研究方向为电力自动化。26装备制造技术2010 年第 7 期比普通晶闸管高得多，一般使用较少。（5）有源电力滤波器。随着三相电路瞬时无功功率理论 的提出，出现了一种用于动态抑制谐波、补偿无功的有源电力 滤波器（apf）。apf 可在消去谐波的同时补偿无功，实现实时 无功补偿。其优点是对频率和大小都变化的谐波以及变化的 无功功率，同时进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应， 可连续调节且响应迅速，无功补偿时不需储能元件，即使补偿 对象电流过大也不会发生过载，并能正常发挥补偿作用，不会 发生谐振问题，能跟踪电网频率的变化，既可对一个谐波和无 功源进行单独补偿，也可对多个谐波和无功源进行集中补偿。 但该设备仍存在实现复杂、成本较高、单台补偿容量低、不易 消除高次谐波、仍需 lc 滤波器的辅助等问题。原理图如图 1 所示。iut1t2图 1 tcr 结构图图 1 中，2 个反并联的晶闸管与 1 个电抗器相串联，通过控制晶闸管的触发延迟角，可以连续调节流过电抗器的电流， 相当于改变电抗器的等效电抗器，所以通过调整触发角的大 小，就可以改变补偿器所吸收的无功分量，达到调整无功功率 的效果。由于 tcr 本身就是一个谐波源，会产生奇次谐波；并且 负载侧的各种变流装置与非线性负荷在工作过程中也会产生 谐波。因此 tcr 型动态静止补偿装置中的 fc 不仅要将 tcr 本身产生的谐波滤除，还要将负荷波动产生的谐波滤除。对于 tcr 无功补偿装置而言，其 fc 一般采用独立的单调谐滤波 器，单调谐滤波器利用电感和电容的串联谐振，给特定次数的 谐波提供低阻抗通道，以达到滤除谐波的目的，其电路原理图 如图 2。2无功补偿的方案研究固定无功补偿装置结构简单，其由电抗器和电容器串联组成，投切时的冲击电流和操作过电压过大，容易发生谐振， 而且其无功补偿容量不可调，无功补偿不能随负荷变化而变 化，很容易发生“欠补”和“过补”现象。串联可调变比变压器无功补偿，由固定滤波器 + 电容器、 电抗器组成，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。 同时并能抑制负序电流和滤波功能，还可与专门设置的滤波 器相配合。但是该方案结构复杂、投资较大。固定滤波器（fc）+ 晶闸管调节电抗器（tcr）是一种常见 的无功补偿方案。其中 tcr 由控制器、晶闸管功率阀组、电抗 器组成，其通过控制晶闸管的导通角，来调节与负荷并联的电 抗器的电流，使 tcr 回路产生可变感性负载，进而控制其感 性无功的变化。其与固定电容器补偿相结合，可以实时补偿变 化的感性无功。fc 回路由电容器和电抗器组成，其与晶闸管 调节电抗器相结合，向系统提供恒定容性无功功率，兼有滤除 谐波的作用。该方案的优点，是固定并联滤波支路长期投入， 不需投切，响应速度快，调节性能好。混合型有源电力补偿主要由 tcr、无源电力滤波器、有源 电力滤波器组成，tcr 与无源电力滤波器共同组成一个静止 的无功补偿装置，作为传统的无功功率补偿器，通过改变晶闸 管触角延迟角，输出容性或感性无功功率，以平衡负载和校正 功率因数。无源电力滤波器的主要缺点，是只能补偿固定频率 的谐波，补偿效果不理想。有源电力滤波器能克服无源电力滤 波器的缺陷，但是其安装容量受开关器件容量的限制，将无源 电力滤波器和有源电力滤波器串联组成混合型有源电力滤波 器，可以取两者之长，补其之短。clr图 2 单调谐滤波器图理论上当被选定的谐波电流全部通过滤波器，可达到最 佳的滤波效果。但是，由于电感和电容自身参数误差等各种原 因，滤波器的滤波效果会降低。同时当电网频率变化时，滤波 器仍然可以为谐波提供一个低阻抗通道。这些都要求滤波器 有一定的频带宽度，也就是在滤波器中有一定的电阻 r，在实 际应用中，常常利用滤波器元件本身的内阻，来保证滤波器一 定的频带宽度。4结束语为解决牵引变电所无功补偿的问题，本文研究了各种补偿方案，最后采用 tcr+fc 动态补偿，作为铁路牵引变电所的 无功补偿方案，其特别适合于电力机车这种无功冲击大、变化速率快的负荷，是治理牵引电力系统电压波动和闪变干扰的 有效措施。参考文献：1 渝建民. 牵引变电所智能过零投切补偿系统的研究与开发j. 电力（下转第 65 页）273动态无功补偿方案由于固定滤波器（fc）+ 晶闸管调节电抗器（tcr）无功补偿方案不需投切，响应速度快，调节性能好。本文采用 tcr+fc 动态无功补偿方案，其中 tcr 的单相装备制造技术2010 年第 7 期（3）其他需要排风的房间，如老化试验室、会议室、餐厅及制冷站房、循环水泵房等，均按照有关规范的要求，设置全室 通风换气系统，以改善室内工作环境。5.4 建筑设计建筑设计尽量采用节能建材和无污染产品，充分利用自 然采光和自然通风，尽可能使建筑物内天然照度均匀和改善 室内空气质量。凡有噪声部分的围护部分、门窗等采取隔声措 施，达到规定噪声标准要求，减少噪声干扰，以免影响周围环境。 卫生间生活污水设有化粪池。凡有油的污水设置隔油池。建筑物平面布置做到紧凑合理，尽量留出空地进行环境绿化。5主要污染源及污染物的防治措施5.1废水治理生产废水处理详见本文 3.1.4 节。噪声控制（1）采用低噪声工艺设备，噪声对环境影响显著减小，厂5.2界噪声可做到达标排放。（2）通风、空调制冷设备、空压机选用高效、节能、低噪声 设备，同时在相关设备处采取安装消声器、防震垫及减震软接头和弹性吊架等措施，以减小噪声和振动，并将值班室的门、窗、墙等围护设施做隔声处理。（3）冷却塔采用低噪声型、水泵采用隔震基础。水泵进出 水管安装橡胶接头和弹性吊支架，止回阀采用消声止回阀，降低噪声的传递以满足环境噪声的要求。5.3 粉尘、废气的处理（1）激光切割机、镀膜设备、打边机、清洗机等设备生产 过程中，均会产生碲化镉粉尘，在各个产尘点处设备均已进行 了过滤处理，为保证排放的空气的清洁度，又设置了集中除尘系统，采用滤筒过滤器（效率达 99 %以上）将含尘空气处理后达标排放。（2）生产线中的镀膜设备等产生的异味、废气均设置局部 排风系统，将各个工艺设备的局部排风集中排至室外，以改善房间内工作环境。6结束语以薄膜太阳能电池为代表的清洁能源是当前和今后新能源产业发展的热点之一，而相关的制造工艺技术在国内还并 不成熟，本文对薄膜太阳能电池生产车间在工艺、公用、土建 设计等方面的关键技术进行了初步探讨，旨在加深对其生产 过程的了解，促进相关工作的顺利进行。参考文献：1 赵志明非晶硅薄膜太阳能电池及生产设备技术发展现状与趋势 j. 科技情报开发与经济，2009，19(34)：136-1402 邹红叶. 硅薄膜太阳能电池的原理与应用j. 物理通报，2009，（5）：56-57.discussing about the key technology of engineering designfor thin film solar cell workshopwang yong-feng（china united engineering corporation，hangzhou 310022，china）abstract：thin film solar cell production has great particularity, whichs workshop in the process, utilities, civil engineering and otheraspects of design has great difference with general machinery, electronic engineering plant; through exploring the key technology of thin filmsolar cell production, the understanding of producing progress can be enhanced, the specific and difficult can be cleared, and the progress ofthe relevant engineering design can be smoothed.key words: thin film ; solar cell; workshop; engineering design!（上接第 27 页）自动化设备，2006，26(5)：75-782 焦 剑 扬 ，刘 明 光 . 牵引变电所无功补偿方法综述 j. 电气开关， 2006，(6)：1-4.3 刘 锼，郭知彼. 牵引变电所静止无功补偿方案综述j. 机车电传动，2005，l0(6)：12-14.study on reactive power compensation of railwaytraction substationsu yin-de（the electrical power corporation of chinese railway seventh engineering bureau，zhengzhou 450016