（电工理论与新技术专业论文）适合于电气化铁路无功谐波检测方法研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 a b s t r a c t e l e c t r i c a lr a i l w a yh a sb e e nd e v e l o p e dg r e a t l yi nl a t e s tt h i r t yy e a r s ，w h i c hm a k eg r e a t c o n t r i b u t i o nt ot r a f f i cc o m m u n i c a t i o n h o w e v e r , w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c a lr a i l w a y , p o w e rq u a l i t ys u c ha sr e a c t i v ep o w e r ，h a r m o n i cc u r r e n t ，n e g a t i v es e q u e n c ei sas e r i o u s p r o b l e m t h es o l u t i o ni sg r a d u a l l yf o c u s e dt od y n a m i cc o m p e n s a t i o n i ti sv e r yi m p o r t a n t a n df o rs o l v i n gt h ep r o b l e mt o a c q u i r et h ec o m p e n s a t e dc o m p o n e n tp r e c i s e l ya tt h e e n v i r o n m e n to fs i n g l ep h a s ep o w e rs u p p l ys y s t e m ，d i s t o r t e dv o l t a g ea n df r e q u e n t l yv a r i e d l o a d t r a n s i e n tr e a c t i v ep o w e rd e t e c t i o nm e t h o db yc o n s t r u c t i n gp h a s ea n dt h eo n eb y i s o l a t i n ga c t i v ep o w e rh a v eb e e ns t u d i e db yt h e o r ya n a l y s i sa n dc o m p u t e rs i m u l a t i o ni nt h i s p a p e r t h ef i r s td e t e c t i o nm e t h o dc a l lu s et h r e ep h a s 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 , b u t ， d e t e c t i o nc i r c u i t sh a st i m ed e l a ya n db e c o m ec o m p l e xb e c a u s eo ft h ea d d e dc o n s t r u c t i n g p h a s e t h i sm e t h o dc a nb em o l ep r o p e rf o re l e c t r i c a lr a i l w a yd e t e c t i o nb yi m p r o v i n gt h e a d d e dp h a s e t h ed e t e c t i o nm e t h o db yi s o l a t i n gr e a c t i v ep o w e ri sp r o p e ri ne l e c t r i c a l r a i l w a yd e t e c t i o n r e s e a r c hr e s u l t ss h o w st h a tt h ep h a s el o c kl o o p ( p l l ) a n dl o wp a s s i n g f i l t e r ( l p du s e di nd e t e c t i o nm e t h o dh a sn e g a t i v ee f f o r tf o rd e t e c t i o n t h o s ed e t e c t i o n m e t h o dw i t h o u tp l la n dl p fi sm o r ep r o p e rf o re l e c t r i c a lr m l w a yd e t e c t i o n k e yw o r d s ：t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m ，t r a n s i e n tr e a c t i v ep o w e hs i n g l e p h a s ed e t e c t i o n 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 人或集体己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： 本文通过对几种基于瞬时无功功率的单相检测方法进行了研究，指出 基于构造三相、两相法和有功分离法基本满足电气化铁路的检测需求。分 析了锁相环和低通滤波器对检测的影响，指出电气化铁路宜采用无锁相环 的积分检测方法，以提高检测精度和响应速度。 d 哆 l t f 西南交通大学曲南父逋大罕 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 不保密口，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文 日期： 6 争 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 课题研究的背景 随着我国的第一条电气化铁路宝成铁路建成通车以来，电气化 铁路得到了前所未有的发展。 电气化铁路带来的电能质量问题伴随着电气化铁路的发展而逐 渐严重，随着电气化铁路的里程不断增加，用电容量的不断扩大， 电气化铁路的电能质量问题变得越来越突出，若不加以认真对待， 甚至有可能成为电气化铁路发展的重要障碍。其中，无功、谐波和 负序是电气化铁路电能质量的三大根本问题。大批铁路事业的电能 质量科研工作者长期研究电气化铁路电能质量的特性，抑制措施等， 做出了一系列卓有成效的研究成果【l 】。 在电气化铁路开通的早期，主要考虑的是无功问题，稳定接触 网本身的电压以满足机车运行要求，谐波问题主要是通过无源滤波 的方式进行解决。负序问题则是通过变压器的合理换相连接解决； 这些措施在当时的历史条件下基本能够满足电气化铁路的发展需 求，为铁路事业的健康发展做出了积极的贡献。 随着铁路的发展，在关注无功问题的同时，电力部门对电气化 铁路的谐波问题也开始关注，包括其他电力用户也十分关注电气化 铁路谐波问题带来的影响。电气化铁路发展的早期，机车采用的主 要是二极管整流和半控整流，功率因数低，谐波含量大，功率因数 一般为0 8 左右，3 ，5 次谐波是特征谐波。在当时，电气化铁路主 要采取无功谐波综合治理的方式，一般采用无源固定补偿技术。 随着高速铁路的发展，p w m 整流交直交机车大量采用，2 0 次 以上的特高次谐波以及负序问题日渐成为主要的电能质量问题。另 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 外，电力部门对无功计量方式也正逐步改变，由反送不计向反送正 计转变。电能质量问题特征的变化，使得已有的无源固定补偿难以 满足要求，采用动态的无功谐波补偿技术势在必行( 解决负序问题 甚至需要动态的有功补偿技术) 。动态无功谐波补偿技术的基础是无 功、谐波的实时检测技术，检测的准确性、实时性是发挥动态补偿 效果的基础。 从以上分析看出：无功、谐波、负序是电气化铁路电能质量的三 大根本问题，解决以上问题的手段逐步向动态补偿发展。基于电力电 子的有源补偿方式是解决电能质量问题的重要手段。除电能质量外， 要实现同相供电理想目标、独立供电的最终目标都依赖基于电力电子 技术的有源动态补偿 4 - 9 。 而依赖于电力电子技术发展起来的各种技术都必不可少的需要 检测技术的发展。准确、快速的检测手段是所有技术的基础，检测手 段的有效性从根本上影响着电力电子装置的可用性、实时性、准确性。 目前成熟的检测手段绝大部分都只适合于三相电路，而电气化铁路是 单相电路，目前存在的单相电路的检测方式，其是否适合电气化铁路 的特点，有待于进一步系统地研究和改善。因此，研究适合于电气化 铁路的单相检测手段具有十分重要的现实意义。 1 2 检测技术的发展与研究现状 检测技术的发展可以分为以下几个阶段：早期基本都完全采用模 拟电路的方式获得所要求的信号，例如，电压的基波通过滤除各种高 次谐波和直流分量来获得。随着计算机的引入，某些用硬件实现的过 程被软件所实现，例如，锁相环被数字锁相环替代，模拟滤波器采用 数字滤波方式等。从检测速度而言，早期的检测手段对检测的速度要 求不高，要求能准确地检测信号量即可，对检测的速度要求不高，即 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 实时性要求不高。传统的傅利叶变换方式在实时性方面性能较差，傅 利叶变换需要采集一段信号，将被采集信号进行数学运算，得到信号 的各种特征量。其他一些信号检测方式，如小波变换、时频分析等也 需要采集一段信号来进行分析。再者，采集之后的数学运算复杂，使 得傅利叶变换，小波变换在实时性方面存在较大的缺陷。 随着电力电子技术的发展，必须获得具有实时性的信号，因此具 有较好实时性的检测技术得到了发展应用。如瞬时无功功率理论 1 0 - 1 2 、有功分离法1 3 , 1 4 1 、f b d 方法等。与实时性相对应，传统的功 率定义方式已经不适应电力电子技术的发展需要，因此新的、适当的 功率定义也一直是众多学者所研究的热点。比较有名的就是日本学者 赤木泰提出的瞬时无功理论【1 0 1 ，定义了广义无功功率。另外有学者提 出了基于h i l b e r t 变换的非正弦电路无功及瞬时无功功率定义【l5 1 。传统 功率理论无法对非正弦电路中的功率现象加以解释，现有的瞬时功率 理论的物理意义又不够明确。针对这一问题，有文献提出了一种基于 最小传输能量损失的有功及无功功率定义，给出了数学模型及简化 解。该定义物理意义明确，能够与传统正弦电路功率理论、弗兰芝 ( f r y z e ) 单相无功理论和赤木泰文( h a k a g i ) - - - 相无功理论相统一。在该 定义体系中，单相电路与三相电路的有功、无功确定原则是一致的。 该文还提出了一种广义谐波理论，该理论所定义的谐波不仅具有传统 的傅立叶谐波两两正交的优点，而且可以直观地衡量负载的非线性程 度，并将谐波理论与本文所提功率理论相统一【1 6 j8 1 。 与瞬时无功功率相对应的瞬时频率定义一直无人提出好的方法， 目前的频率定义仍然是基于傅利叶变换中的频率，尽管时频分析中定 义了瞬时频率，但物理意义并不明显。 日本学者赤木泰提出的瞬时无功功率理论检测方式是应用较为 成熟的一种。但它是针对三相系统而言的，单相电路要运用这些检测 方法往往需要改进。适用于三相电路的瞬时无功功率在用到单相电路 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 中，需要构造出三相电路，加大了检测的复杂性和成本。适合于单相 电路的检测方法日渐引起众多学者的关注，其思路一般是基于瞬时无 功功率的改进，使瞬时无功功率，能应用于单相系统中。有功分离法 可以看成是瞬时无功功率的一种改进方式，但它又具有一定的独立 性，许多学者对有功分离法进行了详细研究。各种改进方法各有利弊， 何种方法适应于电气化铁路，需要针对具体的场合进行分析。这些改 进方法多数集中在如何消除电压畸变的影响，如何克服滤波器的延时 效应，如何减少检测的总延时等方面。 f r y z e 单相功率理论是适合于分析单相电路的一种方法。由德国学 者s f r y z e 提出，经过f b u c h h o l z 和m d p e n b r o c k 等人的进一步改进， 日渐成为体系，因此被称为f b d 方法。国内有学者提出了两种基于f b d 法的实时检测方法：直接法与间接法。直接法的特点是：根据电网电 压的波形分析电流，使功率电流的波形与系统电压的波形完全相同， 检测结果易受电压波形的影响，适用于电压波形稳定、无畸变的场合； 间接法利用锁相环生成参考电压波形，功率电流的波形与参考电压波 形完全相同，检测结果不受实际电压波形畸变的影响。直接法与间接 法中没有p a r k 变换，比基于瞬时无功功率理论的检测方法简单，适用 于从单相到多相电路。但缺点也是明显的，检测精度依赖于锁相环的 精度19 1 。 电气化铁路除需要检测无功谐波以外，同相供电方式中还需要检 测有功功率。对于有功、无功、谐波的检测需要统一，从理论上讲， 有功检测可以在有功分离法等方式基础上经过改进得到有功、无功、 谐波的综合检测。然而在理论、试验等许多方面有许多工作来做，对 综合检测的特点仍有待进一步研究。 国内外的检测研究方法，主要采取理论分析、计算机仿真、试验 验证等方式。常用的理论方法是瞬时无功理论，p a r k 变换，f b d 方法。 计算机仿真的常用软件是m a t l a b 另外也通过实验验证，直接在单 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 片机、d s p 上实现。如德州仪器的t m s 系列芯片，以及d s p a c e 等。 由于目前的检测方式存在延时的缺点，预测检测方式是解决这个 问题的途径之一。其思路是，在真正信号来临之前就预测出电力电子 装置所应该补偿的量，对于电气化铁路这种负荷时常剧烈波动的性质 而言，预测检测具有相当的难度。实现预测的方式之一便是通过人工 神经网络，通过数据样本的训练，从而实现预测。毫无疑问，实现真 正准确地预测检测是一个艰巨的任务。 1 3 课题研究的目标和意义 通过对现有的检测方式进行详细研究，找到适合于单相电气化铁 路的检测方法；针对同相供电技术需要同时检测有功、无功和谐波的 特点，找到合适的检测方法；针对牵引供电负荷波动频繁剧烈，找到 适合于有源补偿技术的检测方法，满足实时性要求，具备较好的动态 响应能力。研究内容包括：1 ) 通过构造出三相或者两相的方法实现 检测，从而直接利用成熟的三相瞬时无功功率理论，并研究其检测性 能；2 ) 研究基于有功分离方法的检测技术，使得直接应用与单相系 统，避免构造三相、两相系统；3 ) 结合电气化铁路的特点，给出相 应的检测方法。需要解决的关键问题是：找到适合于单相电气化铁路 的检测方法，并满足实时性要求，克服电气化铁路电压畸变严重，波 动剧烈所带来的检测问题。 1 4 本文所做的工作 本文采取理论分析与仿真验证相结合的方式，对能满足实时性要 求的各种检测方式进行了分析，以期能找到提出能满足电气化铁路的 检测方法。最后通过仿真分析，提出各种牵引供电设备所对应的检测 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 技术，验证所提出的方法的有效性。本文重点对以下几种检测方式进 行了详细分析。 1 ) 基于瞬时无功功率的单相检测方法，重点对构造三相的检测方法 和构造两相的检测方法进行分析。 2 ) 有功分离法。有功分离法与瞬时无功分离方式既有区别又有联系， 研究各种有功分离检测技术，研究其检测性能。有功分离法将重点解 决如何避免低通滤波器带来的动态响应慢的缺陷，以及如何克服电压 畸变对检测结果的影响，解决锁相环的精度等对检测的影响。 3 ) 研究用于检测技术中的重点器件锁相环和低通滤波器，分析 其原理及其主要特性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章电气化铁路结构特点及其电能质量治 理方式对检测方法的影响与要求 2 1 牵引供电系统结构概述及其对检测方法的影响 牵引供电系统由牵引变电所和牵引网组成，牵引网由接触网、钢 轨、接地线及有关设备组成。电气化铁道供电系统的基本要求是： 保证向电气化铁路安全、可靠、不间断地供电；提高供电质量，保 证必需的电压水平；提高功率因素，减少电能损失，降低工程投资 和运营费用；尽量减少单相牵引负荷在电力系统中引起的负序电流 和高次谐波的影响；尽量减少对邻近的通信线路的干扰影响。牵引 供电系统总体概貌如图2 1 所示 电力系统 图2 1 牵引供电系统结构 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 1 1牵引变电所 牵引供电系统通过牵引变电所与电力系统相连接。工频单相交流 制的牵引变电所的主要功能是从电力系统接受电能，并以不同的电压 向牵引负荷、区域负荷分配供应电能，主要设备是牵引变压器。由于 铁路电力牵引属于一级负荷，所以牵引变电所须由两路高压输电线供 电，并且在牵引变电所中设置两台牵引变压器。 为适合牵引供电系统高电压、大电流的用电要求，或者减轻牵引 供电系统对电力系统的不对称影响，牵引变电所中的牵引变压器可采 用不同方式的接线。其接线方式有：纯单相接线、单相v v 接线、三 相v ，v 接线、三相y n ，d 1 1 接线和三相不等容量y n ，d 1 1 接线、三相 y n ，d 1 1 ，d l 十字交叉接线、斯科特接线、星形延边三角形接线平衡变 压器、l e b l a n c 接线、w o o d b r i d g e 接线等。 牵引变电所的特点可以归纳为：牵引变电所是一种以三相两相变 压器为特点的特殊供电结构，这种特点决定了牵引供电系统无论是以 提高电能质量为目标还是以保护为目的检测方法都主要是一种单相 检测方法。 2 1 2 牵引供电方式 电气化铁路供电原理如图2 1 所示。目前国内电气化铁道采取的是 单相供电系统，大电网则采取的是三相供电系统，根据电路分析相关 原理知道，这样会造成大电网的三相不平衡。如果采取三相四线制， 其中性线就会有大电流流过。由于电线的阻抗和电抗的作用，必然在 中线上消耗大量有功和无功功率。如果采取三相三线制，会发生“中 点位移 ，当中点位移较大时，会造成负载端的电压严重地不对称，从 而使负载端的设备工作不正常。单相电气化铁道带来的负序电流，及 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 其高次谐波会对大电网造成污染。例如会对三相电机的旋转磁场产生 影响，使磁场不对称，引起电机抖动，发热严重。也会影响其他行业， 如工业、医疗、军事系统的正常运行。 鉴于以上原因，为使电力系统三相负荷尽可能平衡，电气化铁道 的接触网采用分段换相供电。其换相供电原理见图2 2 。 ti卜 li illli i t 3牵 il il t l nl 1 j l li 竖|n j b a ac cb 图2 - 2 牵引变电所换相连接 三相牵引变电所的换相连接一般是按重负荷相进行排列的。如上 图所示，牵引网电压各供电分区的顺序如图排列为b 、a 、a 、c 、c 、 b 。按照习惯，三相变压器的副边的c 相端子接地，其他两个端子分 别接入左、右两边供电分区的接触网。下面分析变电所t 1 的接线。 对于t 1 的左边供电分区c 相线圈为重负荷相，牵引网要求b 相， 于是原边c 相端子接电力系统的b 相。同样对于右边供电分区，变压 器副边a 相线圈为重负荷相，右边牵引网要求a 相，于是将原边a 相端子接至电力系统a 相。所以原边b 相端子最后接入电力系统的c 相，按照此方法可以确定其余变电所的接线。于是得到上图的连接示 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 意图。三个牵引变电所形成一个完整的循环，如果各个供电分区的负 载相等，电力系统的负载将三相对称。 另外，根据供电能力的大小、接触网架设环境以及电磁兼容要求 等条件，为了减轻对通讯线路的干扰，提高供电回路关于大地的电气 对称性，产生了以下几种供电方式： ( 1 ) 直接供电方式 这种方式的牵引网由接触网和钢轨及吸上线组成。它的主要特点 是：牵引网回路的结果最简单，成本和维修量都少；对通讯线路的干 扰较严重；钢轨电位较其他供电方式高。 ( 2 ) b t 供电方式 b t 供电方式即吸流变压器供电方式。它的主要特点是：能大大 减轻对通讯线路的干扰；要设置火花间隙。 ( 3 ) 设置回流线的直接供电方式 这种供电方式抑制通讯干扰的能力主要取决于回流线的布置方 式、根数，横联线的间隔及有无串联补偿等，它保持了直接供电方式 结构简单的特点，还能较好地降低轨道电位，同时回流线故障不会影 响正常供电。 ( 4 ) a t 供电方式 a t 供电方式即自耦变压器供电方式。这种方式中要设置绕组匝 数i l l - - n 2 的自耦变压器，接触线与正馈线之间的电压为机车受电弓上 的电压的2 倍，机车受电弓上电压与直接供电方式、b t 供电方式相 同。a t 供电方式的主要特点是：牵引供电电压成倍提高，自耦变压 器并联接入系统，避免了b t 串入时的火花间隙对大功率牵引的影响； 牵引变电所间距较大；牵引网结构较复杂，保护和维护的难度也相应 提高。 ( 5 ) c c 供电方式 c c 供电方式即同轴电缆供电方式，它分为接触网开口方式和不 西南交通大学硕士研究生学位论文第11 页 开口方式。这种供电方式是沿铁路线路埋设同轴电力电缆，其内部芯 线作为供电线与接触网连接，外部导体作为回流线与钢轨相接，牵引 电流和回流几乎全部经由同轴电力电缆中流过，因此对邻近的通讯线 路几乎无干扰。它的特点是阻抗小，供电距离长，但同轴电力电缆造 价高，投资大。 总结：由于电力机车负荷的随机性和波动性，负序质量问题在在 时间分布上存在一定的波动性，以换相方式来解决负序问题的方式具 有较大的局限性，现行牵引供电方式在解决负序问题上存在困难。 2 1 3 电力机车 电力机车从牵引电机的类型可以分为交直型电力机车和交直交 电力机车两大类。 交直型机车是我国使用最为广泛的一种电力机车，在当时交直交 调速发展还不成熟的条件下，交直型机车具有调速范围宽、调速速度 快等优点，因此得到了广泛的应用。然而，此类机车存在很大一个缺 点，就是此类型的机车的功率因数很低。电力机车有主电路和辅助电 路之分。主电路通过机车牵引变压器供给牵引负荷，辅助电路中使用 了大量异步电动机。异步电动机的功率因数随受载系数降低而降低。 由于机车运行中需经常调速，辅助电路异步电动机频繁启动，很难保 证使其工作在额定负载，功率因数较低。相控电力机车主电路采用晶 闸管调压，即使在理想状态下，假设主电路负载为纯电阻，功率因数 c o s ( # 与触发角0 【的关系为c o s 缈= ( s i n 2 a 2 r r + ( 7 【一a ) n ) 1 1 2 ，a 越大， 电流畸变越大，c o s 矽越小。实际机车运行中，通过调节a 而控制牵引 力是主要手段，故在轻载区段运行的机车不可避免地出现较低的功率 因数。这使整个机车负载的实际功率因数较低。目前，中国的电力机 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 车已由原来的二级管整流机车( 如s s1 ) ，发展到晶闸管相控机车，如 s s 4 b ，s s 6 ，s s 6 b ，s s 7 ，s s 8 型等，原理上都是交直整流型。 在接近满负荷牵引工况下，二极管整流电力机车的功率因数约0 8 2 - 0 8 5 之间，晶闸管相控电力机车的功率因数约在o 7 8 0 8 0 之间，在 轻负荷工况下电力机车功率因数还会降低。在牵引功率的传递过程 中，牵引网和牵引变压器还要消耗一定的无功功率，因此在1 1 0 kv ( 或 2 2 0k v ) 侧计量，牵引变电所平均功率因数通常在o 7 5 ( 滞后) 左右， 再生工况下更低，可达0 2 - - 0 4 。 交直交机车是代表当今机车发展的主要方向，它在很宽的功率范 围内其功率因数接近1 ，一般大于0 9 5 。在我国重载、高速电气化铁 路中逐步等到推广应用，如重载铁路大秦线采用的就是中德联合制造 的和谐号交直交机车，在客运高速的秦沈线等都采用了交直交机车。 尽管交直交机车得到了大力发展，在我国目前很多铁路出现交直交与 交直车混跑的情况，交直型机车仍然是主要的形式，所以无功和谐波 问题仍然是主要的问题。另一方面，随着机车功率的不断加大，造成 的负序影响越来越严重，交直交机车本质上解决不了负序问题。 总结：从机车发展的角度考察对检测的影响，可以总结如下，在 目前阶段，有交直交混跑的问题，实现电能质量的控制，无功、和谐 波的检测是必须的，在未来交直车退出历史舞台的情况下，无功和谐 波实时检测及治理会逐步弱化，重点可能是负序的实时检测与治理。 2 2 电气化铁路的电能质量控制对检测方法的要求 电能质量问题主要是无功、谐波、负序问题，下面分别叙述这三 大问题对检测方法的要求 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 2 2 1 无功治理对检测方法的要求 无功的治理方法又低级到高级可以分为固定电容补偿、基于s v c 的可调补偿、基于s v g 的有源补偿，每种补偿方法对检测的性能要 求不同，下面通过分析这几种补偿方式的特点来了解对应的检测方法 要求。 1 、固定电容补偿 这种补偿方式在我国广泛采用，都是力求基波下补偿牵引负荷的 感性无功功率，提高功率因数，并滤除( 或抵消) 指定谐波。主要有 真空断路器投切电容器、晶闸管投切电容器。这种固定电容器补偿方 式，一般不需要无功的实时检测，运行值班人员根据运行规律在合适 的时候手动投入即可，电容器的投切主要是根据负荷的特征而选取投 入一组或几组电容器。因此，这种方式基本上不需要实时的无功检测 方法。 1 ) 真空断路器投切电容器 最大优点是简单、投资省。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 次重复击穿时，电容器上产生很高的过电压，致使设备损坏、对电容 器组的投切冲击，i e c 规定不超过1 0 0 0 次年，加之开关寿命的限制， 不能频繁投切，从而影响动态补偿效果。 2 ) 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 支路呈容性，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。优点是损耗小，结果简单，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。 基于s v c 的可调补偿 目前，我国绝大多数牵引变电所均采用高压直挂固定并联电容补 偿( f c ) ，采用固定不可调的补偿方式，感容抗比采用0 1 2 ，具有补 偿无功和兼滤谐波功能。固定补偿结构简单，投资少，运行可靠，但 由于电牵引负荷的波动性，无功补偿装置在空载或轻载时形成无功返 送，而在负荷较大时无功功率供应又不足。在“返送正计”的计量方式 下，安装不可调无功补偿装置后功率因数可能比不安装时更低。在目 前情况下，对运营局而言，无功和电压波动是面临的最急迫的问题， 因此，无功补偿需要采用可调装置，实现自动跟踪实时负荷。由于电 铁的无功罚款是基于对牵引变电所的月平均功率因数的统计作为考 核对象，而未对牵引供电系统的瞬态无功功率过程进行考察，所以采 用传统的s v c 均可以满足无功补偿的要求；对牵引供电系统的电压 波动的补偿而言，虽然电铁负荷的波动剧烈，但其变化过程同s v c 的响应相比还是缓慢的，因此，在经济因素影响和技术影响下，采用 s v c 作为电气化铁道综合补偿方案，也不失为一种简单、有效的措施。 由此提出了基于s v c 的可调补偿方案，主要有如下两种。 1 ) 固定滤波器( f i x ) + 晶闸管调节电抗器( t c r ) 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 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 多余的容性无功功率得以平衡，满足功率因数的要求。优点是固定并 联滤波支路长期投入，不需投切，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，缺点是t c r 也 产生谐波，有损耗。 2 ) 固定滤波器( f i x ) + 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，适当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 - 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 l o 万次) 的缺点，能实现最严格的无功计量方 式( 反送正计) 下，功率因数达到经济功率因数0 9 以上的目标，并 能实现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，亦可与专门设制的滤波器相配合。 固定滤波器与电容器、电抗器调压( f i x + t c + t l ) 方案可根据 具体变电所的实际负荷和谐波情况进行方案组合。对于谐波较严重的 变电所，从滤波的安全性和有效性出发，采用固定的多次单调谐滤波 器，滤波支路可根据需要采用3 次，3 、5 次，或3 、5 、7 次滤波器； 可调电容支路( t c ) 和可调电抗支路( t l ) 用于调节无功，由变电 所无功负荷状况决定采用t c 或t l 或两者同时采用。对于谐波不是 非常严重而以提高功率因数为主的变电所，还可以在此方案基础上进 一步简化，省掉固定滤波支路，通过降压调压变压器，采用分接开关 无载调压和晶闸管开关的有载分合直接调节无功元件( 滤波器) 的无 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 功输出。 总结：综合以上s v c 方案分析来看，这种可调的s v c 补偿方案， 因此对检测方法提出了要求，需要实时地检测无功分量和谐波分量， 快速准确的检测方法有利于发挥s v c 的可控性能。由于s v c 本身的 响应速度相对于s v g 慢，因此检测的实时性上不需要s v g 的检测要 求那么高。用于s v c 的检测方法可以采用传统的傅立叶分解方法， 也可以使用瞬时无功功率法。值得注意的是，对牵引供电而言这是一 种单相检测。 3 、基于s v g 的有源补偿 有源电力无功补偿器( s v g ) 在国外的电力系统已有应用，日本 新干线高速铁路曾采用。有源电力无功补偿器是用于动态抑制谐波和 补偿无功的新型电力电子装置，是一种理想的完备的补偿方式。同无 源的静止无功补偿( s v c ) 相比有如下特点： 1 实现真正的动态补偿，具有变化极快的响应，可在毫秒级跟踪负 荷波形的变化，实现对瞬态谐波、功率因数、电压闪变和负序的 补偿； 2 连续可调； 3 同时补偿无功和谐波，可以产生有功分量，实现三相不平衡补偿； 4 不受电网阻抗频谱和系统频率影响，不会发生谐振。 有源电力无功补偿器按结构形式可分为并联型和串联型。并联型 有源电力无功补偿器的主电路与负载并联接入电网，向系统提供一个 补偿电流，该补偿电流与负载电流中的要补偿的谐波和无功等抵消， 使得电力系统的供电电流能满足无功、谐波含量的要求。适合于负载 的无功谐波为电流源性质的负荷。针对电气化铁道的负序、谐波、电 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 压波动及无功等问题，采用并联型有源电力无功补偿器是一种理想的 补偿手段，特别是在系统提出要求进行瞬时补偿要求时，如对谐波、 负序和电压闪变的补偿则应采用并联有源电力无功补偿器，以彻底解 决电气化铁道的电能质量问题，是今后电气化铁道综合无功补偿措施 的发展方向。国外在该技术领域已有众多应用实例，而国内在该技术 领域也取得了一定的发展，如清华大学与河南电力公司的的2 0 m v a 的s t a t c o m 在电力系统中已有应用。但是在铁路领域，应用甚少， 目前我国铁路正在大秦线等地方试点安装此类设备。由于有源设备的 昂贵价格，往往采取有源和无源相结合的方式，无源补偿绝大部分无 功，有源进行细微调节，二者结合在经济上具有较大优势，由此，主 要提出了以下两种有源无源混合式方案。 1 ) 有源滤波器+ 无源滤波器+ 可调无功补偿装置 可调无功补偿装置对负荷无功进行动态跟踪补偿，无源滤波器滤 除电流中含量较高的某些次谐波( 主要是3 、5 、7 次) 及高次谐波， 有源滤波器弥补无源滤波器滤波能力的不足，并防止无源滤波器与系 统发生谐振。 2 ) 有源滤波器+ 固定无源补偿 采用有源滤波器产生与负荷中谐波电流相位相反的谐波电流，使 其相互抵消来满足电源的总谐波电流的要求。比较成功的是无源、有 源混合滤波器，它能扬长避短，充分利用无源补偿的大容量和有源补 偿的灵活性、可控性，但其结构复杂、造价高、运行费用高，且这一 技术正处于研究阶段，技术尚未成熟。目前许多变电所装有无源滤波 器或者固定电容补偿装置，充分利用这些无源设备，再辅助有源设备， 在经济上具有很大的优势，因此，可能成为未来无功谐波补偿的重要 方案。 ， 、 基于有源补偿的无功谐波补偿技术，具有很快的动态响应速度， 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 为了更好的发挥这种无源设备的响应性能，对谐波无功的检测提出了 较高的要求，检测方法至少需要满足实时性和准确性这两点要求，满 足这种要求的最好的方法之一是瞬时无功功率检测理论，针对电气化 铁路而言，需要的单相瞬时无功率检测方法。传统的瞬时无功功率理 论在电压畸变条件下难以准确检测无功谐波，而电气化铁路电能质量 往往较差，因此需要一种能适应这种恶劣电能质量环境、具有较好的 抗干扰能力的检测方法。 2 2 2 谐波治理对检测方法的要求 谐波的治理措施与无功治理措施的发展历程相似，也经历了从无 源到有源的发展过程。无源滤波主要设置若干次谐波的滤波器组，通 常为3 ，5 ，7 次，这些滤波器在指定谐波次数下表现出低阻抗，而在 基波情况下表现出高阻抗，使得谐波得以通过无源滤波器滤掉。这种 方法的主要缺点时容易出现谐振，动态响应慢，且不能完全滤除谐波。 因为考虑到谐振问题，滤波器本身不可能将其阻抗调节为0 ，需要偏 谐设置，这使得滤波效果受到限制。但是这种滤波方式无需检测谐波。 鉴于无源滤波器的缺陷，基于电力电子的有源滤波技术被广泛重 视，有源滤波方案最为流行的并联型s t a t c o m 技术。这种技术是基 于产生出与谐波幅值大小等，方向相反的电流，与谐波叠加，从而补 偿谐波。具有极快的响应速度，能实现真正的动态补偿，可在毫秒级 跟踪负荷波形的变化，实现对瞬态谐波补偿。准确检测出所需要补偿 的谐波量对这种补偿技术的性能的发挥至关重要。对牵引供电系统而 言，将滤波器安装在低压侧具有更好的经济优势，而牵引供电系统是 单相系统，因此，与无功补偿方案一样，仍然需要的是一种单相瞬时 检测方法。瞬时无功功率方法是能较好的满足这一性能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 2 2 3 负序治理对检测方法的要求 负序电流所产生的旋转磁场方向与转子的运动方向相反，以两倍 同步转速切割转子，在转子中感生出倍频电流，倍频电流主要部分在 转子表层沿轴向流动，这个电流可达到极大数值，会在转子表面某些 接触部位引起高温，发生严重电灼伤，同时局部高温还有可能使护环 松脱的危险；另外，由负序磁场产生的两倍交变电磁转矩，使机组产 生i o o h z 振动，引起金属疲劳和机械损伤。 负序电流在发电机定子绕组内将产生负序旋转磁场，该磁场将以 两倍的旋转速度切割转子，从而在转子的励磁绕组、阻尼绕组及转子 本体表面感应电流，这些电流将在上述部位引起损耗和发热，从而降 低了运行效率，特别是在汽轮发电机整块转子表面上感应的电流将通 过转子两端的护环形成回路流通，而护环和转子本体搭接处接触电阻 较大，所以发热更为严重，常有这个部位被烧坏和事例发生。这些均 为负序电流给发电机造成的损害。由负序电流产生1 0 0 周的交变电磁 转矩。该附加转矩同时作用在转子转轴和定子机座上，引起频率为每 秒1 0 0 次的振动，有可能损坏机座等结构。若负序电压加在三相电动 机上，将有负序电流流入电动机定子绕组，产生负序旋转磁场，这样 电动机除有对应于正序电流的正序阻抗外，还有过应的负序电流、负 序阻抗，从而使电动机损耗增加，温度上升。负序电流产生反向转矩， 从而使电动机的电磁转矩、输出功率和效率大大降低。 由于电力系统不对称运行，其负序电流在发电机中产生的负序旋 转磁场将在发电机定子绕组中产生一系列奇次谐波，在转子绕组中引 起一系列的偶次谐波，使得电力系统中电流电压的谐波分量增加。另 外，这些高次谐波电流在输电线路上流通，将会对输电线路附近平行 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 的通信线路形成干扰。另外，负序电流还可能引起继电保护负序起动 元件的频繁起动，进而可能造成继电保护的误动或损害。 牵引供电系统的负序问题主要通过换相连接来解决，但是这种换 相连接只能从一定程度上缓解负序问题。随着重载和高速铁路机车的 功率不断增加，负序问题越来越严峻，可能成为未来牵引供电所面临 的主要电能质量问题。负序的补偿相对于无功补偿更加困难，所要求 的容量比无功的补偿容量也更大。鉴于有源补偿也能发出有功的性 质，基于电力电子技术的补偿装置除了应用在无功、谐波补偿外，也 可用于负序补偿。目前，在负序检测方面研究甚少，负序问题由于是 由不平衡造成的，这种不平衡的构成是由于无功和有功两方面组成， 因此，从某种程度上说，负序的检测可以归结为无功和有功的检测， 瞬时无功功率经过改进有望能实现对负序的检测。 2 3 本章小节 本章主要分析了牵引供电系统结构的特点，受牵引供电系统特点 影响，给出了牵引电气化铁路以无功、负序、谐波为主要问题的电能 质量控制技术，从总体上总结了各种控制技术对检测技术的要求。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 1 页 第3 章基于瞬时无功功率的单相检测方法 受三相瞬时无功功率理论的启发，在单相检测电路中，采取构造方法 获得三相，再利用三相瞬时无功功率理论法是早期单相检测方法的重要途 径。主要有构造三相和构造两相垂直坐标的方法。 3 1 三相瞬时无功功率理论 对三相瞬时无功功率的深刻理解有助于研究和理解单相检测方法。 1 9 8 3 年日本学者h a k a g i 提出了瞬时无功功率理论，由此开创了基于瞬时 无功功率理论为基础的三相电路的无功、谐波、负序检测方法的研究，后 来不少人将其扩展，使得能够用于三相四线制电路，基于瞬时无功功率理 论的思想，经过改进，在单相系统中也得到了应用。现将三相瞬时无功功 率理论的基本原理表述如下。设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为 e a 、e b 、巳和t 、i b 、t ，将他们变换到两相垂直的o f 、坐标系上，得到 两相瞬时电压为e e ，两相瞬时电流为屯、f 疗，即 叫- 1 2 2 辩嘲 p - ， - 1 2 x f 3 2 定义瞬时有功功率p 、瞬时无功功率q 如下， 乏 由式3 3 易推导出两相垂直瞬时电流乞、p 如下 ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) 00 2 尼 叫撕 l o 1 一一厂il 压怄压怄 = = 1，j 1 _ 1 一-e广lll 1j 0 哆 l 1，j 和， 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 阱 e 口 e ：七e ； 吃 气2 + p 口2 e 6 气2 + 2 一e8 p 口2 + 2 ( 3 - 4 ) 基于以上理论可以推导出两种三相瞬时无功、谐波检测方法，即p 、g 法和 0 法。 3 2 构造三相法 3 2 1 构造三相法理论 在三相三线制负载平衡的三相电路中，各相电压波形相同，相位相差 1 2 0 0 ，电流与电压一样也，电流各相位相差1 2 0 0 ，要求取单相电路的检测， 较简单的做法是根据单相电路的电压或者电流，构造出一个类似的三相系 统来，这样即可使用三相电路瞬时无功功率理论。 设z ，。，t 分别为被检测单相电路的电压和电流，z ，。，u e ，甜。和乞，乇，t 分别为 根据u 。，所构造的三相电压电流瞬时值，将其变换到两相垂直坐标系下， 得 批豳 p 5 ， 擀。豳 ( 3 _ 6 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 其中， g 2 - - 厉 1一三一三 22 o 鱼一巫 22 由三相电路瞬时无功功率理论可知，所构造的三相系统的瞬时有功和瞬 时无功功率可写为： 钟： ( 3 7 ) 其中p ，q 由两部分组成，即直流分量p ，q 与交流分量p ，q 即 q j l q + q ，将其中的直流分量滤除，通过以下式子可得单相电路的瞬 时有功、瞬时无功和谐波电流。 。2 詈乏了芎专了万 ( 3 8 ) 2 后焘石 p 9 ， 乙= t 一0 一i s q ( 3 - 1 0 ) t l = f ，。- t - f 。( 3 1 1 ) 3 2 2 三相电压电流的构造方法 在3 1 1 节中给出了利用构造三相电压电流检测有功无功和谐波的基本 理论，在由已知电压电流，t ，构造“。，u b ，u 。、屯，之时，构造方法有多种， 其构造方式将影响检测性能。 构造方法1 ： 设吆= “，屯= ，将u 。分别滞后2 r d 3 ，4 r d 3 得到，心，同样将电流滞后 1j 哆 。，l 1