电气化铁道的改进型静止动态无功补偿器.doc

电气化铁道的改进型静止动态无功补偿器摘要: 针对目前电气化铁道产生大量谐波及无功功率的现状 ,以及现有固定电容器式无功功率补偿方式常产生容性过补 ,与电网谐振、 补偿装置自身过载及滤波效果差等问题 ,提出了一种基于变压器式可控电抗器的改进型静止动态无功补偿器的新模型.在带气隙的变压器二次侧设置若干组绕组 ,每组绕组用反并联晶闸管控制其导通程度 ,可平滑连续调节可控电抗器的功率.通过改变级间容量递增系数 ,从而实现无功功率的动态补偿.这种方法具有可控电抗器不饱和、 产生谐波电流小的优点 ,变压器二次侧电压低 ,利于电力电子器件的长期可靠工程化运行.试验表明 ,设计出的模型具有良好的动态无功功率补偿性能.关键词: 电气化铁道; 无功补偿; 可调电抗器Modi f i ed st ati c var compens ator of electr i f i ed ra i lwaysAbstract: There are large harmonics and reactive power in current electrified rail ways . Moreover, the method of reactive power compensati on with fixed capacit or usually has p roblems of capacity overcompen2sati on, res onance with electric net work, compensati on device over2l oad, and l ower effect of filter . A newmodel ofmodified static var compensat or based on magnetic flux controlled adjustable react or is p roposed .Some electrical windings in secondary winding of a transfor mer with air gap, using double converter thy2rist or contr ol conducti on angle in each winding are set up. The power of adjustable react or can be s mooth2ly regulated . By changing each power step number, reactive power can be compensated in real2ti me .Thismethod hasmerit of adjustable react or unsaturated and s mall har monic current, and l ower voltage ofsecondary winding of the transformer, thus is extremely advantageous t o engineering operating of powerelectr onic device with l ong term reliability .Key words: electrified rail ways ; reactive power compensati on; adjustable react or 电气化铁道给于牵引机车的供电是采用三相变两相方式 ,所使用的电力机车是工频交流整流式电力机车 (即交直传动机车 ) ,运行中产生的谐波及无功等问题严重地威胁着电力系统和电气化铁道自身的安全运行 1 .为了解决这些问题需要动态补偿装置改善电压质量.现有的无功补偿装置大多为两相不可调并联补偿装置 ,其电抗率为 12% ,兼滤 3次谐波.由于该装置与系统的运行参数密切相关而带来无功功率过补偿、 谐振、 过载以及滤波效果变差等缺陷。采用静止动态无功补偿装置 SVC是行之有效的措施 , SVC的核心部分是晶闸管可调电抗器TCR, TCR可连续调节输入电网的感性无功功率 ,从而达到无功补偿的作用. 但其投资大、 控制电路复杂 ,高电位触发电路易出故障 ,为适应电气化铁道路线长 ,牵引站地处偏僻 ,运行维护困难的特点 ,笔者提出一种基于变压器式可控电抗器 CSRT的 TCR新模型 ,较之传统的 TCR谐波电流更小 ,功率损耗更小 ,不仅可用于电网的无功补偿 ,也可用于电网过电压限制 2 .1 改进型 SVCCSRT是一个带气隙的高短路阻抗多绕组变压器 ,改变 CSRT二次侧绕组注入电流的大小 ,便可实现变压器主磁通的连续可调 ,从而调节其电抗值 ,达到调节感性无功功率的目的 3 .改进型 SVC系统主电路原理如图 1所示 ,系统由滤波兼无功补偿的 FC支路与 CSRT组成 , CSRT一次侧接于电气化铁道牵引线 ( 2715 kV) ,二次侧设有多组绕组 (实验电路为 7组 ) ,每一组绕组串联一对反并联晶闸管 ( SCR) ,二次绕组的额定电压为0150175 kV 4 . 控制这些反并联 SCR依次导通 ,这样就使得二次绕组依次短路 ,从而使一次侧绕组电流逐渐增大 ,电抗器功率随之增大.如果只是简单地依次短接二次绕组 ,那么电抗器的功率将是不连续地分段增大.如果第 1个到第 ( n - 1)个二次绕组短路,通过控制第 n个绕组的 SCR导通角 ,就可平滑调节无功功率 ,所以 CSRT是分组平滑调节 ,总体上是连续调节 5 . 图 1 改进型 S VC系统主电路当 =/2时, SCR的导通角 =,则流过SCR的电流为正弦波,没有谐波成分.若/2 , 0,则流过 SCR的电流含有谐波成分.若 =, = 0, SCR处于完全阻断状态,没有电流流过 SCR,也不产生任何谐波.尽管 SCR处于/2 的绕组电流中含有谐波成分,从一次侧看,只要第一次投入第一组二次绕组时不采用角控制,电流谐波与总电流相比就非常小了,能满足电网对谐波电流的限制要求. 与 TCR相比,其谐波电流的量要小得多 6 .假设第 n个二次绕组处于调节状态,忽略空载激磁电流,一次侧电流为 7 式中 Kn为第 n个绕组短路时一次侧电流有效值和第 n - 1个绕组短路时一次侧电流有效值之比,假定在此期间网压不变,则 Kn分子分母同乘以 3U1 ,得Kn = ( 3U1 I 1, n ) / ( 3U1 I 1, n - 1 ) = Q1, n /Q1, n - 1( 5 )Kn就成为切换时电抗器额定容量之比,称之为级间容量递增系数.当 CSRT额定容量一定时, Kn决定了各级容量,也决定了二次侧绕组需投入的组数,决定了注入电网电流的谐波系数.2无功功率补偿所需控制级数可控电抗器可看作是一个带气隙变压器,二次侧 7组线圈的投切组数不同即可改变变压器二次侧注入电流的大小,以实现变压器主磁通的可调.其 T形等效电路如图 2所示.图 2磁通可控带气隙串联变压器的 T型等效电路铁芯中的空载磁势F1 = W1 I1W1为一次绕组匝数.该磁势产生的主磁通 mN在一次侧产生感应电动势E1 = - j4144f W1 mN = - I1 Zm ( 6 )变压器一次侧电压方程U1 = I1 Z1 - E1 ( 7 )若二次侧注入电流为 I2 ,则I2 = - kI1 = KI 2 ( 8 )为实数, 0 1,则Fr = W1 I1 +W2 I2 = (1 - )W1 I1主磁通为 (1 - ) mNE1 = - j4144f W1 (1 - ) mN = - I1 (1 - ) Zm( 9 )得U1 = I1 Z1 + (1 - ) I1 Zm (10)从一次侧看,变压器等效阻抗ZAX = U/ I1 = Z1 + (1 - ) Zm (11)也就是从一次侧看 ,变压器阻抗呈现的是一个可变量 ,通过改变值 ,可改变变压器铁芯中的主磁通 ,达到调节一次侧阻抗的目的.采用 7组线圈的方案 ,二次绕组电流可连续平滑调节 ,绕组电压降至 500 750 V,电力电子器件无需串联 ,大大提高了系统的可靠性 ,完全能适应电气化铁道无功补偿的实际工程需求 ,将极大地减小系统故障率.我国电气化铁道牵引站每牵引臂无功补偿容量在 4 000 kVAr左右 ,据此 , CSRT参数为:额定电压: 2715 kV;额定容量: 4 000 kVA;额定损耗: 80 kW;二次电压: 015 kV、 0175 kV;二次绕组分组: 7组.可控电抗器二次绕组容量及电压分组参数见表 1 .表 1 可控电抗器二次绕组分组参数3 补偿和滤波装置FC回路 (滤波兼补偿回路 ) ,吸收供电臂上的3、 5、 7等主次谐波 ,同时输出 4 000 kVAr的基波无功功率.主接线如图 3所示.图中各支路基波容量以各支路基波电抗率作为加权系数进行分配,装机容量按各支路谐波电流的大小叠加.图 3 FC回路主电路FC回路输出的基波无功功率为一定值 ( 4 000kVAr) ,无功功率的动态调整通过 CSRT调整来实现.当馈电臂负荷较轻时 ,调整 CSRT使其感抗值减小 ,感性无功增加 ,平衡过剩的容性无功 8 .当馈电臂负荷较重时 , CSRT感抗值增大 ,感性无功减小,使 SVC输出的容性无功增加.4 试验结果如图 1中在负载回路上接一单相全控整流桥,调节其角,此时线路上功率因数 = 0175,投入FC支路后 ,= 01961 .当投入不同组数的二次线圈,线路上的功率因素变化如表 2 .表 2 可控电抗器二次线圈投入组数与功率因数的关系5 结 论(1)基于 CSRT的改进型 SVC系统 ,不仅具有传统 SVC的特点 ,而且系统本身新产生的谐波很小 ,总体能连续调节.(2)对大功率双向 SCR或反并联 SCR进行移相触发控制 ,通过改变带气隙变压器二次侧注入电流的大小改变变压器的主磁通 ,可实现变压器一次侧电抗值的调节 ,从而调节向电网输出感性无功功率的大小.(3)改进型 SVC特别适合电气化铁道对无功功率补偿的要求.元件无需串联 ,适合电力电子器件耐电流能力强、 耐电压能力弱的使用特点 ,并有利于实现综合自动化管理 ,减少设备投资及维护工作