15-牵引负荷谐波.ppt

牵引负荷的谐波,1.谐波的概念傅里叶级数是一种研究和分析谐波畸变的有效方法。通过傅里叶级数分解能够对畸变波形的各种分量进行检查。任何周期波形都可以被展开为傅里叶级数，,交直型电力牵引负荷是单相整流负荷，主要含有奇次谐波，即其电流为,式中，为次谐波电流有效值，为奇数。,2.畸变波形的数字特征,1畸变波形的方均根值周期性电流和电压的瞬时值都随时间而变，在工程实际应用中常采用方均根值这个数字特征量来衡量电流和电压的大小。以周期电流为例，它的方均根值定义为,2谐波含有率工程上常要求给出电压或电流畸变波形所含某次谐波的含有率，以便监测和采取抑制措施。电压畸变波形的第h次谐波电压含有率等于其第h次谐波电压方均根值Uh与其基波电压方均根值U1的百分比，即,电流畸变波形的第次谐波电流含有率等于其第次谐波电流方均根值与其基波电流方均根值的百分比，即,3总谐波畸变率波形畸变的程度，常以其总谐波畸变率来表示，作为衡量电能质量的一个指标。各次谐波含有率之和的平方根值称为总谐波畸变率THD（TotalHarmonicDistortion），简称畸变率DF（DistortionFactor）。电压的总谐波畸变率定义为,电流的总谐波畸变率则为,3.有关谐波的术语基波，在交流电力系统中基波频率为工频，即50HZ或60HZ(如美国、加拿大使用)。对幅度有限的周期信号均可展开为Fourier级数，那么基波可以定义为其中交流侧分量中幅值最大的，频率最低的正弦分量。广义讲，基波以外的频率信号都称之为谐波。基波整倍数频率的正弦信号分量称为谐波，而基波分数倍频的谐波称为分数谐波，其中小于1的分数对应的谐波称为次谐波，而大于1的则称为交互谐波或中间谐波。特征谐波：指定系统正常运行所产生的谐波。如电力机车产生的3、5、7、9等次谐波为其特征谐波。,4.电力系统谐波阻抗与特性电力系统谐波阻抗：系统模型中指定节点的谐波阻抗；电力系统谐波阻抗特性：指定节点的阻抗随频率变化的规律。指定节点的谐波阻抗是频率f的函数，通常可表达成,谐振：串联谐振，并联谐振,并联方式的节点阻抗,串联方式的节点阻抗,进一步选择框内的有关参数，如取基波下,，,，,，,，,并联方式：zp（f）、Rp（f）、Xp（f）,并联方式：Xp（f）Rp（f）,串、并联方式：,串联方式：zs（f）、Rs(f）、Xs（f）,发生并联谐振时，令,，将有,即,发生串联谐振时，令,，将有,即,发生并联谐振的局部，即，、的并联阻抗为，、组成的谐振环中通过的电流与通过的电流模值相同，方向相反，对外相互抵消。故并联谐振又称为电流谐振。并联谐振发生时，谐振环中的电流往往大于外施电流，即造成电流放大。因此并联谐振对元件的主要威胁是产生过电流。,在发生串联谐振的局部，即谐振支路中、上的电压模值相等，方向相反，相互抵消。这样，串联谐振又称为电压谐振。同时，、上的电压正恰为端口外施电压的Q倍，为谐振支路的品质因数。通常Q1，故串联谐振将发生、的电压放大。因此，串联谐振对元件的主要威胁是产生过电压。不论是串联谐振时产生的电压放大，还是并联谐振时产生的电流放大，在谐波下，都可称为谐波放大。,1单调谐滤波器,图5.1单调谐滤波器及其在系统的位置示意图,5综合优化补偿与滤波设计,2谐波放大若滤波支路对n次谐波呈容性。假设在负荷处加谐波电压源。,由向量图，滤波效果比没有滤波器时还差。可以说，由于滤波支路呈容性而引起了谐波放大。,为避免谐波放大，须使滤波支路对n次谐波呈感性。即,电力系统在运行时电网频率在额定频率附近波动；且电抗器、电容器参数在运行时也要发生变化。如果在初始投入时在额定频率下使，则在运行时有可能因电网频率和元件参数的变化而使滤波支路对谐波呈容性从而引起谐波放大。故设计时须满足并留有一定的裕度。在实际设计时一般把电网频率和元件参数的变化都折合成电网频率的变化，即等效成元件参数不变而电网频率发生变化。一般取等效频率波动取。,若在额定频率下满足则,恒满足,若在频率最低时满足则,恒满足,不一定满足,故设计时应满足在频率最低时对滤波支路仍呈感性。,代入，得,定义则,代入最低频率,得,滤波支路滤波率,由于得,若滤波支路对n次谐波呈感性,端口k相对无功补偿量,滤波支路的基波阻抗为,若取,代入得,分析,滤波支路n次谐波阻抗,（对低次谐波近似成立）,的大小能直接反映滤波器的滤波效果。由于单调谐滤波器不可能处于理想调谐状态即，故通常。换句话说，经滤波后通常还有一定的剩余谐波进入系统。,3滤波支路设备容量计算在滤波支路设备容量计算中，要考虑最大谐波值。设最大牵引负荷与平均负荷之比为牵引负荷系数(1)，负荷中n次谐波含有率，则,基波电气量分别为,电容器组的总有效电流、电压和容量分别为,其中,两相供电方式超前相,两相供电方式超前相,单相供电方式（相当于）,同理可得串联电抗器的技术参数,考虑到系统的随机因素很多，应取得保守一些。在电容器核和电抗器的选择过程中，除了考虑投切的暂态影响外，还有必要用支路的基波电流、电压与有关谐波分量最大值的算术和再进行校验，即为稳态运行校验，以使电容器的电流、电压都在规定的允许值之内。,安全校核为保证电容器组的正常运行，须满足,可调补偿可取得小些不可调补偿可取得大些,电容器容量增大率,电抗器容量增大率,模型1不改变总基波容性补偿功率时取得投资最小设分别为电容器组和串联电抗器的单位容量价格(元/kvar)，并取n次滤波支路基波容性无功分配系数为,则n次单调谐补偿支路的投资为,4不同次单调谐滤波支路设备容量的最佳分布及其算法为满足滤波要求，一般要安装多串多次滤波支路。为达到要求，则应在满足一定的滤波要求的前提下，将基波无功补偿容量合理安排到各补偿支路中去，并力求补偿总容量最小或设备总投资最小。,目标：,这是一个带约束条件的非线性规划问题。为方便，这里给出一工程上许可的近似解析式,约束：,并满足,从而得到所要求解的问题,结论5.1不改变总基波容性补偿功率且使补偿滤波装置总投资为最小时，各次滤波支路的基波(容性)无功分配系数，除与串联电抗器、电容器组单位价格比有关外，主要取决于各滤波支路的滤波率和调谐系数。,模型2不改变总基波容性补偿功率时取得设备容量最小此时，等效地，只要令模型1中的基波无功功率比例系数中的单价比为1，即得,结论5.2不改变总基波容性补偿功率且使补偿滤波装置总容量为最小时，各次滤波支路的基波(容性)无功分配系数主要取决于各滤波支路的滤波率和调谐系数。结论5.3当把某次单调谐滤波器支路分成组以进行分级调节补偿时，则由式看出，不论取得总投资最小还是总容量最小均应使各组容量相同，即,无功分配系数计算出以后，可直接应用以下公式计算单调谐滤波支路的技术参数,5多串多次滤波支路最佳分布,在设计过程中，其他次的单调谐滤波支路的存在使得等效的系统阻抗发生变化，也引起滤波率发生变化。,为防止在某次谐波下与系统发生并联谐振，须反复调节各单调谐滤波支路的滤波率。故补偿设计是一个反复进行的过程。,算法1给定预想滤波率(通常n7)，确定最佳技术方案。步骤1输入已知数据及给定预想滤波率，求;步骤2由电力系统与补偿滤波支路组成的网络确定实际滤波率；步骤3，转至步骤4；，用加速收敛法增大支路调谐系数，转步骤2；，用加速收敛法减小支路调谐系数，转步骤2；步骤4按确定的、等计算有关技术参数；步骤5实际电容器组和串联电抗器选择；步骤6必要的技术校验；步骤7输出有关参数及与滤波效果有关的技术指标。,算法2按电力系统与滤波支路组成的网络确定安全(上限)滤波率，从而确定综合最佳技术方案。步骤1设定，输入已知数据，赋初值；步骤2按式(8.73)确定最小调谐系数；步骤3对于选定计算模型，由确定，由网络结构参数确定；步骤4若已稳定，(最大值)，转步骤5；否则，转步骤3；步骤5根据确定的、等计算有关技术参数；步骤6实际电容器组和串联电抗器选择；步骤7必要的技术校验；步骤8输出有关参数及滤波效果的技术指标。,讨论为使滤波装置安全稳定地运行，算法2提供了强有力的保证。简单地说，算法1所给定的预想滤波率须不超过算法2限定的值，否则调谐系数可能低于安全下限值，而可能因电网频率下滑或装置参数误差使滤波支路合成阻抗滑到容性区产生谐波放大，乃至发生并联谐振，危及装置的安全运行。使用有接点开关(不可调补偿装置通常如此)时，各滤波支路投切的暂态过程产生的过电流和过电压往往比正常运行时支路中的电容器组和串联电抗器的电流和电压要高或高得多。因此，暂态过程计算是设计滤波支路所必不可少的。,重点论述了多串多次单调谐滤波装置的优化设计是基于无功、负序综合补偿基础之上的。由于基波下滤波与容性补偿相统一，故本章提出的滤波装置设计方法既适用于不可调补偿方式，也适用于可调补偿方式。所谓优化滤波，一是追求滤波装置的总投资为最小（即第1节的模型1），或滤波装置容量为最小（即第1节的模型2）；二是使无功平衡，防止无功过补偿而降低综合补偿性能及经济效益。由于这里论及的优化滤波设计方法是针对牵引变电所的单端口进行的，因此，不受接线方式的限制，具有通用性。同时，必须指出，为使滤波装置安全、稳定地运行，应