如题所述
电气化铁道电能质量综合控制研究
摘 要:作为典型的非平衡负载,电气化铁道的牵引负载给公共电网带来的谐波、负序和无功等电能质量问题不
容忽视。静止无功补偿装置(SVC)是一种减小甚至消除无功、谐波以及其他电能质量问题的有效方法。以静止
无功补偿器(SVC)为基础,对电气化铁道的电能质量问题的综合控制进行研究。
关键词:电气化铁道;电网;电能质量;综合控制
1 前言
中国的电气化铁道总里程已经突破2·4万公里,
跃居世界第二。电气化铁道具有运载能力强、行车速
度快、节约能源、对环境污染小等优点,在现代国民经
济发展中起着举足轻重的作用。
但是,由于电气化铁道牵引负载所具有的随即波
动性和不对称性,其给公共电网带来的诸如负序电流、
谐波以及无功功率等电能质量问题也引起了极大的关
注。研究如何利用有效手段治理电气化铁道牵引负载
所带来的一系列电能质量问题,确保电网中其他电力
设备的安全经济运行具有重大意义。
2 电气化铁道牵引供电系统
2·1 概述
我国的动力供电电网电压一般为110kV或者
220kV,通过牵引变压器转换为27·5kV作为牵引动力
机车的供电。现在普遍流行的牵引变压器种类主要有
单相牵引变压器、Y-D11牵引变压器、阻抗匹配牵引
变压器、Scott变压器等。我国电气化铁道采用工频交
流50Hz三相供电单相用电,其负荷牵引电力机车的
功率大,速度、负载状况变化频繁,且具有不对称的特
性,导致牵引电网具有功率因数低、谐波含量高、负序
电流大等特点,不但自身损耗大,而且对公共电网及铁
路沿线的其他电力设备也带来严重危害,必须采取有
效措施加以治理[1]。
2·2 单相变压器牵引供电网
采用单相牵引变压器的牵引供电系统拓扑结构如
图1所示[2]。
单相接线牵引网采用单相变压器供电,供电方式
又分为单相接线方式和V-V接线方式。单相接线牵
引变压器的原边跨接于三相电力系统中的两相;副边
一端与牵引侧母线连接,另一端与轨道及接地网连接。
牵引变压器的容量利用率高,但其在电力系统中单相
牵引负荷产生的负序电流较大,对接触网的供电不能
实现双边供电。所以,这种结线只适用于电力系统容
量较大,电力网比较发达,三相负荷用电能够可靠地由
地方电网得到供应的场合。另外,单相牵引变压器要
按全绝缘设计制造。而单相V-V接线将两台单相变
压器以V的方式联于三相电力系统每一个牵引变电
所都可以实现由三相系统的两相线电压供电。两变压
器次边绕组,各取一端联至牵引变电所两相母线上。
而它们的另一端则以联成公共端的方式接至钢轨引回
的回流线。这时,两臂电压相位差60°接线,电流的不
对称度有所减少。这种接线即通常所说的60°接线。
2·3 三相Y-D11变压器牵引供电网
采用三相Y-D11牵引变压器的牵引供电系统拓
扑结构如图2所示[2]。
三相Y-D11结线牵引变压器的高压侧通过引入
线按规定次序接到110kV或220kV,三相电力系统的高
压输电线上;变压器低压侧的一角c与轨道,接地网连
接,变压器另两个角a和b分别接到27·5kV的a相和b
相母线上。由两相牵引母线分别向两侧对应的供电臂
供电,两臂电压的相位差为60°,也是60°接线。因此,在
这两个相邻的接触网区段间采用了分相绝缘器。
3 SVC静止型动态无功补偿装置
3·1 SVC的发展
静止型动态无功补偿装置SVC是一种先进的高
压电网动态功率因数补偿装置。它通过提高功率因数
来节约大量的电能,同时又起到减少电网谐波、稳定电
压、改善电网质量(环境)的作用。20世纪70年代以
来,以晶闸管控制的电抗器(TCR)、晶闸管投切的电容
器(TSC)以及二者的混合装置(TCR+TSC)等主要形
式组成的静止无功补偿器(SVC)得到快速发展。SVC
可以看成是电纳值能调节的无功元件,它依靠电力电
子器件开关来实现无功调节。SVC作为系统补偿时可
以连续调节并与系统进行无功功率交换,同时还具有
较快的响应速度,它能够维持端电压恒定
3·2 SVC的工作原理及在电网中应用
TCR+TSC型SVC的基本拓扑结构见图3。它由
1台TCR、2台TSC以及2个无源滤波器组成,在实际
系统中,TSC及无源滤波的组数可根据需要设置。
TCR的工作原理是通过控制与相控电抗器连接
的反并联晶闸管对的移相触发脉冲来改变电抗器等效
电纳的大小,从而输出连续可变的无功功率。图3中
两个晶闸管分别按照单相半波交流开关运行,通过改
变控制角α可以改变电感中通过的电流。α的计量以
电压过零点为基准,α在90°~180°之间可部分导通,
导通角增大则电流基波分量减小,等价于用增大电抗
器的电抗来减小基波无功功率。导通角在90°~180°
之间连续调节时电流也从额定到0连续变化,TCR提
供的补偿电流中含有谐波分量[3]。
TSC的工作原理是根据负载感性无功功率的变化
通过反并联晶闸管对来切除或者投入电容器。这里,
晶闸管只是作为投切开关,而不像TCR中的晶闸管起
相控作用。在实际系统中,每个电容器组都要串联一
个阻尼电抗器,以降低非正常运行状态下产生的对晶
闸管的冲击电流值,同时避免与系统产生谐振。用晶
闸管投切电容器组时,通常选取系统电压峰值时或者
过零点时作为投切动作的必要条件。由于TSC中的
电容器只是在两个极端的电流值之间切换,因此它不
会产生谐波,但它对无功功率的补偿是阶跃的。
TCR和TSC组合后的运行原理为:当系统电压低
于设定的运行电压时,根据需要补偿的无功量投入适
当组数的电容器组,并略有一点正偏差(过补偿),此
时再利用TCR调节输出的感性无功功率来抵消这部
分过补偿容性无功;当系统电压高于设定电压时,则切
除所有电容器组,只留有TCR运行。
4 电网电能质量综合控制与治理
4·1 谐波抑止与无功补偿
利用SVC动态无功补偿装置对牵引供电系统的
谐波和无功进行综合治理的关键是SVC最大无功补
偿量的确定和滤波器支路的设计[3]。
SVC最大无功补偿量Qsvc应该和设计线路牵引负
荷的大小相适应,应该按电气化铁道牵引负荷的最大
有功需求以及补偿后对装设地点功率因数或在最大无
功冲击时的最大电压损耗的要求来确定,具体可以按
照式(1)、(2)来计算。
QSVC=(tanφ1-tanφ2)Pmax(1)
式中,φ1、φ2分别为补偿前后110kV电源测功率
因数角;Pmax为电铁负荷最大有功需求。
QSVC=Qfmax-ΔU%Xs(2)
式中,Qfmax为装设地点最大无功冲击;ΔU%为装
设地点最大电压损耗要求;Xs为系统阻抗。
要想达到理想的谐波抑止效果,必须综合考虑FC
滤波支路的设计,既要保证装置的安全运行,又要达到
预计的理想效果。在实际设计中,首先需要根据供电
臂中所含的谐波分量来确定FC滤波支路的组成。由
于在电力牵引负荷的谐波中, 3、5、7次谐波占了很大
的比重,所以FC滤波支路一般由3、5、7次单调谐滤
波器构成。
当最大无功补偿容量和滤波支路的组成确定后,
如何将需补无功容量合理分配到各滤波支路中,这是
非常重要的问题。如果各滤波支路的容量分配不合
理,一方面会使设备安装总容量偏大,另一方面有可能
因为某此滤波回路补偿功率偏小而发生过负荷,对设
备安全运行造成影响。
一些著名的电气公司采用的一些算法如下[6]:
如西门子公司的无功功率补偿按式(3)分配
Qc(h)=QSVCIh/h∑Ih/h(3)
式中,Qc(h)是第h次滤波支路分配的补偿容量;Ih
为供电臂第h次谐波电流。
BBC电气公司按照式(4)分配无功功率
Qc(h)=QSVC∑Ih(4)
AEG电气公司则按照式(5)分配无功
Qc(3)∶Qc(5)∶Qc(11)∶Qc(13)=2∶2∶1∶1 (5)
式中,Qc(3)、Qc(5)、Qc(11)、Qc(13)分别为第3、5、11、
13次滤波支路分配的补偿容量。
4·2 负序电流补偿
牵引电力机车产生的大量负序电流给电网中其他
的电力设备的安全、经济运行带来极大影响。SVC静
止动态无功补偿装置在补偿负序和末端电压上有着相
当高的效率。工程应用上可以选择在电网系统和负荷
上都安装SVC[5]。
在电网系统端安装应用SVC来补偿负序电流的
原则是参照斯坦梅茨法则(Steinmetz′s laws)。不管采
用哪一种牵引变压器,负序补偿的实现分为如下两步:
(1)电力因数修正。通过安装电容器件,使得每
相负荷都为电阻性。
(2)参照斯坦梅茨法则(Steinmetz′s laws),AB相
的电阻性负荷G,与BC相的电容性负荷G/ 3以及CA
相的电感性负荷G/ 3互相对称。
电流环路图和相位图分别如图4、5所示:
从图5可以明显看到线电流I·A,I·B,I·C是对称
且正序的,BC相和CA相之间的阻抗负载也可以做到
类似的对称,因此系统中的所有负序电流都可以被补
偿而消除。
现在问题的关键是如何随着牵引负荷的起伏动态
地控制补偿需要的电容和电感器组。急于数字信号处
理器(DSP)的固定电容(FC)和晶闸管控制的电抗器
(TCR)的组合得以广泛应用,如图6所示。得益于
DSP对数据信息的快速处理,补偿所需的电容和电感
参数可以被快速、精确计算得到。
5 结论与展望
本文提出的基于静止动态无功补偿装置(SVC)的
电气化铁道牵引电网电能质量综合控制与治理原理与
方案具有重要的工程意义。电气化铁道的电能质量是
一个突出且严峻的课题与难题,要求我们不断探求新
的综合补偿方法,来综合控制与治理影响电能质量的
无功、谐波、负序等因素,以提高电网电能质量,确保电
网安全、经济运行。
参考文献
[1] 李群湛.电气化铁道并联综合补偿及其应用[M].北京:中国铁道
出版社, 1993.
[2] TB/10009-2005铁路电力牵引供电设计规范[S].
[3] 王兆安.谐波抑止和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,1999.
[4] 铁道部电气化工程局电气化勘测设计院.电气化铁道设计手册牵
引供电系统[M].北京:中国铁道出版社, 1988.
[5] 安鹏,张雷,刘玉田.电气化铁道对电力系统安全运行的影响及对
策[J].山东电力技术, 2005, (4): 16-19.
[6] 马千里.动态无功补偿装置在牵引变电所的应用[J].电气化铁
道, 2008(4).
摘 要:作为典型的非平衡负载,电气化铁道的牵引负载给公共电网带来的谐波、负序和无功等电能质量问题不
容忽视。静止无功补偿装置(SVC)是一种减小甚至消除无功、谐波以及其他电能质量问题的有效方法。以静止
无功补偿器(SVC)为基础,对电气化铁道的电能质量问题的综合控制进行研究。
关键词:电气化铁道;电网;电能质量;综合控制
1 前言
中国的电气化铁道总里程已经突破2·4万公里,
跃居世界第二。电气化铁道具有运载能力强、行车速
度快、节约能源、对环境污染小等优点,在现代国民经
济发展中起着举足轻重的作用。
但是,由于电气化铁道牵引负载所具有的随即波
动性和不对称性,其给公共电网带来的诸如负序电流、
谐波以及无功功率等电能质量问题也引起了极大的关
注。研究如何利用有效手段治理电气化铁道牵引负载
所带来的一系列电能质量问题,确保电网中其他电力
设备的安全经济运行具有重大意义。
2 电气化铁道牵引供电系统
2·1 概述
我国的动力供电电网电压一般为110kV或者
220kV,通过牵引变压器转换为27·5kV作为牵引动力
机车的供电。现在普遍流行的牵引变压器种类主要有
单相牵引变压器、Y-D11牵引变压器、阻抗匹配牵引
变压器、Scott变压器等。我国电气化铁道采用工频交
流50Hz三相供电单相用电,其负荷牵引电力机车的
功率大,速度、负载状况变化频繁,且具有不对称的特
性,导致牵引电网具有功率因数低、谐波含量高、负序
电流大等特点,不但自身损耗大,而且对公共电网及铁
路沿线的其他电力设备也带来严重危害,必须采取有
效措施加以治理[1]。
2·2 单相变压器牵引供电网
采用单相牵引变压器的牵引供电系统拓扑结构如
图1所示[2]。
单相接线牵引网采用单相变压器供电,供电方式
又分为单相接线方式和V-V接线方式。单相接线牵
引变压器的原边跨接于三相电力系统中的两相;副边
一端与牵引侧母线连接,另一端与轨道及接地网连接。
牵引变压器的容量利用率高,但其在电力系统中单相
牵引负荷产生的负序电流较大,对接触网的供电不能
实现双边供电。所以,这种结线只适用于电力系统容
量较大,电力网比较发达,三相负荷用电能够可靠地由
地方电网得到供应的场合。另外,单相牵引变压器要
按全绝缘设计制造。而单相V-V接线将两台单相变
压器以V的方式联于三相电力系统每一个牵引变电
所都可以实现由三相系统的两相线电压供电。两变压
器次边绕组,各取一端联至牵引变电所两相母线上。
而它们的另一端则以联成公共端的方式接至钢轨引回
的回流线。这时,两臂电压相位差60°接线,电流的不
对称度有所减少。这种接线即通常所说的60°接线。
2·3 三相Y-D11变压器牵引供电网
采用三相Y-D11牵引变压器的牵引供电系统拓
扑结构如图2所示[2]。
三相Y-D11结线牵引变压器的高压侧通过引入
线按规定次序接到110kV或220kV,三相电力系统的高
压输电线上;变压器低压侧的一角c与轨道,接地网连
接,变压器另两个角a和b分别接到27·5kV的a相和b
相母线上。由两相牵引母线分别向两侧对应的供电臂
供电,两臂电压的相位差为60°,也是60°接线。因此,在
这两个相邻的接触网区段间采用了分相绝缘器。
3 SVC静止型动态无功补偿装置
3·1 SVC的发展
静止型动态无功补偿装置SVC是一种先进的高
压电网动态功率因数补偿装置。它通过提高功率因数
来节约大量的电能,同时又起到减少电网谐波、稳定电
压、改善电网质量(环境)的作用。20世纪70年代以
来,以晶闸管控制的电抗器(TCR)、晶闸管投切的电容
器(TSC)以及二者的混合装置(TCR+TSC)等主要形
式组成的静止无功补偿器(SVC)得到快速发展。SVC
可以看成是电纳值能调节的无功元件,它依靠电力电
子器件开关来实现无功调节。SVC作为系统补偿时可
以连续调节并与系统进行无功功率交换,同时还具有
较快的响应速度,它能够维持端电压恒定
3·2 SVC的工作原理及在电网中应用
TCR+TSC型SVC的基本拓扑结构见图3。它由
1台TCR、2台TSC以及2个无源滤波器组成,在实际
系统中,TSC及无源滤波的组数可根据需要设置。
TCR的工作原理是通过控制与相控电抗器连接
的反并联晶闸管对的移相触发脉冲来改变电抗器等效
电纳的大小,从而输出连续可变的无功功率。图3中
两个晶闸管分别按照单相半波交流开关运行,通过改
变控制角α可以改变电感中通过的电流。α的计量以
电压过零点为基准,α在90°~180°之间可部分导通,
导通角增大则电流基波分量减小,等价于用增大电抗
器的电抗来减小基波无功功率。导通角在90°~180°
之间连续调节时电流也从额定到0连续变化,TCR提
供的补偿电流中含有谐波分量[3]。
TSC的工作原理是根据负载感性无功功率的变化
通过反并联晶闸管对来切除或者投入电容器。这里,
晶闸管只是作为投切开关,而不像TCR中的晶闸管起
相控作用。在实际系统中,每个电容器组都要串联一
个阻尼电抗器,以降低非正常运行状态下产生的对晶
闸管的冲击电流值,同时避免与系统产生谐振。用晶
闸管投切电容器组时,通常选取系统电压峰值时或者
过零点时作为投切动作的必要条件。由于TSC中的
电容器只是在两个极端的电流值之间切换,因此它不
会产生谐波,但它对无功功率的补偿是阶跃的。
TCR和TSC组合后的运行原理为:当系统电压低
于设定的运行电压时,根据需要补偿的无功量投入适
当组数的电容器组,并略有一点正偏差(过补偿),此
时再利用TCR调节输出的感性无功功率来抵消这部
分过补偿容性无功;当系统电压高于设定电压时,则切
除所有电容器组,只留有TCR运行。
4 电网电能质量综合控制与治理
4·1 谐波抑止与无功补偿
利用SVC动态无功补偿装置对牵引供电系统的
谐波和无功进行综合治理的关键是SVC最大无功补
偿量的确定和滤波器支路的设计[3]。
SVC最大无功补偿量Qsvc应该和设计线路牵引负
荷的大小相适应,应该按电气化铁道牵引负荷的最大
有功需求以及补偿后对装设地点功率因数或在最大无
功冲击时的最大电压损耗的要求来确定,具体可以按
照式(1)、(2)来计算。
QSVC=(tanφ1-tanφ2)Pmax(1)
式中,φ1、φ2分别为补偿前后110kV电源测功率
因数角;Pmax为电铁负荷最大有功需求。
QSVC=Qfmax-ΔU%Xs(2)
式中,Qfmax为装设地点最大无功冲击;ΔU%为装
设地点最大电压损耗要求;Xs为系统阻抗。
要想达到理想的谐波抑止效果,必须综合考虑FC
滤波支路的设计,既要保证装置的安全运行,又要达到
预计的理想效果。在实际设计中,首先需要根据供电
臂中所含的谐波分量来确定FC滤波支路的组成。由
于在电力牵引负荷的谐波中, 3、5、7次谐波占了很大
的比重,所以FC滤波支路一般由3、5、7次单调谐滤
波器构成。
当最大无功补偿容量和滤波支路的组成确定后,
如何将需补无功容量合理分配到各滤波支路中,这是
非常重要的问题。如果各滤波支路的容量分配不合
理,一方面会使设备安装总容量偏大,另一方面有可能
因为某此滤波回路补偿功率偏小而发生过负荷,对设
备安全运行造成影响。
一些著名的电气公司采用的一些算法如下[6]:
如西门子公司的无功功率补偿按式(3)分配
Qc(h)=QSVCIh/h∑Ih/h(3)
式中,Qc(h)是第h次滤波支路分配的补偿容量;Ih
为供电臂第h次谐波电流。
BBC电气公司按照式(4)分配无功功率
Qc(h)=QSVC∑Ih(4)
AEG电气公司则按照式(5)分配无功
Qc(3)∶Qc(5)∶Qc(11)∶Qc(13)=2∶2∶1∶1 (5)
式中,Qc(3)、Qc(5)、Qc(11)、Qc(13)分别为第3、5、11、
13次滤波支路分配的补偿容量。
4·2 负序电流补偿
牵引电力机车产生的大量负序电流给电网中其他
的电力设备的安全、经济运行带来极大影响。SVC静
止动态无功补偿装置在补偿负序和末端电压上有着相
当高的效率。工程应用上可以选择在电网系统和负荷
上都安装SVC[5]。
在电网系统端安装应用SVC来补偿负序电流的
原则是参照斯坦梅茨法则(Steinmetz′s laws)。不管采
用哪一种牵引变压器,负序补偿的实现分为如下两步:
(1)电力因数修正。通过安装电容器件,使得每
相负荷都为电阻性。
(2)参照斯坦梅茨法则(Steinmetz′s laws),AB相
的电阻性负荷G,与BC相的电容性负荷G/ 3以及CA
相的电感性负荷G/ 3互相对称。
电流环路图和相位图分别如图4、5所示:
从图5可以明显看到线电流I·A,I·B,I·C是对称
且正序的,BC相和CA相之间的阻抗负载也可以做到
类似的对称,因此系统中的所有负序电流都可以被补
偿而消除。
现在问题的关键是如何随着牵引负荷的起伏动态
地控制补偿需要的电容和电感器组。急于数字信号处
理器(DSP)的固定电容(FC)和晶闸管控制的电抗器
(TCR)的组合得以广泛应用,如图6所示。得益于
DSP对数据信息的快速处理,补偿所需的电容和电感
参数可以被快速、精确计算得到。
5 结论与展望
本文提出的基于静止动态无功补偿装置(SVC)的
电气化铁道牵引电网电能质量综合控制与治理原理与
方案具有重要的工程意义。电气化铁道的电能质量是
一个突出且严峻的课题与难题,要求我们不断探求新
的综合补偿方法,来综合控制与治理影响电能质量的
无功、谐波、负序等因素,以提高电网电能质量,确保电
网安全、经济运行。
参考文献
[1] 李群湛.电气化铁道并联综合补偿及其应用[M].北京:中国铁道
出版社, 1993.
[2] TB/10009-2005铁路电力牵引供电设计规范[S].
[3] 王兆安.谐波抑止和无功功率补偿[M].北京:机械工业出版社,1999.
[4] 铁道部电气化工程局电气化勘测设计院.电气化铁道设计手册牵
引供电系统[M].北京:中国铁道出版社, 1988.
[5] 安鹏,张雷,刘玉田.电气化铁道对电力系统安全运行的影响及对
策[J].山东电力技术, 2005, (4): 16-19.
[6] 马千里.动态无功补偿装置在牵引变电所的应用[J].电气化铁
道, 2008(4).
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