论文部分内容阅读
摘要随着陇海线天兰线和谐大功率系列机车的运行，造成牵引变电所母线电压的异常波动较多。本文列举陇海线天兰线几个牵引变电所在和谐大功率系列机车的运行后出现的问题和解决方案的设想，以有极调压式高压无功补偿及谐波抑制系统在牵引变电所的应用为重点，对有级调压式高压动态无功补偿的工作原理、系统总体结构、系统优点、存在问题和APF的应用进行了阐述。
关键字 牵引变电所高次谐波 功率因数有级调压高压动态无功补偿 谐波抑制APF
1、引言
陇海线天兰线和谐（交直交）大功率系列机车的运行，虽然显著的改善了牵引供电系统的电能质量（机车本身功率因数的提高，系统网压和谐波），但与传统的电力机车（交直）相比最显著的特征是谐波特性不同，对原有电气化铁路牵引供电系统在无功补偿及谐波抑制方面产生了新的影响。
1.1存在问题举例
(1) 2010年11月份以后天兰线天水变电所静态电容补偿断路器多次因过电压、谐波过电流而频繁跳闸。三阳川变电所、甘谷变电所静态电容补偿断路器也因过电压、谐波过电流而跳闸的次数有所增加。
（2）2010年11月份以后天兰线天水变电所、三阳川变电所、甘谷变电所等所由于母线电压的瞬间升高造成27.5KV所内自用变二次输出电压的瞬间波动致使所内直流系统监控装置模块、充电机模块多次烧损。
（3）2011年6月份后鉴于和谐大功率系列机车自身无功补偿系统功率因数提高，三阳川变电所退出A相、B相电容补偿、甘谷变电所退出A相电容补偿，但致使静态补偿装置滤波功能失去作用。
（4）为保证牵引变电所交直流系统的正常运行，2011年6月份后，天兰线多座变电所退出了27.5KV自用变，投入了10KV自用变，但造成电力经营成本核算的困难，当电力10KV贯通线在检修和出现故障时，所以只能投入27.5KV自用变。
1.2母线电压波动及交直流设备烧损的原因分析：
(1)和谐系列（交直交）大功率牵引机车的主回路的两个特点对牵引供电系统影响较大， 一是高次谐波含量多（17-51次），低次谐波含量少。二是采用再生制动方式。机车谐波源的幅值是随着位置和时间变化的，并与机车运行状态有较大的关系。原有韶山系列（交直）电铁系统中，谐波的含量主要以3、5、7次谐波为主，原有静态补偿装置的滤波装置能有效地抑制3、5、7次谐波，尤其是3、5次谐波，但对高次谐波的抑制作用不明显。当接触网阻抗参数同机车匹配造成谐波电流放大时，放大了谐波电流引起电压畸变，畸变的电压进一步致使机车谐波电流增大，系统谐振过电压几率增大，当形成谐振过电压时，造成牵引变电所母线电压异常波动。
（2）和谐系列（交直交）大功率牵引机车自身无功补偿装置以使牵引供电系统功率因数大幅度提升，但固定补偿装置的补偿容量在补偿过程中是不会发生变化的，极易因无功负荷小于补偿容量而造成过补状态，会造成无功累加电量增大，严重时会引起功率因数的大幅度跌落，造成牵引变电所母线电压的异常波动。
（3）目前天兰线各变电所使用的交直流充电机的充电模块对谐波电压的抑制功能较差，整流模块工作时自身也会产生较大的电流畸变，这个畸变的电流流经电网时也会产生新的谐波电压，同时和牵引网中高次谐波电压直接叠加在交流屏交流元件上，形成过电压状态。
2、有级调压式高压动态无功补偿系统
如果补偿装置能够根据供电臂牵引负荷变化动态提供系统所需的无功补偿容量，就会避免过补现象的发生。
2.1 调压式高压动态无功补偿系统的工作原理
动态补偿是根据感性无功变化，及时调节补偿电容器发出的无功容量。改变无功总量有两种方法：一是改变投入的等效电容量，另一个是改变电容两端的电压。传统补偿方式采用的是改变投入的等效电容量的方法，调压式高压动态无功补偿系统采用的是第二种方法。
（1）
因(Xc-Xl)为固定阻抗，所以补偿容量Qc与U2为平方关系，如果我们调节电容器两端的工作电压，就可以调节电容器发出的无功总量，实现动态无功补偿。
补偿系统采用特殊设计的深度调压变压器，实现大范围动态调压。调压装置在高压无功补偿自动控制装置的控制下根据系统感性无功的变化，动态调节电容器两端的电压，通过特种调压变压器实现动态无功的馈送。由计算机构成的高压无功补偿自动控制装置，通过实时采集电网的电压、电流、功率因数，分析负荷的变化趋势、系统无功功率、系統谐波含量、电压波动情况等，利用模糊控制技术调节有载分接开关，实现动态优化补偿，并达到无功补偿容量随系统负荷无功容量的变化自动跟踪的目的。
2.2 调压式高压动态无功补偿系统总体结构
本系统主要由五部分组成：深度调压无功补偿变压器、真空有载调压开关、补偿电容器组、保护系统、测控系统。
2.1系统示意图
2.3 调压式高压动态无功补偿系统系统优点
有级调压式高压动态无功补偿装置，属高压电力系统无功补偿设备，主要特征是设有特种自耦调压变压器与有载调压分接开关配合，受控于高压无功补偿自动控制装置，根据被补偿系统感性无功功率的变化动态调节补偿电容器的工作电压实现动态无功补偿。它具有可靠性高、动态调节范围宽、容量大、系统附加损耗小、对电容没有冲击且能延长电容使用寿命、补偿电容量的调节不改变谐波吸收比等优点。
2011年1月份，天兰线天水变电所对原有静态补偿系统进行了更换改造，采用调压式高压动态无功补偿系统，自2011年2月-11月，无功补偿稳定，功率因数均值达0.97以上，有效改善了供电质量。但是，其对高次谐波抑制方面效果不明显。
3、调压式高压动态无功补偿装置在谐波抑制存在的问题
虽然调压式高压动态无功补偿装置有着诸多的优点，对滤波补偿系统滤波的影响，可忽略不计，但在设计理念上主要是进行无功功率的补偿，兼顾了3、5次谐波的滤波功能，它与传统的静态补偿装置相比只是仅仅增加了特种单项有载调压变压器，克服了欠补偿和过补偿的问题， 但对牵引供电系统高次谐波抑制方面效果不强。
4、高次谐波的抑制措施
4.1对高次谐波引起网压异常波动的治理措施，一方面是降低机车本身的高次谐波电流值，即在机车上加装RC高通滤波器等方法。二是在牵引供电系统变电所增加滤波装置。
图4.1 电气化铁道谐波、无功治理方案
4.2 有源电力滤波器在牵引供电系统的应用
采用有源电力滤波器（Active Power Filter,简称APF）是牵引供电系统谐波抑制的一个重要发展的趋势。APF是一种新型谐波和无功补偿装置，在补偿无功的同时有源滤波器能对谐波进行有效治理。其基本原理是：通过电流互感器检测负载电流，并通过内部DSP计算，提取出负载电流中的谐波成分，然后通过PWM信号发送给内部IGBT,控制逆变器产生一个和负载谐波电流大小相等，方向相反的谐波电流注入到电网中，达到滤波的目的。按照与补偿对象的连接方式，APF可分为串联型和并联型。串联型APF不能进行无功补偿，且绝缘困难，维修不变，因此，它的实用性受到限制。
大容量的有源滤波器造价高、功耗大，在实际应用中受到限制。为了获得较好的滤波特性且降低造价，人们提出了有源与无源混合滤波器方案。在混合滤波系统中，对于负载侧的谐波电流源，有源滤波器被控制为一个等效谐波阻抗，它使无源和有源滤波器总的串联谐波阻抗对各次谐波都为零，从而使所有的负载谐波电流全部流入无源滤波器支路，达到提高无源滤波器滤波效果的目的，此时有源滤波器的输出补偿电压为所有负载谐波电流流过无源滤波器时产生的电压。这样充分发挥LC无源滤波器和APF各自的优势，尽量减小APF的容量，解决了绝缘和最佳投资的问题。
5、 结束语
随着既有线电力机车的不断更新，牵引变电所现有补偿装置在高次谐波抑制方面效果差的缺点的显现，对牵引供电设备运行安全造成了严重影响。所以，如何更好的实现铁牵引变电所无功补偿，谐波治理，更好的实现环保运输节约能源消耗是当今需要考虑的关键问题。
参考文献
[1] 袁文海：高次谐波的探讨与治理方法[J]，新疆电力，2006，（1）：22-23。
[2] 王勇：补偿电容回路中加设电抗器的分析及研究[J]，建筑电气，2001，（7）：63-68。
[3] 李鲁华：电气化铁路供电系统[M]，中国铁道出版社，2008:21-38。
[4] 吕润徐：电气化铁路电力牵引机车牵引负荷的谐波分析[J]。山西电力技术，1985:4-5。
[5] 贺威俊、李群湛、刘学军：牵引变电站综合自动化与专家系统运用研究 ，[期刊论文] -铁道学报，1996(02)。
[6] 曹东白、丁树奎、杨建国：高速铁路牵引供电系统设计要点及国际合作，1995。
[7] 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。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键字 牵引变电所高次谐波 功率因数有级调压高压动态无功补偿 谐波抑制APF
1、引言
陇海线天兰线和谐（交直交）大功率系列机车的运行，虽然显著的改善了牵引供电系统的电能质量（机车本身功率因数的提高，系统网压和谐波），但与传统的电力机车（交直）相比最显著的特征是谐波特性不同，对原有电气化铁路牵引供电系统在无功补偿及谐波抑制方面产生了新的影响。
1.1存在问题举例
(1) 2010年11月份以后天兰线天水变电所静态电容补偿断路器多次因过电压、谐波过电流而频繁跳闸。三阳川变电所、甘谷变电所静态电容补偿断路器也因过电压、谐波过电流而跳闸的次数有所增加。
（2）2010年11月份以后天兰线天水变电所、三阳川变电所、甘谷变电所等所由于母线电压的瞬间升高造成27.5KV所内自用变二次输出电压的瞬间波动致使所内直流系统监控装置模块、充电机模块多次烧损。
（3）2011年6月份后鉴于和谐大功率系列机车自身无功补偿系统功率因数提高，三阳川变电所退出A相、B相电容补偿、甘谷变电所退出A相电容补偿，但致使静态补偿装置滤波功能失去作用。
（4）为保证牵引变电所交直流系统的正常运行，2011年6月份后，天兰线多座变电所退出了27.5KV自用变，投入了10KV自用变，但造成电力经营成本核算的困难，当电力10KV贯通线在检修和出现故障时，所以只能投入27.5KV自用变。
1.2母线电压波动及交直流设备烧损的原因分析：
(1)和谐系列（交直交）大功率牵引机车的主回路的两个特点对牵引供电系统影响较大， 一是高次谐波含量多（17-51次），低次谐波含量少。二是采用再生制动方式。机车谐波源的幅值是随着位置和时间变化的，并与机车运行状态有较大的关系。原有韶山系列（交直）电铁系统中，谐波的含量主要以3、5、7次谐波为主，原有静态补偿装置的滤波装置能有效地抑制3、5、7次谐波，尤其是3、5次谐波，但对高次谐波的抑制作用不明显。当接触网阻抗参数同机车匹配造成谐波电流放大时，放大了谐波电流引起电压畸变，畸变的电压进一步致使机车谐波电流增大，系统谐振过电压几率增大，当形成谐振过电压时，造成牵引变电所母线电压异常波动。
（2）和谐系列（交直交）大功率牵引机车自身无功补偿装置以使牵引供电系统功率因数大幅度提升，但固定补偿装置的补偿容量在补偿过程中是不会发生变化的，极易因无功负荷小于补偿容量而造成过补状态，会造成无功累加电量增大，严重时会引起功率因数的大幅度跌落，造成牵引变电所母线电压的异常波动。
（3）目前天兰线各变电所使用的交直流充电机的充电模块对谐波电压的抑制功能较差，整流模块工作时自身也会产生较大的电流畸变，这个畸变的电流流经电网时也会产生新的谐波电压，同时和牵引网中高次谐波电压直接叠加在交流屏交流元件上，形成过电压状态。
2、有级调压式高压动态无功补偿系统
如果补偿装置能够根据供电臂牵引负荷变化动态提供系统所需的无功补偿容量，就会避免过补现象的发生。
2.1 调压式高压动态无功补偿系统的工作原理
动态补偿是根据感性无功变化，及时调节补偿电容器发出的无功容量。改变无功总量有两种方法：一是改变投入的等效电容量，另一个是改变电容两端的电压。传统补偿方式采用的是改变投入的等效电容量的方法，调压式高压动态无功补偿系统采用的是第二种方法。
（1）
因(Xc-Xl)为固定阻抗，所以补偿容量Qc与U2为平方关系，如果我们调节电容器两端的工作电压，就可以调节电容器发出的无功总量，实现动态无功补偿。
补偿系统采用特殊设计的深度调压变压器，实现大范围动态调压。调压装置在高压无功补偿自动控制装置的控制下根据系统感性无功的变化，动态调节电容器两端的电压，通过特种调压变压器实现动态无功的馈送。由计算机构成的高压无功补偿自动控制装置，通过实时采集电网的电压、电流、功率因数，分析负荷的变化趋势、系统无功功率、系統谐波含量、电压波动情况等，利用模糊控制技术调节有载分接开关，实现动态优化补偿，并达到无功补偿容量随系统负荷无功容量的变化自动跟踪的目的。
2.2 调压式高压动态无功补偿系统总体结构
本系统主要由五部分组成：深度调压无功补偿变压器、真空有载调压开关、补偿电容器组、保护系统、测控系统。
2.1系统示意图
2.3 调压式高压动态无功补偿系统系统优点
有级调压式高压动态无功补偿装置，属高压电力系统无功补偿设备，主要特征是设有特种自耦调压变压器与有载调压分接开关配合，受控于高压无功补偿自动控制装置，根据被补偿系统感性无功功率的变化动态调节补偿电容器的工作电压实现动态无功补偿。它具有可靠性高、动态调节范围宽、容量大、系统附加损耗小、对电容没有冲击且能延长电容使用寿命、补偿电容量的调节不改变谐波吸收比等优点。
2011年1月份，天兰线天水变电所对原有静态补偿系统进行了更换改造，采用调压式高压动态无功补偿系统，自2011年2月-11月，无功补偿稳定，功率因数均值达0.97以上，有效改善了供电质量。但是，其对高次谐波抑制方面效果不明显。
3、调压式高压动态无功补偿装置在谐波抑制存在的问题
虽然调压式高压动态无功补偿装置有着诸多的优点，对滤波补偿系统滤波的影响，可忽略不计，但在设计理念上主要是进行无功功率的补偿，兼顾了3、5次谐波的滤波功能，它与传统的静态补偿装置相比只是仅仅增加了特种单项有载调压变压器，克服了欠补偿和过补偿的问题， 但对牵引供电系统高次谐波抑制方面效果不强。
4、高次谐波的抑制措施
4.1对高次谐波引起网压异常波动的治理措施，一方面是降低机车本身的高次谐波电流值，即在机车上加装RC高通滤波器等方法。二是在牵引供电系统变电所增加滤波装置。
图4.1 电气化铁道谐波、无功治理方案
4.2 有源电力滤波器在牵引供电系统的应用
采用有源电力滤波器（Active Power Filter,简称APF）是牵引供电系统谐波抑制的一个重要发展的趋势。APF是一种新型谐波和无功补偿装置，在补偿无功的同时有源滤波器能对谐波进行有效治理。其基本原理是：通过电流互感器检测负载电流，并通过内部DSP计算，提取出负载电流中的谐波成分，然后通过PWM信号发送给内部IGBT,控制逆变器产生一个和负载谐波电流大小相等，方向相反的谐波电流注入到电网中，达到滤波的目的。按照与补偿对象的连接方式，APF可分为串联型和并联型。串联型APF不能进行无功补偿，且绝缘困难，维修不变，因此，它的实用性受到限制。
大容量的有源滤波器造价高、功耗大，在实际应用中受到限制。为了获得较好的滤波特性且降低造价，人们提出了有源与无源混合滤波器方案。在混合滤波系统中，对于负载侧的谐波电流源，有源滤波器被控制为一个等效谐波阻抗，它使无源和有源滤波器总的串联谐波阻抗对各次谐波都为零，从而使所有的负载谐波电流全部流入无源滤波器支路，达到提高无源滤波器滤波效果的目的，此时有源滤波器的输出补偿电压为所有负载谐波电流流过无源滤波器时产生的电压。这样充分发挥LC无源滤波器和APF各自的优势，尽量减小APF的容量，解决了绝缘和最佳投资的问题。
5、 结束语
随着既有线电力机车的不断更新，牵引变电所现有补偿装置在高次谐波抑制方面效果差的缺点的显现，对牵引供电设备运行安全造成了严重影响。所以，如何更好的实现铁牵引变电所无功补偿，谐波治理，更好的实现环保运输节约能源消耗是当今需要考虑的关键问题。
参考文献
[1] 袁文海：高次谐波的探讨与治理方法[J]，新疆电力，2006，（1）：22-23。
[2] 王勇：补偿电容回路中加设电抗器的分析及研究[J]，建筑电气，2001，（7）：63-68。
[3] 李鲁华：电气化铁路供电系统[M]，中国铁道出版社，2008:21-38。
[4] 吕润徐：电气化铁路电力牵引机车牵引负荷的谐波分析[J]。山西电力技术，1985:4-5。
[5] 贺威俊、李群湛、刘学军：牵引变电站综合自动化与专家系统运用研究 ，[期刊论文] -铁道学报，1996(02)。
[6] 曹东白、丁树奎、杨建国：高速铁路牵引供电系统设计要点及国际合作，1995。
[7] 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。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。