鐵路牽引變電所提高牽引變電所電能質(zhì)量的措施

鐵路牽引變電所提高牽引變電所電能質(zhì)量的措施

1提高用電網(wǎng)絡(luò)的幾何模型及由標(biāo)準(zhǔn)引發(fā)的技術(shù)措施牽引裝置的電源為電池，電力機(jī)車為單脈沖負(fù)荷，負(fù)序波很大，導(dǎo)致引導(dǎo)供電網(wǎng)絡(luò)的源減少，給電氣系統(tǒng)帶來(lái)負(fù)面影響。隨著《電力法》的實(shí)施,我國(guó)電力部門對(duì)電氣化鐵道供電系統(tǒng)功率因數(shù)的要求已由過(guò)去的0.85提高到0.9,并執(zhí)行“返送正計(jì)”,即過(guò)補(bǔ)償視為欠補(bǔ)償,因此如何提高功率因數(shù)在經(jīng)濟(jì)、技術(shù)方面都具有重要意義。為了提高牽引供電網(wǎng)絡(luò)的功率因數(shù),目前采用的技術(shù)措施主要是無(wú)功補(bǔ)償。對(duì)牽引變電所進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ泻芏喾N,如英國(guó)采用晶閘管投切電容器組(TSC)方式,澳大利亞采用靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)方式等。我國(guó)普遍采用的是在牽引變電所27.5kV側(cè)安裝固定并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置。2牽引變壓器中的電流、轉(zhuǎn)速和應(yīng)力并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置的原理接線如圖1所示,等值電路圖如圖2所示。圖2中,U1為電源電壓,γ1+jX1為電源內(nèi)阻抗、線路阻抗及牽引變壓器折算到低壓側(cè)每相的阻抗,U2為牽引變電所牽引側(cè)母線電壓,XC為并聯(lián)補(bǔ)償電容器組的容抗,XL為與電容器組串聯(lián)的電抗器的感抗,Z為牽引負(fù)荷阻抗,IC為并聯(lián)電容無(wú)功補(bǔ)償電流,Iq為牽引負(fù)荷電流。在牽引側(cè)安裝并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置之前,牽引變壓器中流過(guò)的電流為:Ιq=˙U1Ζ+γ1+jX1(1)Iq=U˙1Z+γ1+jX1(1)安裝補(bǔ)償裝置后,牽引變壓器中流過(guò)的電流為:Ι=˙U1Ζ(XC+XL)Ζ+XC+XL+γ1+jX1(2)I=U˙1Z(XC+XL)Z+XC+XL+γ1+jX1(2)由式(1)、(2)可看出,在并入補(bǔ)償裝置后,牽引變壓器中流過(guò)的電流由Iq減小為I,而電路的有功功率不變,無(wú)功功率減少,即Ρ=˙U1ΙqcosΦ1=˙U1ΙcosΦ2(3)Q1=˙U1ΙqsinΦ1Q2=˙U1ΙsinΦ2＜Q1P=U˙1IqcosΦ1=U˙1IcosΦ2(3)Q1=U˙1IqsinΦ1Q2=U˙1IsinΦ2＜Q1由式(3)可看出,在安裝補(bǔ)償裝置后,牽引側(cè)的功率因數(shù)可以從cosΦ1提高到cosΦ2。由圖3可見(jiàn):Ιc=ΙqsinΦ1-ΙsinΦ2=ΡU(tanΦ1-tanΦ2)Ιc=UXc=2πfCUIc=IqsinΦ1?IsinΦ2=PU(tanΦ1?tanΦ2)Ic=UXc=2πfCU所以,將功率因數(shù)從cosΦ1提高到cosΦ2,需要補(bǔ)償?shù)碾娙萘繛?C=Ρ2πfU2(tanΦ1-tanΦ2)(4)C=P2πfU2(tanΦ1?tanΦ2)(4)在牽引供電系統(tǒng)中,計(jì)算和確定并聯(lián)電容器的容量時(shí),要以牽引負(fù)荷的最大平均值為重要依據(jù)。另外,還必須考慮到母線電壓變化對(duì)電容器發(fā)出的無(wú)功功率的影響,合理選擇并聯(lián)電容裝置。3動(dòng)態(tài)濾波器svc的電抗器nf近幾年,結(jié)合國(guó)外的先進(jìn)技術(shù),我國(guó)電氣化鐵道變電所無(wú)功補(bǔ)償與諧波綜合治理提出了多種方案。這些方案通過(guò)在基波下補(bǔ)償牽引負(fù)荷的感性無(wú)功功率,以提高功率因數(shù),濾除(或抵消)指定諧波。常用的有真空斷路器投切電容器、無(wú)源補(bǔ)償器+有源補(bǔ)償器、靜止無(wú)功功率發(fā)生器(SVG)、固定電容器(FC)+可控飽和電抗器、固定電容器(FC)+電容器(TC)+電抗器(TL)調(diào)壓、靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置SVC等方案。SVC的基本類型有晶閘管可控電抗器(TCR)和晶閘管投切電容器(TSC)兩種。其中,技術(shù)經(jīng)濟(jì)較合適的有可控飽和電抗器方案、晶閘管電容器方案(TSC)、固定電容器(FC)+晶閘管可控電抗器(TCR)方案、靜止無(wú)功功率發(fā)生器方案(SVG)。下面對(duì)這幾種方案分別進(jìn)行介紹。3.1電源負(fù)半周時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通可控飽和電抗器是在前蘇聯(lián)技術(shù)的基礎(chǔ)上加以改進(jìn)而成,如圖4所示。電抗器兩柱分別繞有線圈,具有雙級(jí)小截面段,即磁閥?？煽毓鐺1、K2及二極管D連接于繞組的抽頭。當(dāng)K1、K2不導(dǎo)通時(shí),根據(jù)繞組的對(duì)稱性可知,此時(shí)電抗器類似于空載變壓器。當(dāng)電源處于正半周時(shí),K1承受正向電壓,K2承受反向電壓。當(dāng)K1被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí),電源經(jīng)繞組自耦合變壓后向電路提供滯留控制電壓和電流,同理,若K2在電源負(fù)半周時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通,也會(huì)產(chǎn)生直流控制電壓和電流,而且,控制電流的方向與K1導(dǎo)通時(shí)一致。在一個(gè)工頻周期內(nèi),2個(gè)可控硅被輪流觸發(fā)而導(dǎo)通,在繞組中形成直流電流。該直流電流使小截面磁閥分級(jí)飽和,磁阻增大。可控飽和電抗器方案基于偏磁可調(diào)原理,通過(guò)改變可控硅的觸發(fā)角來(lái)改變直流勵(lì)磁的大小,進(jìn)而改變鐵心的飽和度,達(dá)到平滑調(diào)節(jié)無(wú)功的目的。3.2tsc的特性晶閘管投切電容器的單相電路圖如圖5所示,其中2個(gè)反并聯(lián)晶閘管起著將電容器接入電網(wǎng)或從電網(wǎng)斷開(kāi)的作用,而串聯(lián)的電感主要用來(lái)抑制高次諧波。因此,當(dāng)電容器投入時(shí),TSC的電壓-電流特性就是該電容的伏安特性。TSC方案是將電容器分為幾組,每組由晶閘管閥組控制以實(shí)現(xiàn)快速無(wú)觸點(diǎn)的投切。再根據(jù)負(fù)荷的實(shí)際運(yùn)行無(wú)功量,按照一定的投切策略跟蹤負(fù)荷變化進(jìn)行投切動(dòng)作。TSC的技術(shù)較為成熟,可以國(guó)產(chǎn)化,壽命與開(kāi)關(guān)次數(shù)無(wú)關(guān),使用壽命長(zhǎng),可實(shí)現(xiàn)無(wú)暫態(tài)或少暫態(tài)投切。缺點(diǎn)是技術(shù)上比真空開(kāi)關(guān)方式復(fù)雜,一次投資高,且只能實(shí)現(xiàn)容性無(wú)功功率的階躍調(diào)節(jié)。3.3動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償方案一般來(lái)說(shuō),動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償采用的是無(wú)源諧波吸收和無(wú)功補(bǔ)償相結(jié)合的配置方案,具有濾波和補(bǔ)償雙重功能。固定電容器(FC)+晶閘管調(diào)節(jié)電抗器(TCR)方案是一種常見(jiàn)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償方案。如圖6所示,該方案由TCR、FC兩部分組成。其中TCR由控制器、晶閘管功率閥組、補(bǔ)償電抗器組成,它通過(guò)控制晶閘管的導(dǎo)通角來(lái)無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)與負(fù)荷并聯(lián)的電抗器的電流,使TCR回路產(chǎn)生可變感性負(fù)載,進(jìn)而控制其感性無(wú)功的變化。它與固定電容器補(bǔ)償相結(jié)合,可以實(shí)時(shí)補(bǔ)償負(fù)荷變化的感性無(wú)功。FC回路由電容器和濾波電抗器組成,它與晶閘管調(diào)節(jié)電抗器相結(jié)合,向系統(tǒng)提供恒定容性無(wú)功功率,兼有濾除諧波的作用。3.4動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償SVG利用交流電抗器把全控型開(kāi)關(guān)器件組成的逆變器并接至交流電網(wǎng)(如牽引變電所等),通過(guò)對(duì)逆變器交流側(cè)輸出電壓相位和幅值的適當(dāng)調(diào)整,或者直接控制其交流側(cè)電流,使該電路吸收或發(fā)出滿足要求的無(wú)功電流,以達(dá)到動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)哪康摹Ｈ鐖D7所示,理想條件下:①系統(tǒng)電壓三相平衡,正弦無(wú)諧波;②三相橋式逆變器與系統(tǒng)間連接的電抗器為純感性;③電容器C可看作已充電的電壓源Vd;④SVG無(wú)功率損耗,其交流側(cè)輸出電壓的相位可以超前或滯后于系統(tǒng)電壓,因此能夠與系統(tǒng)進(jìn)行有功、無(wú)功的交換。當(dāng)系統(tǒng)相電壓有效值保持恒定時(shí),只要控制逆變器輸出相電壓有效值的大小,即可快速、平滑地調(diào)節(jié)SVG發(fā)出(或吸收)的無(wú)功功率。與靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置(SVC)相比,SVG的調(diào)節(jié)速度更快、運(yùn)行范圍更寬、性能更優(yōu),所用電抗器和電容器的容量也大為降低(見(jiàn)表1)。3.5保護(hù)進(jìn)行晶閘管開(kāi)關(guān)該方案是一種通過(guò)晶閘管開(kāi)關(guān)裝置直接調(diào)節(jié)電容兩端電壓來(lái)調(diào)節(jié)電容無(wú)功的方法。其接線原理如圖8所示,圖中TB為輔助變壓器,一次繞組直接接于裝置的工作母線,而此繞組通過(guò)晶閘管開(kāi)關(guān)裝置VT和電容器組C串聯(lián)后再接于同一工作母線。裝置可通過(guò)斷路器QF進(jìn)行投切操作和故障切除,但QF不作為調(diào)級(jí)使用。VT裝置的晶閘管開(kāi)關(guān)由兩個(gè)反向并聯(lián)的晶閘管構(gòu)成,其作用是改變TB二次繞組的等效匝數(shù)以改變TB的變比K。改變K的同時(shí),也改變了TB二次繞組附加電勢(shì)˙E的大小,從而改變電容電壓˙Uc和無(wú)功。由圖8可見(jiàn),電容電壓˙UC=˙U-△˙E=˙U(1-Κ),電容器組發(fā)出的無(wú)功為QC=U2CXC=U2XC(1-Κ)2(5)式中K=n2/n1,n1、n2分別為TB一、二次繞組的等效匝數(shù);U為電網(wǎng)的工作母線電壓;XC為電容器組容抗。由式(5)可見(jiàn),n1不變時(shí),改變n2可改變K,從而可以調(diào)節(jié)電容器組發(fā)出的無(wú)功QC。該方法可顯著降低晶閘管的工作電壓和工作容量,控制簡(jiǎn)單。但它只能分級(jí)調(diào)節(jié)容性無(wú)功功率。3.6不同動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置的svd目前我國(guó)電氣化鐵道牽引變電所絕大部分采用固定并聯(lián)電容補(bǔ)償模式,大都采用手工投切,存在投切不及時(shí)、無(wú)功補(bǔ)償效果不好等問(wèn)題,且投切時(shí)易出現(xiàn)很高的過(guò)電壓,導(dǎo)致嚴(yán)重的供電故障。要從根本上解決問(wèn)題,最好的方法是采用性能優(yōu)良的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置SVC能夠快速、平滑地調(diào)節(jié)無(wú)功功率,以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償和快速電壓調(diào)整,是一種較為實(shí)用的、基本符合電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)特點(diǎn)和要求的無(wú)功補(bǔ)償裝置,但是SVC不可能做到瞬時(shí)無(wú)功控制?；谒矔r(shí)無(wú)功功率的概念和補(bǔ)償原理,靜止無(wú)功功率發(fā)生器SVG目前尚未大規(guī)模應(yīng)用,一方面是由于該類無(wú)功補(bǔ)償裝置的工程造價(jià)比SVC高;另一方面,此類無(wú)功補(bǔ)償裝置還有許多技術(shù)問(wèn)題有待解決。不少專家認(rèn)為,由于電力電子器件的價(jià)格會(huì)不斷下降,因此隨著造價(jià)的降低和技術(shù)的完善,在不遠(yuǎn)的將來(lái)SVG將成為無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展方向。另外,串聯(lián)可調(diào)變比變壓器的無(wú)功補(bǔ)償裝置雖然現(xiàn)在未沒(méi)有大規(guī)模應(yīng)用,但它可以做到三相獨(dú)立換級(jí),不產(chǎn)生高次諧波,因此以其獨(dú)特的無(wú)功補(bǔ)償原理和優(yōu)良的補(bǔ)償性能,相信未來(lái)也會(huì)成為無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)領(lǐng)域的重要研究課題之一。4動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置cf(1)我國(guó)牽引變電所普遍采用的固定并聯(lián)電容補(bǔ)償方式僅能補(bǔ)償固定的無(wú)功功率,容易造成輕載無(wú)功的過(guò)補(bǔ)償或重載無(wú)功的欠補(bǔ)償,導(dǎo)致系統(tǒng)功率因數(shù)降低。因此,為提高無(wú)功補(bǔ)償?shù)男Ч?有必要采用動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償方案。(2)可控電抗器方案一般在線路無(wú)車時(shí)投入,線路空載時(shí)間越長(zhǎng)損耗越大,同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生諧波。TSC方案解決了電容器組頻繁投切的問(wèn)題,但只能提供分級(jí)的容性無(wú)功功率,且其分組越多,濾波效果越差。TCR+FC型SVC方案能適應(yīng)無(wú)功功率沖擊大、變化速率快負(fù)荷,是治理系統(tǒng)電壓波動(dòng)、閃變干擾和濾除指定諧波的有效措施。但是當(dāng)補(bǔ)償器吸收很小的容性或感性無(wú)功時(shí),電抗器和電感器上有很大的諧波電流流過(guò)。(3)SVG的平衡調(diào)節(jié)特性可使?fàn)恳?fù)荷的不平衡效應(yīng)得到改善,提高牽引變壓器的容量利用率。若以并聯(lián)電容器固定補(bǔ)償為基礎(chǔ),用SVG來(lái)調(diào)節(jié)無(wú)功補(bǔ)償容量的峰谷差,這樣不僅能實(shí)現(xiàn)無(wú)功功率的平滑、連續(xù)地調(diào)節(jié),而且可減小SVG的容量,使設(shè)備投資減小。鑒于SVG所具有的良好的補(bǔ)償特性