電氣化鐵道動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償畢業(yè)論文

1、課題名稱(chēng)：電氣化鐵道動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償 設(shè)計(jì)時(shí)間：2008.5 系 部：班 級(jí)：姓 名：指導(dǎo)教師：總 目 錄第一部分 任務(wù)書(shū)第二部分 開(kāi)題報(bào)告第三部分 畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告第 一 部 分任務(wù)書(shū)畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)系 部電子工程系指導(dǎo)老師職 稱(chēng)學(xué)生姓名班 級(jí)學(xué) 號(hào)03490158設(shè)計(jì)題目電氣化鐵道動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)計(jì)內(nèi)容目標(biāo)和論文要求畢業(yè)設(shè)計(jì)內(nèi)容和目標(biāo)：調(diào)查研究、查閱電氣化鐵道動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償方面的文獻(xiàn)并搜集相關(guān)資料；了解電氣化鐵道動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊蠛桶l(fā)展現(xiàn)狀；介紹本課題的設(shè)計(jì)思路，確定設(shè)計(jì)方案并加以闡述；撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告；說(shuō)明設(shè)計(jì)成果及主要參考文獻(xiàn)。畢業(yè)設(shè)計(jì)論文要求：正文要求在8000字以上；論文包括摘要、目錄、正文、參考文

2、獻(xiàn)、致謝；按學(xué)院論文統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)格式撰寫(xiě)。設(shè)計(jì)方案應(yīng)可行并具有一定的先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性。學(xué)生簽名教研室審核 第 二 部 分開(kāi)題報(bào)告畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告書(shū)學(xué)生姓名專(zhuān)業(yè)班級(jí)學(xué)號(hào)題 目電氣化鐵道動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償指導(dǎo)教師職稱(chēng)學(xué) 位題目類(lèi)別 工程設(shè)計(jì) 基礎(chǔ)研究 應(yīng)用研究 其它【課題的內(nèi)容與要求】查閱電氣化鐵道動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償方面的相關(guān)資料；了解電氣化鐵道動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償要求和發(fā)展現(xiàn)狀；確定設(shè)計(jì)方案；并進(jìn)行相關(guān)控制的電路方案設(shè)計(jì)和程序設(shè)計(jì)。繪制控制電路圖紙，撰寫(xiě)設(shè)計(jì)報(bào)告。【前言】電氣化鐵道的諧波含量多，功率因數(shù)低下，其單相獨(dú)立性又在電力系統(tǒng)中造成負(fù)序電流。無(wú)功、負(fù)序和諧波成為電氣化鐵道日趨嚴(yán)重并急需解決的問(wèn)題。電

3、氣化鐵道的特殊供電方式三相變兩相及其特殊的負(fù)荷情況，極易造成大量的諧波和無(wú)功功率。嚴(yán)重影響供電電網(wǎng)的電能質(zhì)量，同時(shí)也影響自身的正常運(yùn)行。本文介紹了用于配電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)木чl管投切電容器(TSC)的基本原理、分類(lèi)、主電路形式。針對(duì)電氣化鐵道的無(wú)功產(chǎn)生的特點(diǎn)，選用晶閘管投切電容器（TSC）來(lái)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，分別投切不同組數(shù)的晶閘管投切電容器（TSC），用MATLAB仿真出結(jié)果，通過(guò)比較選出最優(yōu)的投切組數(shù)，以提高功率因數(shù)?！痉桨傅谋容^與評(píng)價(jià)】某一時(shí)刻不同負(fù)載條件下，通過(guò)仿真結(jié)果可以求解出相應(yīng)的功率因數(shù)。比較功率因數(shù)的大小，投入3組TSC補(bǔ)償效果比較好，功率因數(shù)得到明顯提高?！绢A(yù)期的效果及指標(biāo)】電氣

4、化鐵路的無(wú)功功率補(bǔ)償，基于MATLAB的仿真結(jié)果表明:用晶閘管投切電容器(TSC)來(lái)對(duì)電氣化鐵道進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，對(duì)同一負(fù)載和不同負(fù)載的情況下，分別投入一組、兩組、三組晶閘管投切電容器(TSC)，對(duì)他們的結(jié)果進(jìn)行比較，某一時(shí)刻相同負(fù)載的情況下投入2組TSC時(shí)，以及某一時(shí)刻不同負(fù)載情況下投入3組TSC，補(bǔ)償效果比較好、功率因數(shù)較高，很好地改善了供電質(zhì)量,提高了供電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益?！具M(jìn)度安排】2008 年02月 1 日 - 2008 年2 月 20 日選題、調(diào)研、收集資料2008 年 2 月 21日 - 2008 年3 月 10 日論證、開(kāi)題2008 年3 月 11 日 - 2008 年4 月 20

5、日設(shè)計(jì)（寫(xiě)作初稿）2008 年 4 月 30 日 - 2008 年5 月 10 日修改、定稿、打印【參考文獻(xiàn)】1 伍小杰，白鑰，動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)默F(xiàn)狀和展望，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信電學(xué)院，江蘇 徐州 221008 1001-439X（2000）05-0019-04.2張巍，馬文營(yíng)，楊洪耕，電氣化鐵道諧波抑制與無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖顑?yōu)計(jì)算，四川大學(xué)電氣學(xué)院，四川 成都 610065 繼電器 第31卷 第八期 2003年8月15日.3 李夏青, 李力，牽引供電系統(tǒng)采用SV G 實(shí)現(xiàn)有源無(wú)功補(bǔ)償方法研究與仿真 ， 石家莊鐵道學(xué)院電子工程系, 河北石家莊 050043文章編號(hào): 100128360 (1999) 022

6、00462494 張軍,馬文靜，濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)總公司自動(dòng)化部逯志宏濟(jì)南鋼鐵集團(tuán)總公司，冶金自動(dòng)化2002 年第4 期.5 崔國(guó)瑋，李志民，TCR 動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償原理及濾波器參數(shù)的計(jì)算，包頭鋼鐵學(xué)院 自動(dòng)化與計(jì)算機(jī)工程系, 包頭014010 包頭鋼鐵學(xué)院學(xué)報(bào) 第4 期第284 288 頁(yè).6 曾光，阮錦生，鐘彥儒，靜止型無(wú)功補(bǔ)償TCR閥監(jiān)控系統(tǒng)的研制，西安大學(xué) 電力電子技術(shù)1995年第3期 1995.8.7 劉益良，TCT型靜止無(wú)功補(bǔ)償（SVC）裝置和2*30t電弧生產(chǎn)8 群湛，電氣化鐵道并聯(lián)綜合補(bǔ)償及其應(yīng)用M ，北京: 中國(guó)鐵道出版社, 1993.【指導(dǎo)教師意見(jiàn)】（有針對(duì)性地說(shuō)明選題意義及工作安排

7、是否恰當(dāng)?shù)龋┩馓峤婚_(kāi)題論證 修改后提交 不同意提交（請(qǐng)說(shuō)明理由）指導(dǎo)教師簽章： 年 月 日 【系部意見(jiàn)】同意指導(dǎo)教師意見(jiàn) 不同意指導(dǎo)教師意見(jiàn)（請(qǐng)說(shuō)明理由） 其它（請(qǐng)說(shuō)明）系（部）主任簽章： 年 月 日第 三 部 分畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告目 錄第一章：綜 述11.1引言11.2 電氣化鐵道的發(fā)展及特點(diǎn)21.3 無(wú)功功率補(bǔ)償簡(jiǎn)介31.4 幾種常見(jiàn)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償方式41.5 本課題研究的目的及意義8第二章：電氣化鐵道的諧波及無(wú)功102.1 電氣化鐵道102.2 交流電氣化鐵道供電方式112.3 電氣化鐵道牽引變電站諧波分析及推算12第三章：電氣化鐵道動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)253.1 TSC基本原理253.2 T

8、SC的分類(lèi)263.3 主電路273.4 無(wú)功檢測(cè)303.5 仿真與分析31結(jié) 論46致 謝47參考文獻(xiàn)48電氣化鐵道動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償摘 要電氣化鐵道的諧波含量多，功率因數(shù)低下，其單相獨(dú)立性又在電力系統(tǒng)中造成負(fù)序電流。無(wú)功、負(fù)序和諧波成為電氣化鐵道日趨嚴(yán)重并急需解決的問(wèn)題。電氣化鐵道的特殊供電方式三相變兩相及其特殊的負(fù)荷情況，極易造成大量的諧波和無(wú)功功率。嚴(yán)重影響供電電網(wǎng)的電能質(zhì)量，同時(shí)也影響自身的正常運(yùn)行。本文介紹了用于配電系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償?shù)木чl管投切電容器(TSC)的基本原理、分類(lèi)、主電路形式。針對(duì)電氣化鐵道的無(wú)功產(chǎn)生的特點(diǎn)，選用晶閘管投切電容器（TSC）來(lái)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，分別投切不同組數(shù)的晶閘管

9、投切電容器（TSC），用MATLAB仿真出結(jié)果，通過(guò)比較選出最優(yōu)的投切組數(shù)，以提高功率因數(shù)。關(guān)鍵詞：電氣化鐵道 無(wú)功補(bǔ)償 晶閘管投切電容器 功率因數(shù)Study of Dynamic Reactive power Compensation in the electric RailwayZheng can0301 telecommunicationsAbstract:The electrified railway with rich harmonics varies randomly,the power factor is too low to meet the national standard

10、s. Moreover, the negative phase sequence (nps) current is serious. It is significant and urgent to settle those problems. The special power supply way of the electrified railway-three phases are turned into two phase and special load situation, It is extremely apt to cause a large number of waves in

11、 harmony and inactive power. The paper introduces Thyristor Switched Capacitor (TSC) used in the power systems to compensate reactive power. The fundamental compensation proprinciple, classification , configuration of the main circuit.Characteristic produced to the inactive power of the electrified

12、railway, through the thyristor-switched capacitor realized the inactive power is compensation, Switched different counts with TSC, by the MATLAB emulated the result, though comparing to elect optimum switched groups, in order to improve the power factor.Keywords:electrified railways reactive power c

13、ompensation power factorthyristor-switched capacitor第一章：綜 述1.1引言隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)、尤其是大功率變流、變頻裝置在電力系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用給電力企業(yè)的電能變換帶來(lái)巨大方便，并在工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中得到了廣泛的應(yīng)用。但這些裝置功率因數(shù)往往很低，給電網(wǎng)帶來(lái)額外負(fù)擔(dān)并影響供電質(zhì)量，同時(shí)還給電網(wǎng)帶來(lái)日益嚴(yán)重的諧波污染。因此，對(duì)提高功率因數(shù)、治理諧波污染問(wèn)題的研究已經(jīng)成為電力電子技術(shù)、電力系統(tǒng)、電氣自動(dòng)化技術(shù)和理論電工等多領(lǐng)域的重大課題。無(wú)功補(bǔ)償裝置的主要作用包括提高負(fù)載和系統(tǒng)的功率因數(shù)，減少設(shè)備容量和功率損耗，穩(wěn)定電壓，提高供電質(zhì)

14、量，長(zhǎng)距離輸電中提高系統(tǒng)輸電穩(wěn)定性和輸電能力，平衡三相負(fù)載的有功和無(wú)功功率等。諧波問(wèn)題與無(wú)功功率問(wèn)題對(duì)電力系統(tǒng)和電力用戶都是非常重要的問(wèn)題，也是近年來(lái)各方面關(guān)注的熱點(diǎn)之一。諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的問(wèn)題，但是兩者間的聯(lián)系非常緊密：（1）存在諧波的情況下，無(wú)功功率的定義和諧波有密切的關(guān)系，諧波除本身的問(wèn)題之外,也影響負(fù)載和電網(wǎng)的無(wú)功功率，影響功率因數(shù)。（2）產(chǎn)生諧波的裝置同時(shí)也大都是消耗基波無(wú)功功率的裝置，如各種電力電子裝置、電弧爐的變壓器等。（3）補(bǔ)償諧波的裝置通常也都是補(bǔ)償基波無(wú)功功率的裝置，如LC濾波器、有源電力濾波器中的許多類(lèi)型多可以補(bǔ)償無(wú)功功率。電氣化鐵路具有速度快、運(yùn)輸能力強(qiáng)

15、、供電距離長(zhǎng)、節(jié)約能源與造價(jià)、牽引性能好等優(yōu)點(diǎn)，因而具有廣闊的發(fā)展前景，是世界以及我國(guó)鐵路發(fā)展的方向。但是，由于電氣化鐵路的負(fù)荷特殊，所產(chǎn)生的諧波、負(fù)序不僅影響到電鐵牽引站的供電可靠性，對(duì)當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)的安全可靠運(yùn)行也產(chǎn)生了十分不利的影響。當(dāng)前電鐵諧波的抑制的主要措施是在諧波源頭加裝LC調(diào)諧濾波器、靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC）或是有源電力濾波裝置（APF或SVC）。（1）無(wú)源濾波器裝置，即由電力電容器、電抗器、電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成的濾波裝置。由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便以及價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛的應(yīng)用，但也有不少缺點(diǎn)：a.有效材料消耗大，體積大；b.濾波要求和無(wú)功補(bǔ)償、調(diào)壓要求有時(shí)難以協(xié)調(diào)

16、；c.濾波效果不夠理想，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)較敏感；d.系統(tǒng)頻率特性變化時(shí)，在某些條件下可能和系統(tǒng)發(fā)生諧振或產(chǎn)生諧波放大，引發(fā)事故。（2）靜止無(wú)功補(bǔ)償器雖然可以根據(jù)無(wú)功功率需求量自動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，適合抑制快速變化的畸變負(fù)荷（如電力機(jī)車(chē)）所產(chǎn)生的電壓波動(dòng)和閃變，但是也必須注意它們自身所產(chǎn)生的諧波影響。（3）有源濾波器雖然在濾波效果、無(wú)功補(bǔ)償效果、抑制電壓波動(dòng)及設(shè)備體積等方面都有較大優(yōu)勢(shì)，但是其投入實(shí)用的最大障礙是設(shè)備的高價(jià)格。在電鐵牽引變電所加裝無(wú)源濾波器，不僅可以吸收諧波電流，而且也能提高功率因數(shù)和電壓質(zhì)量。濾波裝置的設(shè)計(jì)要求是以最少的投資達(dá)到最佳的補(bǔ)償與抑制效果。1.2 電氣化鐵道的發(fā)展及特點(diǎn)和傳統(tǒng)的

17、蒸汽機(jī)車(chē)或柴油機(jī)車(chē)牽引列車(chē)運(yùn)行的鐵路不同，電氣化鐵路是指從外部電源和牽引供電系統(tǒng)獲得電能，通過(guò)電力機(jī)車(chē)牽引列車(chē)運(yùn)行的鐵路。它包括電力機(jī)車(chē)、機(jī)務(wù)設(shè)施、牽引供電系統(tǒng)、各種電力裝置以及相應(yīng)的鐵路通信、信號(hào)等設(shè)備。電氣化鐵路具有運(yùn)輸能力大、行駛速度快、消耗能源少、運(yùn)營(yíng)成本低、工作條件好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)運(yùn)量大的干線鐵路和具有陡坡、長(zhǎng)大隧道的山區(qū)干線鐵路實(shí)現(xiàn)電氣化，在技術(shù)上、經(jīng)濟(jì)上均有明顯的優(yōu)越性。世界上第一條電氣化鐵路，是德國(guó)的西門(mén)子公司和哈爾斯克公司于1879年在柏林貿(mào)易展覽會(huì)上鋪設(shè)的，長(zhǎng)300米，軌距為1000毫米。此后，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、鐵路運(yùn)量的增長(zhǎng)和對(duì)能源利用率的重視，全世界電氣化鐵路營(yíng)業(yè)里程逐年

18、增加，到90年代初，在130余萬(wàn)公里的鐵路中，電氣化鐵路有18萬(wàn)公里，占鐵路總里程的13.8%。我國(guó)的鐵路電氣化工程建設(shè)，是從1958年6月開(kāi)始的。1961年8月15日，第一條電氣化鐵路-寶成線寶雞至鳳州段建成通車(chē)，運(yùn)輸效率顯著提高，揭開(kāi)了我國(guó)電氣化鐵路建設(shè)的序幕。在"內(nèi)（燃）電（力）并舉，以電為主"以及"大力發(fā)展電力牽引"方針的指導(dǎo)下，到1990年底，我國(guó)已建成16條電氣化鐵路，里程達(dá)7000公里。電氣化鐵路的牽引動(dòng)力是電力機(jī)車(chē)，機(jī)車(chē)本身不帶能源，所需能源由電力牽引供電系統(tǒng)提供。牽引供電系統(tǒng)主要是指牽引變電所和接觸網(wǎng)兩大部分。變電所設(shè)在鐵道附近，它將從

19、發(fā)電廠經(jīng)高壓輸電線送來(lái)的電流，送到鐵路上空的接觸網(wǎng)上。接觸網(wǎng)是向電力機(jī)車(chē)直接輸送電能的設(shè)備。沿著鐵路線的兩旁，架設(shè)著一排支柱，上面懸掛著金屬線，即為接觸網(wǎng)，它也可以被看作是電氣化鐵路的動(dòng)脈。電力機(jī)車(chē)?yán)密?chē)頂?shù)氖茈姽瓘慕佑|網(wǎng)獲得電能，牽引列車(chē)運(yùn)行。牽引供電制式按接觸網(wǎng)的電流制有直流制和交流制兩種。直流制是將高壓、三相電力在牽引變電所降壓和整流后，向接觸網(wǎng)供直流電，這是發(fā)展最早的一種電流制，到20世紀(jì)50年代以后已較少使用。交流制是將高壓、三相電力在變電所降壓和變成單相后，向接觸網(wǎng)供交流電。交流制供電電壓較高，發(fā)展很快。我國(guó)電氣化鐵路的牽引供電制式從一開(kāi)始就采用單相工頻（50赫茲）25千伏交流制，

20、這一選擇有利于今后電氣化鐵路的發(fā)展。隨著新技術(shù)、新材料的應(yīng)用，電氣化鐵路在數(shù)量上和質(zhì)量上都得到了很大的發(fā)展，電氣化鐵路已成為世界各國(guó)鐵路現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。1.3 無(wú)功功率補(bǔ)償簡(jiǎn)介功率因數(shù)，是對(duì)電能進(jìn)行安全有效利用的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一。從最初的因?yàn)榇罅扛行载?fù)載投入電網(wǎng)帶來(lái)的無(wú)功損耗，到后來(lái)由于各種非線性整流裝置投入電網(wǎng)帶來(lái)的諧波污染，再到現(xiàn)在的電力電子裝置尤其是開(kāi)關(guān)電源、變頻器等功率變換裝置的廣泛使用而帶來(lái)的大量諧波對(duì)電網(wǎng)的危害。無(wú)功功率補(bǔ)償裝置的主要作用是：提高負(fù)載和系統(tǒng)的功率因數(shù)，減少設(shè)備的功率損耗，穩(wěn)定電壓，提高供電質(zhì)量。在長(zhǎng)距離輸電中，提高系統(tǒng)輸電穩(wěn)定性和輸電能力，平衡三相負(fù)載的有功和無(wú)功功率

21、等。目前，國(guó)內(nèi)電網(wǎng)采用的電容補(bǔ)償技術(shù)主要是集中補(bǔ)償與就地補(bǔ)償技術(shù)。就地補(bǔ)償技術(shù)主要適用于負(fù)荷穩(wěn)定，不可逆且容量較大的異步電動(dòng)機(jī)補(bǔ)償(如風(fēng)機(jī)、水泵等)，其它各種場(chǎng)合仍主要采用集中補(bǔ)償技術(shù)。下面是幾種常用的補(bǔ)償裝置。（1）同步調(diào)相機(jī)；（2）靜止補(bǔ)償裝置，目前來(lái)看，有發(fā)展前途的主要有直流助磁飽和電抗器型、可控硅控制電抗器型和自飽和電抗器型3種。上述第二種又可分為：固定連接電容器加可控硅控制的電抗器(fixed capacitorthyristor controlled reactor，F(xiàn)CTCR)；可控硅開(kāi)關(guān)操作的電容器加可控硅控制的電抗器(thyristor switched capacitort

22、hyristor controlled reactor，TSCTCR)3。1.4 幾種常見(jiàn)的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償方式1.4.1 SVG(靜止無(wú)功發(fā)生器)目前我國(guó)電氣化鐵路牽引變電所無(wú)功補(bǔ)償裝置絕大部分采用并聯(lián)電容器固定補(bǔ)償模式。由于牽引負(fù)荷的劇烈變化,便造成輕載無(wú)功的過(guò)補(bǔ)償和重載無(wú)功的欠補(bǔ)償,其結(jié)果均造成牽引供電系統(tǒng)功率因數(shù)偏低。為解決上述問(wèn)題人們進(jìn)行了多方面的研究。研究用可關(guān)斷晶閘管(GTO)構(gòu)成無(wú)功補(bǔ)償電源(SVG)對(duì)牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑砗蛯?shí)現(xiàn)方法。在直流輸電系統(tǒng)中,可以通過(guò)調(diào)節(jié)換流器的控制角來(lái)調(diào)節(jié)無(wú)功功率, 由于用SCR構(gòu)成的換流器沒(méi)有斷流能力, 只能在控制角D為正的狀態(tài)下運(yùn)行,所以這

23、樣的換流器只能消耗感性無(wú)功功率。當(dāng)用GTO 取代SCR 構(gòu)成換流器時(shí),就可以使換流器在D 角為正或?yàn)樨?fù)的狀態(tài)下都能運(yùn)行, 這樣換流器既能發(fā)出無(wú)功功率,也能吸收無(wú)功功率, 而成為雙向可調(diào)的無(wú)功電源。由于電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)是一種三相不平衡負(fù)荷,其在三相系統(tǒng)中所產(chǎn)生的不平衡一般只在各相電壓的幅值上有些不同,而不會(huì)引起各相電壓相位的變化通過(guò)調(diào)節(jié)逆變器觸發(fā)角,可實(shí)現(xiàn)與間的相位角差的調(diào)節(jié),使SVG輸出或吸收感性無(wú)功功率, 從而有效解決了并聯(lián)電容器固定補(bǔ)償?shù)谋锥恕VG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,并可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

24、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,從而使設(shè)備投資減小。1.4.2 SVC（靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置）隨著電力電子器件的迅速發(fā)展,大功率交交變頻裝置在交流調(diào)速中得到了廣泛的應(yīng)用,但同時(shí)也出現(xiàn)了新的問(wèn)題,即對(duì)電網(wǎng)造成的污染日益嚴(yán)重,產(chǎn)生這種污染的主要原因是用電負(fù)荷的電流波形中含有沖擊無(wú)功分量和高次諧波分量。迄今為止,國(guó)內(nèi)外已研究開(kāi)發(fā)了多種使用于不同場(chǎng)合的改善電壓波形、抑制沖擊無(wú)功的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。濟(jì)鋼中厚板廠原有2套粗軋機(jī)裝置, 沒(méi)有有效的功率補(bǔ)償裝置。因此,電網(wǎng)質(zhì)量比較差,現(xiàn)在濟(jì)鋼中厚板廠二期工程中,新上精軋機(jī)2 套交交變頻裝置,電機(jī)功率2×7

25、000kW,與2套粗軋機(jī)裝置同時(shí)連接到35kV母線上,因此,若不投建無(wú)功補(bǔ)償系統(tǒng),生產(chǎn)時(shí),系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的沖擊和污染是可想而知的。根據(jù)濟(jì)鋼電網(wǎng)的實(shí)際,對(duì)軋機(jī)負(fù)荷交交變頻對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的無(wú)功與諧波進(jìn)行了分析,并據(jù)此提出電網(wǎng)靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置(SVC)的技術(shù)方案,利用國(guó)外先進(jìn)技術(shù),由德國(guó)西門(mén)子設(shè)計(jì)、制造SVC靜止型動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置。SVC 系統(tǒng)的晶閘管功率模塊采用世界先進(jìn)的直接光觸發(fā)晶閘管(LTT)。LTT使用的技術(shù)類(lèi)似于電觸發(fā)的晶閘管(ETT),與電觸發(fā)晶閘管不同之處在于LTT晶閘管的陶瓷不是由門(mén)套管填充,觸發(fā)的光脈沖通過(guò)金屬接點(diǎn)直接施加到硅片的中心。LTT不需要高電勢(shì)的輔助能源或邏輯電路,因此一個(gè)

26、晶閘管模塊的元件數(shù)量減少了90%。LTT沒(méi)有內(nèi)部門(mén)接點(diǎn),特別是晶閘管故障無(wú)需機(jī)械彈簧。而長(zhǎng)年操作后彈簧會(huì)出現(xiàn)疲勞,通過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)操作10多年后在某些情況下,會(huì)發(fā)生晶閘管爆炸事故,門(mén)接點(diǎn)是此類(lèi)故障的原因。取消了晶閘管電勢(shì)門(mén)驅(qū)動(dòng)單元也就取消了部分放電的電勢(shì)源和電磁干擾(EMI)。全部單個(gè)晶閘管的保護(hù)集成在LTT本身,使用過(guò)電壓保護(hù)預(yù)觸發(fā)控制,產(chǎn)生觸發(fā)功率的激光二極管的壽命經(jīng)實(shí)驗(yàn)超過(guò)40年。1.4.3 TCR（晶閘管相控電抗型無(wú)功補(bǔ)償裝置）隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,大功率變流裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛，這些裝置給電力變換帶來(lái)方便,但同時(shí)造成系統(tǒng)功率因數(shù)降低,電壓波形畸變嚴(yán)重,成為電網(wǎng)“公害”。為此,

27、各國(guó)專(zhuān)家在無(wú)功功率補(bǔ)償、功率因數(shù)改善、濾除諧波、提高供電質(zhì)量等方面作了許多研究1近年來(lái)發(fā)展并成功應(yīng)用的TCR(Thyristo r Con t ro lled Reacto rs, 晶閘管控制電抗器)。目前，在國(guó)內(nèi)許多超高壓輸電系統(tǒng)以及使用電弧爐、軋鋼機(jī)等無(wú)功功率波動(dòng)較大的場(chǎng)合，經(jīng)常采用SVC裝置。用以改善供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，抑制電壓閃變，抑制系統(tǒng)的過(guò)電壓和諧波，改善其動(dòng)態(tài)特性，提高負(fù)荷的功率因數(shù)。為了保證SVC裝置正常工作，則需監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)靜補(bǔ)償裝置特別是TCR閥的運(yùn)行狀態(tài)。TCR動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償器包括三個(gè)組成部分：（1）濾波器組由5套單頻調(diào)諧濾波器H2H6和1套高通濾波器H7組成1每套為三線

28、制Y接線，其作用為提供恒定的超前基波無(wú)功(容性無(wú)功),并吸收負(fù)載和補(bǔ)償器本身所產(chǎn)生的諧波。（2)TCR即晶閘管控制的線性電抗器TCR起著穩(wěn)定器的作用, 產(chǎn)生可調(diào)的滯后基波無(wú)功(感性無(wú)功),與濾波器組的恒定超前無(wú)功一起輸出可控的超前無(wú)功以補(bǔ)償負(fù)載動(dòng)態(tài)無(wú)功的需求與電抗器串聯(lián)的2個(gè)反并聯(lián)晶閘管組來(lái)控制電抗器中的電流,當(dāng)它的相位控制角最大時(shí)為全關(guān)斷狀態(tài),補(bǔ)償器輸出最大容性無(wú)功；當(dāng)相位控制角最小時(shí),由于電抗器的滯后無(wú)功和濾波器組的超前無(wú)功相互抵削。(3)調(diào)節(jié)控制單元這個(gè)單元的功能是依據(jù)一定的調(diào)節(jié)方式,檢測(cè)負(fù)荷、電壓、功率因數(shù)等參數(shù)作為輸入信號(hào),用以改變晶閘管的相位角,從而控制補(bǔ)償器向系統(tǒng)提供的容性無(wú)功。

29、TCR由于電網(wǎng)電壓較高，因此每個(gè)晶閘管串聯(lián)而成。監(jiān)控系統(tǒng)主要是在運(yùn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)六相閥上晶閘管元件的狀態(tài)，以確保無(wú)功補(bǔ)償裝置安全可靠的運(yùn)行。目前，無(wú)功靜止補(bǔ)償裝置的市場(chǎng)形式很好，所以監(jiān)控系統(tǒng)的微機(jī)變化是很有意義的，由于微控系統(tǒng)占有性能價(jià)格比的優(yōu)勢(shì)，可以大大的提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力8。1.4.4 TCT型SVC現(xiàn)代超高功率和高功率電爐，由于容量大，給電網(wǎng)造成很大影響：注入電網(wǎng)的諧波電流超過(guò)允許值；無(wú)功負(fù)荷的強(qiáng)大沖擊引起電網(wǎng)電壓劇烈波動(dòng)；影響企業(yè)功率因數(shù)等。這些不良影響使電網(wǎng)電能質(zhì)量惡化,不僅危害電氣設(shè)備的安全運(yùn)行，而且使電弧爐煉鋼的產(chǎn)量下降，成為電網(wǎng)的主要公害。為了抑制這些公害,改善電網(wǎng)電能質(zhì)量，國(guó)外廣泛

30、采用SVC。我國(guó)從80 年代開(kāi)始對(duì)SVC進(jìn)行研究,并先后試制出SVC產(chǎn)品。我廠煉鋼分廠就應(yīng)用了國(guó)產(chǎn)的第一套TCT型SVC裝置，取得了良好的效果。TCT型SVC裝置由高阻抗變壓器、濾波器和晶閘管功率調(diào)節(jié)器三部分組成。高阻抗變壓器在SVC裝置中作為感性元件，用來(lái)吸收無(wú)功功率，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與通常的變壓器基本相同,不同之處是短路阻抗很大,=75%,高阻抗變壓器的一次線圈接成“”形,是為了消除三次諧波等,二次線圈接成“Y”,晶閘管按三相交流調(diào)功器接線,實(shí)際上是一個(gè)負(fù)載短路了的三相反并聯(lián)接線。三相各自經(jīng)過(guò)零線形成回路,各相晶閘管獨(dú)立換流,避免了相間的相互干擾,具備分相調(diào)節(jié)的功能。濾波器在TCT 型SVC裝

31、置中作為容性元件,有H2、H3、H4、H5四組諧波濾波器,它對(duì)于基波是容性無(wú)功發(fā)生源,提高功率因數(shù),同時(shí)兼作高次諧波電流的濾波器,用以吸收電弧爐和晶閘管功率調(diào)節(jié)器本身產(chǎn)生的高次諧波等。經(jīng)過(guò)對(duì)TCT型SVC裝置抑制諧波電流、消除電壓波動(dòng)理論等方面分析后,從實(shí)際投運(yùn)2年多時(shí)間看,TCT型SVC裝置減少了電弧爐煉鋼對(duì)供電電網(wǎng)的影響。本設(shè)備在以下幾方面有顯著作用;(1)減少了電網(wǎng)的電壓波動(dòng)，補(bǔ)償后電弧爐煉鋼的220kV系統(tǒng)電壓和35kV系統(tǒng)電壓基本不變。(2)提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)。目前的運(yùn)行統(tǒng)計(jì)報(bào)表表明,未裝TCT型SVC設(shè)備前的功率因數(shù)為左右,而投入運(yùn)行后的功率因數(shù)達(dá)到。(3)濾波后,35kV 母線

32、在電弧爐煉鋼時(shí)綜合電壓總畸變小于2%,H2、H3、H4 、H5四組濾波器注入電網(wǎng)系統(tǒng)的諧波電流從I2(2次諧波電流)I5(5次諧波電流)95%概率值分別為、8A,均在允許值內(nèi),濾波效果非常明顯。綜上所述,TCT型SVC裝置在抑制諧波電流和消除電壓波動(dòng)及提高功率因數(shù)等方面的效果非常顯著,發(fā)揮了各自的作用，各項(xiàng)綜合技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。1.4.5 TSC(晶閘管投切電容器)電氣化鐵道負(fù)荷變化劇烈，無(wú)功功率和電流隨機(jī)波動(dòng)。由于電容器組耐受沖擊次數(shù)及機(jī)械開(kāi)關(guān)自身特性等限制，可調(diào)無(wú)功補(bǔ)償不會(huì)選用機(jī)械開(kāi)關(guān)(如真空斷路器等)。目前，國(guó)外一些國(guó)家開(kāi)始采用晶閘管交流開(kāi)關(guān)來(lái)改變補(bǔ)償裝置的無(wú)功出力,同時(shí)濾出一定量

33、的諧波。其中在電力系統(tǒng)中使用最多、最著名的便是靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC),它有可調(diào)電抗器和晶閘管投切電容器(TCR+TSC)方式和晶閘管投切電容(TSC)。TCR+TSC方式投資較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且TCR有損耗，產(chǎn)生一定量諧波;TSC是SVC的簡(jiǎn)化方式，按單調(diào)諧設(shè)計(jì)多組某次或某幾次濾波器，基波下各支路呈容性，由晶閘管投切電容器組，分級(jí)改變補(bǔ)償裝置的無(wú)功出力；某次諧波下偏調(diào)諧，兼濾該次諧波。因其裝置壽命與投切次數(shù)無(wú)關(guān)，且投切的暫態(tài)過(guò)程很小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，響應(yīng)速度快，不產(chǎn)生諧波。所以它是適用于電氣化鐵道特點(diǎn)和要求,最具應(yīng)用前景的經(jīng)濟(jì)實(shí)用裝置。帶有降壓變壓器的TSC及補(bǔ)償支路單調(diào)諧濾波器設(shè)計(jì)方法：正常網(wǎng)壓范

34、圍內(nèi), 由于機(jī)車(chē)自身的調(diào)節(jié)功能，兩條饋線之間的相互影響甚微，可認(rèn)為牽引變電所各供電臂的取流具有單相獨(dú)立性，可分別對(duì)兩負(fù)荷端口進(jìn)行n次單調(diào)諧濾波器的設(shè)計(jì)。在牽引變電所的負(fù)荷端口設(shè)置的單調(diào)諧濾波補(bǔ)償支路由C2L串聯(lián)而成，通常對(duì)n 次諧波從感性區(qū)域接近串聯(lián)諧振，使該次諧波下支路阻抗呈感性，以至不會(huì)出現(xiàn)濾波支路與系統(tǒng)的感性阻抗發(fā)生諧振，導(dǎo)致諧波放大；但在基波下呈容性，可用于基波下無(wú)功、負(fù)序的補(bǔ)償；考慮到工程上簡(jiǎn)單可行，兩臂每組TSC采用相同結(jié)構(gòu)；另外，由于降壓變壓器漏抗的影響，隨著投入TSC的組數(shù)增加，包括降壓變壓器在內(nèi)的補(bǔ)償支路(5、7)次諧波容抗降低。因此,為了避免補(bǔ)償支路在(5、7)次諧波下出現(xiàn)

35、容性，而導(dǎo)致與系統(tǒng)發(fā)生諧振引起諧波放大，補(bǔ)償支路濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)以一組為基礎(chǔ)。無(wú)功“返送正計(jì)”的計(jì)量方式下，當(dāng)饋線負(fù)荷空載概率較高時(shí)，應(yīng)放棄使用原有固定補(bǔ)償模式，完全采用TSC可調(diào)電容補(bǔ)償，根據(jù)無(wú)功大小動(dòng)態(tài)投入或切除一定組數(shù)的補(bǔ)償支路，避免FIX長(zhǎng)期投入而造成的空載下大量無(wú)功返送；如果空載概率不高，在原有固定補(bǔ)償模式下，過(guò)補(bǔ)償不嚴(yán)重，則從投資和更好地兼顧濾波起見(jiàn)，應(yīng)考慮采用FIX+TSC方式。要解決目前電氣化鐵道牽引變電所功率因數(shù)過(guò)低的問(wèn)題,必須采用可調(diào)補(bǔ)償。1.4.6 幾種常見(jiàn)的補(bǔ)償方式的比較名稱(chēng)可控飽和電抗器TSCTCRTCT響應(yīng)方式(ms)60201010調(diào)節(jié)方式連續(xù)階梯連續(xù)連續(xù)諧波大（5

36、次25%，7次10%）無(wú)?。?次5%，7次2.7%）同左損耗大（46%）小?。?2%）小噪音大小小小設(shè)計(jì)方式需降壓變壓器同左需降壓變壓器1.5 本課題研究的目的及意義隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，以及各種用電設(shè)備接入電網(wǎng)消耗大量的無(wú)功，無(wú)功不足和電壓波動(dòng)大的問(wèn)題日益突出。這時(shí)僅靠調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的手段已經(jīng)不能滿足要求。從20世紀(jì)初開(kāi)始，人們就對(duì)無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，為改善負(fù)荷功率因素，逐步采用了同步調(diào)相機(jī)、并聯(lián)電容器、并聯(lián)電抗器、串聯(lián)電容器、現(xiàn)代靜止補(bǔ)償器等無(wú)功補(bǔ)償手段?？刂品绞揭灿屑惺娇刂?、分散控制和關(guān)聯(lián)控制等方式，控制策略更是從經(jīng)典控制轉(zhuǎn)入了智能控制。電氣化鐵路是重要的電力用戶，其無(wú)

37、功問(wèn)題也一直很?chē)?yán)重。提高電氣化鐵路功率因數(shù)有兩種方法：一是提高負(fù)荷（電力機(jī)車(chē)）的功率因數(shù)，這可通過(guò)改造原有電力機(jī)車(chē)或研制高功率因數(shù)的電力機(jī)車(chē)來(lái)實(shí)現(xiàn)；二是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、調(diào)節(jié)系統(tǒng)的無(wú)功功率，使功率因數(shù)始終保持較高值。前一種方式由于需要大量的資金，短時(shí)間內(nèi)還不能實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在比較常用的無(wú)功補(bǔ)償裝置有兩種：一是開(kāi)關(guān)投切電容器組；二是使用晶閘管控制電抗器（TCR）諧波含量大。本課題的主要目的是：對(duì)無(wú)功補(bǔ)償裝置的控制方案進(jìn)行研究，確定一種更有效的、對(duì)電網(wǎng)更有利的控制方式；用晶閘管投切電容器（TSC）對(duì)電氣化鐵道的無(wú)功功率補(bǔ)償進(jìn)行研究。第二章：電氣化鐵道的諧波及無(wú)功2.1 電氣化鐵道電氣化鐵道是以電能作為牽力的一種

38、現(xiàn)代化運(yùn)輸工具，它的發(fā)展史有一百多年。在電氣化鐵道上的列車(chē)由電力機(jī)車(chē)牽引，電力機(jī)車(chē)本身不帶生產(chǎn)能量的裝置，也不能儲(chǔ)備燃料，所需的電能由電力部門(mén)供給的。先由發(fā)電廠、站把電能經(jīng)過(guò)電網(wǎng)輸送到區(qū)域變電所，再經(jīng)過(guò)高壓輸電線路部門(mén)的牽引變電所，然后用饋電線將它饋送到架設(shè)在鐵路線上方的接觸網(wǎng)上，并以回流連接線與鋼軌連接，構(gòu)成回路。電路機(jī)車(chē)通過(guò)受電弓及車(chē)輪，與接觸網(wǎng)導(dǎo)線軌道接觸，機(jī)車(chē)受電（見(jiàn)圖2.1）。上述鐵路牽引變電所、饋電線、接觸網(wǎng)、軌道回路等稱(chēng)作電氣化鐵道的牽引供電系統(tǒng)。在電氣化鐵道的牽引供電系統(tǒng)中，根據(jù)電流和電壓的不同，大致可分為直流制和交流制兩種供電方式。在交流牽引供電制中又可分為低頻單相交流制和工

39、頻單相交流制兩種。低頻單相交流制出現(xiàn)在本世紀(jì)初，采用的頻率和供電電壓為16.67HZ1500V。在德國(guó)、瑞士、奧地利、挪威等電氣化發(fā)展比較早的國(guó)家里，至今仍全部或大部分采用這種供電制；而美國(guó)則采用的是25HZ1100V。目前，低頻單相交流制約占世界電氣化鐵路的17.5%。雖然它具有交流制的許多優(yōu)點(diǎn)，但由于它采用的頻率較低，與目前廣泛使用的50或60HZ的工業(yè)頻率不一致，不能直接利用50或60HZ工頻三相交流電，而需要在變電所設(shè)置復(fù)雜的頻率交換裝置，或建立鐵路專(zhuān)用低頻發(fā)電廠。因而，低頻單相交流制在世界上沒(méi)有得到廣泛采用。50或60HZ工頻單相交流制是近四十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種供電方式。在這種供電方

40、式中牽引變電所將三相交流電中的一相送至接觸網(wǎng)上。將交流電的大容量整流器是裝在機(jī)車(chē)上的，在電力機(jī)車(chē)上仍然用直流串激電動(dòng)機(jī)。工頻單相交流制排除了直流制和低頻單相交流制的缺陷，能直接從具有巨大容量的電力系統(tǒng)取得電能，它是牽引供電方式中的后起之秀，發(fā)展很快，采用的國(guó)家越來(lái)越多，現(xiàn)在已占世界電氣化鐵路的32.5%。2.2 交流電氣化鐵道供電方式我國(guó)電氣化鐵道采用工頻單相交流制。其供電系統(tǒng)可見(jiàn)圖2.1，其中牽引變電所將110或220千伏三相電變成27.5千伏單相，經(jīng)饋電線送往接觸網(wǎng)。牽引變電所沿電氣化鐵道分布，兩個(gè)牽引變電所之間，為了使其安全可靠地供電，通常在中間斷開(kāi)，分為互相絕緣的兩部分，每一部分稱(chēng)一個(gè)

41、供電分區(qū)，又稱(chēng)為供電臂。在其供電臂的末端即在兩個(gè)供電臂交界處設(shè)有分區(qū)亭，裝有分相裝置及短路器，對(duì)接觸網(wǎng)起到分段與保護(hù)的作用。下面介紹牽引變電所向接觸網(wǎng)供電方式。一、 按供電臂的接線方式分區(qū)（一）單邊供電在電氣化鐵道上行駛的電力機(jī)車(chē)，只接受某一方向變電所提供的電，稱(chēng)為單邊供電。由于單邊供電在接觸網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)。只影響本供電臂，波及范圍小，而且饋電線保護(hù)裝置也比較簡(jiǎn)單。（二）雙邊供電在電氣化鐵道上行駛的電力機(jī)車(chē)，接受兩個(gè)不同方向變電所提供的電流，稱(chēng)為雙邊供。采用這種供電方式，機(jī)車(chē)由兩個(gè)變電所取流，牽引變電所的負(fù)荷較均勻，電能損失小，供電質(zhì)量好，但是接線及繼電保護(hù)裝置較復(fù)雜，在有故障時(shí)，兩供電臂同時(shí)停

42、止工作。因此，目前我國(guó)采用的是單邊供電方式。二、按對(duì)周?chē)h(huán)境有無(wú)防護(hù)效果及防護(hù)設(shè)備的形式分（一）直接供電方式這種供電方式以承力索和接觸導(dǎo)線并聯(lián)組成接觸網(wǎng)作為饋電線，以鋼軌和大地作為回流單線。（二）吸流變壓器供電方式將容量為數(shù)百千伏安，變比為1：1的電力變壓器每隔2-4公里設(shè)置于牽引供電回路中，它能迫使由大地返回變電所的機(jī)車(chē)電流絕大部分經(jīng)由鋼軌及回流線流回牽引變電所。這種供電方式稱(chēng)為吸流變壓器供電方式，簡(jiǎn)稱(chēng)BT供電方式。（三）自藕變壓器供電方式由自藕變壓器、正饋線、接觸導(dǎo)線、鋼軌和保護(hù)導(dǎo)線組成的牽引供電系統(tǒng)，它也能迫使絕大部分機(jī)車(chē)電流經(jīng)由鋼軌及回流線流回牽引變電所。這種供電方式稱(chēng)為自藕變壓器供電

43、方式，簡(jiǎn)稱(chēng)為AT供電系統(tǒng)。以上簡(jiǎn)介餓牽引供電的不同供電方式，我國(guó)主要采用的的是單邊供電系統(tǒng)，其中直供、吸流變壓器和自藕變壓器供電方式都投入了實(shí)際使用。2.3 電氣化鐵道牽引變電站諧波分析及推算我國(guó)約有3000kM的電氣化鐵路，其電力機(jī)車(chē)為單相27.5kM交流電，由專(zhuān)用牽引變壓器提供，一次側(cè)三相進(jìn)線連接到110Kv電力網(wǎng)，二次側(cè)輸一般牽引變壓器為三相變兩相變壓器出則為兩獨(dú)立的單相27.5kV交流電，每路各承擔(dān)一組牽引供電臂，每一供電臂上可同時(shí)有多輛電力機(jī)車(chē)運(yùn)行。由于電力機(jī)車(chē)為非線性整流負(fù)荷，從而產(chǎn)生諧波電流經(jīng)牽引網(wǎng)傳輸至供電臂首端疊加后注入牽引變壓器饋入電力電網(wǎng)，及每一牽引變壓器都是一個(gè)動(dòng)態(tài)的諧

44、波源，每一個(gè)牽引臂的負(fù)荷(電力機(jī)車(chē))是隨時(shí)變動(dòng)的，無(wú)功功率也是變化的，導(dǎo)致末端電壓變化較大影響電力機(jī)車(chē)出力，不采用補(bǔ)償措施時(shí)，功率因數(shù)大約在0.50.7,年罰款量很大。若不加以處理，將嚴(yán)重污染電網(wǎng)質(zhì)量。2.3.1 諧波分析在各種機(jī)車(chē)運(yùn)行方式下，對(duì)供電臂送端總電流的諧波含有率進(jìn)行實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)，作為諧波計(jì)算的依據(jù)，韶山型統(tǒng)計(jì)值如表HRI為前H次諧波的總畸變率：(1)RI10020表2.1供電臂諧波電流含有率實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)值設(shè)供電臂實(shí)測(cè)統(tǒng)計(jì)的各次諧波電流含有率為當(dāng)已知供電臂電流為I時(shí)，略去H次以上的諧波，注入牽引變壓器的前H次諧波電流及總量按下式計(jì)算：(2)(3)(4)輸入電網(wǎng)系統(tǒng)不

45、平衡諧波的特點(diǎn)：(1)特征諧波均為奇次諧波。(2)兩臂有機(jī)車(chē)時(shí)，輸入系統(tǒng)的所有不平衡諧波（包括奇波h=1），分為3類(lèi)：令m=0,1,2,，則h=3m+1為正序諧波（相序?yàn)锳,B,C）；h=3m+2為負(fù)序諧波（相序?yàn)锳,C,B）；h=3m+3時(shí)，當(dāng)兩臂電流初相角相等時(shí)為年零序不平衡諧波，其相角兩相同一相反相。當(dāng)只有一臂有機(jī)車(chē)時(shí)，相當(dāng)于低壓測(cè)施加餓一個(gè)單相諧波源，各次諧波均為零序不平衡諧波。(3)各次諧波序電流均可分解為正序分量和負(fù)序分量。而沒(méi)有零序分量，在兩相和單相負(fù)荷供電方式之下，低壓側(cè)各次三相諧波量和為零，均不含零序分量。所以變壓器繞組對(duì)機(jī)車(chē)諧波電流無(wú)任何阻擋作用，全部機(jī)車(chē)諧波電流注入電力電

46、網(wǎng)系統(tǒng)。以普遍采用的Y/d11接線牽引變壓器為例，如圖2.2所示，設(shè)系統(tǒng)電壓為三相對(duì)稱(chēng)正弦波，兩供電臂相位差為，以超前相電壓為參考，兩臂h次諧波電流的復(fù)數(shù)形式為: (5) (6) (7)式中即b臂、a臂參照與各自供電臂電壓的h次諧波初相角圖2.2 Y/d11牽引變壓器供電系統(tǒng)把各自的三相諧波放在各自的復(fù)數(shù)平面上，用對(duì)稱(chēng)分量計(jì)算，牽引變壓器的接線組別和變比K對(duì)諧波的變換作用與基波相同，高壓側(cè)輸入電力系統(tǒng)的諧波序分量電流及線電流為 (8) (9)將式(5)、式(6)代入式(8)、式(9)可得各次諧波電流的數(shù)值和相位，數(shù)值計(jì)算式為： (10) (11) (12) (13) (14)經(jīng)換相后的牽引變壓

47、器，可用上列各式輪換計(jì)算。當(dāng)與系統(tǒng)反相序連接時(shí)須將代以，使其成為負(fù)相序，且式(10)(14)中參照系統(tǒng)相序的正、負(fù)序諧波電流計(jì)算式應(yīng)對(duì)換；當(dāng)時(shí)三相線電流和上述序電流的各次諧波式不變。2.3.2 諧波源對(duì)電網(wǎng)的影響主要諧波源是電力機(jī)車(chē)，應(yīng)根據(jù)負(fù)荷率和每臂機(jī)車(chē)數(shù)量等數(shù)據(jù)對(duì)各機(jī)車(chē)產(chǎn)生的諧波電流進(jìn)行合成，等效出諧波電流源，按無(wú)功補(bǔ)償要求和需要濾除的諧波確定支路數(shù)和裝機(jī)容量。 Y/d11接線牽引變壓器換相連接方式牽引站序號(hào)123456系統(tǒng)序號(hào)ABCABCABCABCABCABC變壓器序號(hào)ABCACBBCACBACABBAC2.3.2 諧波源對(duì)電網(wǎng)的影響主要諧波源是電力機(jī)車(chē)，應(yīng)根據(jù)負(fù)荷率和每臂機(jī)車(chē)數(shù)量等數(shù)

48、據(jù)對(duì)各機(jī)車(chē)產(chǎn)生的諧波電流進(jìn)行合成，等效出諧波電流源，按無(wú)功補(bǔ)償要求和需要濾除的諧波確定支路數(shù)和裝機(jī)容量。衡量電氣化鐵道電網(wǎng)諧波是否超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)允許值，根據(jù)以下兩項(xiàng)來(lái)判斷：(1)牽引變電站注入電力諧波電流的95%概率值的最大一相值是否超過(guò)國(guó)標(biāo)限值。(2)公共連接點(diǎn)的諧波電壓是牽引變電站注入系統(tǒng)的諧波電流所引起的諧波電壓和系統(tǒng)中其他諧波源所產(chǎn)生的諧波合成電壓。在項(xiàng)(2)超標(biāo)時(shí)仍然要根據(jù)項(xiàng)(1)判斷，因此監(jiān)測(cè)牽引變電站注入系統(tǒng)的諧波電流是關(guān)鍵。采用從供電臂的諧波電流來(lái)估算牽引變電站注入電力系統(tǒng)各相的諧波電流的方法便于在工程上實(shí)現(xiàn)和控制，不同類(lèi)型的牽引變電站的不對(duì)稱(chēng)情況不同，分相估算其注入電力系統(tǒng)的諧

49、波電流方法也相應(yīng)不同，以Y/d11接線的牽引站為例。分析/Yd11牽引變壓器電流傳輸系數(shù)，Y/d11雙繞組牽引變壓器比如下：零序分量變化 (15) k為一、二次繞組匝比正序分量變化 (16)正序超前負(fù)序分量變化 (17)負(fù)序、負(fù)序變化，其一二次電流傳輸關(guān)系為 (18)式(17)、式(18)反映了Y/d11牽引變壓器基波電流傳輸關(guān)系，對(duì)于諧波分析如下：設(shè)a饋電臂和b饋電臂的第次諧波電流相量各為 (19) (20)式中和分別為與的有效值，和分別為與以本饋電臂基波電壓為參考相量的諧頻相角值。牽引變電站注入電力系統(tǒng)的三相諧波電流相量表達(dá)式為 (21) (22) (23)式中電流分配系數(shù)是高壓B側(cè)相電流

50、中僅由引起的這部分諧波電流與之比，并已計(jì)入牽引變壓器的變比，余類(lèi)同。各電流分配系數(shù)之值可由表2.3確定，表中和各為系統(tǒng)基波電壓和對(duì)的相角差：若系統(tǒng)三相電壓對(duì)稱(chēng)，則，。系數(shù)、和值按下列兩種情況計(jì)算：(1)不安裝濾波器時(shí) (24) (25)(2)裝設(shè)濾波器，且每臂濾波器的第次諧波阻抗均為，可引入阻抗比，即可得： (26) (27) (28)表2.3 Y/d11牽引變壓器注入系統(tǒng)各相的第h次諧波傳輸系數(shù)傳輸系數(shù)饋電臂a、b相和供電系統(tǒng)A、B、C相的對(duì)應(yīng)關(guān)系A(chǔ)對(duì)Ab對(duì)Aa對(duì)Bb對(duì)Ca對(duì)Cb對(duì)Aa對(duì)Bb對(duì)Aa對(duì)Cb對(duì)Ba對(duì)Ab對(duì)C2.4 無(wú)功功率在正弦電路中，如果負(fù)載是線性的。加以正弦電壓后，產(chǎn)生的電流

51、是正弦的。設(shè)電壓、電流分別為：其中，為有功分量，為無(wú)功分量。則電路的平均功率為：（29）定義為有功功率，相對(duì)應(yīng)的定義無(wú)功功率為： （30）可見(jiàn)，有功分量產(chǎn)生，無(wú)功分量產(chǎn)生。對(duì)于發(fā)電機(jī)和變壓器，其額定電流與繞組導(dǎo)線截面積及銅損有關(guān)；額定電壓與繞組的電氣絕緣有關(guān)，在一定工作頻率下，額定電壓又與鐵心尺寸和鐵損有關(guān)。為此，工程上將電壓電流有效值之積作為設(shè)備功率設(shè)計(jì)極限，定義視在功率為： （31）反映了電氣設(shè)備的最大可利用容量。從式(29)知，有功功率的最大值就是視在功率，越接近，說(shuō)明電氣設(shè)備的容量利用得越充分。為了反映這種利用程度，定義功率因數(shù)為： （32）由以上(29)(32)4個(gè)定義式可得出正弦電

52、路中各量之間的關(guān)系： （33） （34）對(duì)于含有非線性器件的非正弦電路，施以正弦電壓后，產(chǎn)生的電流發(fā)生畸變，不再是正弦。但在滿足狄里赫利條件下，非正弦電流可以分解成傅立葉級(jí)數(shù)： （35）其中，的部分為基波電流： （36）的所有分量為諧波電流。電流總有效值為：總諧波電流有效值為：為了反映電流的畸變程度，定義總諧波畸變率： （37）則根據(jù)正弦電路中有功、視在、功率因數(shù)的定義，有： （38）（39）（40）其中，稱(chēng)為基波因數(shù)，稱(chēng)為位移因數(shù)。至于非正弦電路中的無(wú)功功率尚未廣泛接受的科學(xué)而權(quán)威的定義，這里使用一種通行的定義，這里使用一種通行的定義方法，將電路無(wú)功功率分為由基波無(wú)功功率和由諧波產(chǎn)生的畸變功

53、率： （41）（42）這樣，總無(wú)功功率為（43）對(duì)比式3843可得如下關(guān)系式：（44）由上分析，可見(jiàn)總電流可看作三部分組成：有功分量、基波無(wú)功分量和諧波分量。2.4.3 無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)發(fā)展不同時(shí)期，人們對(duì)功率因數(shù)問(wèn)題的理解有所不同。功率因數(shù)問(wèn)題是用電設(shè)備對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)的影響問(wèn)題。不同性質(zhì)的問(wèn)題，其解決思路和方法也有所不同。無(wú)功補(bǔ)償?shù)陌l(fā)展過(guò)程就是對(duì)這一問(wèn)題不斷深入的認(rèn)識(shí)和解決過(guò)程23，24。一、無(wú)功功率的影響早期的功率因數(shù)問(wèn)題是無(wú)功功率問(wèn)題，由于接于電網(wǎng)中的用戶大多是感性負(fù)載，如異步電機(jī)、熒光燈、工業(yè)電弧爐、變壓器等。異步電機(jī)和變壓器消耗的無(wú)功功率在電網(wǎng)所提供的無(wú)功功率中占很大比例；電力系統(tǒng)中的電抗器

54、和架空線也消耗一部分無(wú)功功率。大量的無(wú)功功率流入電網(wǎng)，會(huì)帶來(lái)諸多不利影響，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1.增加設(shè)備容量。無(wú)功功率的增大，使總電流增大，導(dǎo)致視在功率增大，從而使設(shè)備容量、導(dǎo)線規(guī)格、相應(yīng)的控制設(shè)備、測(cè)量?jī)x表和保護(hù)裝置的規(guī)格容量也增加。2.增加設(shè)備和線路損耗。由于無(wú)功功率導(dǎo)致電流增大，設(shè)備和線路的損耗增加，電能的利用效率降低。3.線路壓降增大。由于線路阻抗的存在，大量的無(wú)功電流注入電網(wǎng)會(huì)引起電網(wǎng)電壓下降。對(duì)于沖擊性無(wú)功負(fù)載還會(huì)引起電網(wǎng)電壓劇烈波動(dòng)，供電質(zhì)量嚴(yán)重下降。4.功率因數(shù)降低，設(shè)備容量利用少。由于無(wú)功功率會(huì)帶來(lái)設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用的增加、能耗以及電網(wǎng)供電質(zhì)量方面的后果，無(wú)功功率補(bǔ)償技術(shù)引起了人們的重視，這就是最初的功率因數(shù)補(bǔ)償技術(shù)。無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)淖饔糜校?.提高功率因數(shù)，降低設(shè)備容量，減小導(dǎo)線截面積，節(jié)約有色金屬。2.降低電網(wǎng)線路損耗，節(jié)約電能，穩(wěn)定電網(wǎng)電壓，提高供電質(zhì)量。二、無(wú)功功率補(bǔ)償由式（33），（34）假設(shè)有功功率P不變，可作功率圖，如圖2-3所示?？梢?jiàn),要將功率因數(shù)由提高