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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， [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， [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， [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- [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)希望采纳
现在是2059年，一个超电子时代。人类的一切生活，都由一台安装在国际中心大夏的巨大电脑G来安排，此电脑终端遍布于世界，给人类带来舒适的生活。“嘿，该起床了。你说过要早起和我锻炼身体的。”我睁开眼，看见的是Eagle的仿真脸。Eagle不是J，是我的好朋友。Eagle有一个秘密，在后备箱的LC-A9芯片里，有两个关于我的承诺：听从我的安排；临危不惧，与我同生共死。对我而言，现在的自动化时代，人类就是奴隶，电脑已经完全代替了人脑。人类的思维能力逐渐下降，不必大脑思考，一些最难的问题，电脑也了如指掌。J向全国发送信息：现在每个家庭都必须有J，如果再不安装，你将在家庭成员表上被除名。我想告诉全世界，我不想被电脑左右，不想当电脑的奴隶，一个只会享受而不会用脑的蛆虫。但我知道这没什么用，因为不允许别人说自动化时代不好。上一次，我和Eagle坐在全自动汽车来到哥哥家，一进门，自动触摸屏就凑了上来。我把手伸过去，通过检查，然后电脑按照我的意愿，把他家唯一的桃木椅搬给我做，但被Eagle拦了下来。当我用眼睛寻找哥哥时，他正在网上购物，一边用信用卡在电脑中刷卡，一边东西就从输送管中掉下来，那景象真叫人心寒加作呕。我掉头就走，被他拽住。那一次，是我们第一次吵架，他甚至骂Eagle是个怪物。就此，我知道，他永远也不知道我的意思。那天，我从哥哥家里回来，我和Eagle一言不发，但我知道，他受了极大的伤害，我真害怕他精神崩溃，从此变为一个“废”人。我终于忍不住说出一句话：“Eagle，你哭吧，叫吧，不要憋在心里。”Eagle说话了：“我不会崩溃的，我只是个机器人，但我知道，你一直都对我很好，我非常感激你。你要是因为我而不安装全套电脑的话，我可以离开你。”“不，不是这样的。”我大哭着，“Eagle，你知道，我要想安装全套电脑的话，无论谁都无法阻止我，但我不要。我不想和电脑天天打交道，不想让他操控我们的生活。我只需要一个朋友，一个知心的朋友。”Eagle很激动，我也很激动，我一把拉住Eagle的手，带他去看超电子大超市，街道上除了我和Eagle，再无一人。在这大超市里，粗粗细细的输送管，大大小小的电线组成了无数张食人网，似乎正在等待猎物上钩。“多么可怕啊。”我说，“它真像一只大怪物，将要吞噬整个地球。”Eagle也使劲地点着头。是的，模拟运动场，模拟音乐厅，模拟演练场------一切都是模拟的，人们不用出门，就可以享受天伦之乐。真的是一切吗？那么，友情呢？爱心呢？快乐呢？自由呢？----这是一个没有人气和人情味的世界了，但是无人厌倦，无人反抗。自动化时代如此之便利，谁又能轻易放弃呢？虽然我是自动化时代的受益者，但我知足了，我只需要一份快乐，而不是一片孤寂。“铃，铃，铃——”床边的小闹钟敲醒了我，我睁眼一看，Eagle没了，J也没有了，可怕的自动化时代也没了。呈现再我眼前的，还是有着亲情和爱心的世界。清晨，温柔的阳光洒下几束恬静的光芒，当我看到那被阳光照得晶莹剔透的小水珠，正渐渐地消失时，我的心莫名地颤抖了一下。我知道我会更加珍惜今天的幸福生活，让可怕的未来远离我们，永远的远离我们
