考慮諧波影響的電氣化鐵路供電系統(tǒng)損耗分析

張超

【摘 ?要】牽引供電系統(tǒng)中諧波分量不僅影響電能質(zhì)量，也增加了輸電網(wǎng)的損耗。由于長(zhǎng)期以來在電網(wǎng)線損計(jì)算時(shí)沒有考慮諧波影響的因素，因此，對(duì)電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的影響沒有量化計(jì)算的依據(jù)，在常用的牽引變壓器負(fù)序電流及不平衡度的基礎(chǔ)上，選擇負(fù)序靜態(tài)抑制效果較好的阻抗匹配平衡變壓器，根據(jù)其電氣特性，提出一種基于該牽引變壓器的負(fù)序和諧波補(bǔ)償方案。

【關(guān)鍵詞】電氣化鐵路;諧波;補(bǔ)償

電氣化鐵路對(duì)鐵路運(yùn)輸非常重要的作用。然而電氣化鐵路給人們帶來便利的同時(shí)由于電氣化鐵路負(fù)載非線性和波動(dòng)性的特點(diǎn)造成了向其供電的公用電網(wǎng)的電流和電壓的三相不對(duì)稱，主要是電流的不對(duì)稱，同時(shí)還向公用電網(wǎng)注入大量的諧波。特別是隨著電氣化鐵路的高速發(fā)展，由牽引負(fù)荷引起的諧波、負(fù)序等這類電能質(zhì)量問題，已嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)和電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行。因此，必須采取合理有效的辦法去改善電氣化鐵路的電能質(zhì)量，確保這兩個(gè)系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性。

一、電氣化鐵路負(fù)序和諧波的危害

電氣化鐵路給鐵路運(yùn)輸帶來巨大效益的同時(shí)，由于電氣化鐵路牽引負(fù)荷的非線性、不對(duì)稱和波動(dòng)性的特點(diǎn)，使得電力機(jī)車在運(yùn)行中對(duì)電網(wǎng)注入了大量的諧波電流和負(fù)序電流，對(duì)牽引供電系統(tǒng)和電氣設(shè)備造成了不利的影響，其主要表現(xiàn)在：

1、對(duì)異步電機(jī)的影響。在異步電機(jī)中，負(fù)序電壓產(chǎn)生負(fù)序電流和逆轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩，較小的負(fù)序電壓加到異步電機(jī)上都會(huì)引起較大的負(fù)序電流和負(fù)序逆轉(zhuǎn)電磁轉(zhuǎn)矩，這會(huì)直接影響異步電動(dòng)機(jī)的效率和安全可靠運(yùn)行。受諧波發(fā)熱的影響，異步電動(dòng)機(jī)的定子繞組的絕緣成為薄弱環(huán)節(jié)。電動(dòng)機(jī)一般是直接接在用戶母線上，因此電動(dòng)機(jī)所承受的諧波情況可以按照母線上的諧波電壓情況去考慮。實(shí)際運(yùn)行如果 3、5、7 次諧波電壓的大小達(dá)到額定電壓的 10%-20%以上，電動(dòng)機(jī)有可能在短時(shí)間內(nèi)損壞。

2、對(duì)繼電保護(hù)的影響。電力系統(tǒng)中利用負(fù)序當(dāng)啟動(dòng)元件的繼電保護(hù)裝置容易受負(fù)序電流的影響而發(fā)生誤動(dòng)作的行為。例如，常規(guī)的距離保護(hù)受負(fù)序電流長(zhǎng)時(shí)間作用時(shí)會(huì)轉(zhuǎn)為閉鎖狀態(tài)，使得距離保護(hù)的快速動(dòng)作段不工作;而解除閉鎖后，如果負(fù)序電流還存在并且此時(shí)系統(tǒng)發(fā)生振蕩，則繼保裝置可能誤動(dòng)作跳閘。由此可見負(fù)序電流的存在，會(huì)增加繼電保護(hù)裝置的復(fù)雜性、降低繼電保護(hù)裝置的可靠性。

3、對(duì)變壓器的影響。由于負(fù)序電流導(dǎo)致三相電流不相等，變壓器三相中肯定有一相電流最大，這樣各繞組不可能都工作在額定狀態(tài)，減小了變壓器的容量利用率，并且負(fù)序電流還會(huì)增加變壓器繞組的銅耗和其他損耗。在正常情況下變壓器勵(lì)磁電流中的諧波成分并不會(huì)增加鐵損和發(fā)熱，但在諧振條件下會(huì)對(duì)變壓器造成損害。比如中性點(diǎn)接地的全星形接線變壓器，當(dāng)電網(wǎng)中的分布電容很大時(shí)，就有可能造成三次諧波在變壓器中的諧振。除此之外，諧波還導(dǎo)致噪聲增大。

二、電氣化鐵路負(fù)序和諧波補(bǔ)償方案

電氣化鐵路牽引負(fù)載是一個(gè)單相負(fù)載，且負(fù)載的功率大小并不是恒定的，而是時(shí)刻變化，它通過牽引變壓器向公用電網(wǎng)吸取電能。由于電氣化鐵路牽引負(fù)載的特性導(dǎo)致電氣化鐵路向公用電網(wǎng)反送負(fù)序無功和諧波電流。阻抗匹配平衡變壓器可以將二次側(cè)的平衡電流變換到一次側(cè)的對(duì)稱電流，但是當(dāng)二次側(cè)的電流不平衡時(shí)，阻抗匹配平衡變壓器不能完全消除負(fù)序，只能在某種程度上減小不平衡度。，提出一種應(yīng)用于阻抗平衡變壓器牽引供電系統(tǒng)的既能解決電氣化鐵路單相牽引負(fù)荷負(fù)序問題，同時(shí)也能抑制電氣化鐵路諧波和無功的補(bǔ)償方法。目前，已有許多種諧波與無功電流的檢測(cè)方法。

1、濾波技術(shù)。濾波技術(shù)可以分為兩種：模擬濾波和數(shù)字濾波。模擬濾波技術(shù)是采用模擬濾波電路對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行濾波處理。它的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)電路簡(jiǎn)單、造價(jià)低、輸出阻抗低、品質(zhì)因數(shù)易于控制。但有許多不足：實(shí)現(xiàn)電路的濾波中心頻率對(duì)元件參數(shù)十分敏感，受外界影響較大;當(dāng)需要檢測(cè)多次諧波分量時(shí)，實(shí)現(xiàn)電路變得復(fù)雜;當(dāng)系統(tǒng)頻率波動(dòng)時(shí)，濾波效果會(huì)大大降低;運(yùn)行損耗大。該方法現(xiàn)在已很少被選用。數(shù)字濾波技術(shù)是在模擬濾波技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，數(shù)字濾波器的設(shè)計(jì)方法和頻譜特性與模擬濾波器在本質(zhì)上是一樣的，但是由于它處理的是數(shù)字信號(hào)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性大大提高，外界干擾對(duì)其影響也大大降低。不管是模擬濾波器，還是數(shù)字濾波器，它們都不能同時(shí)分離出無功電流和諧波電流，也不能直接檢測(cè)到電流中的無功分量。

2、基于 Fryze 功率定義的檢測(cè)法?；?Fryze 功率定義的檢測(cè)方法的原理是將負(fù)荷電流分解成兩個(gè)正交分量：一個(gè)是與電網(wǎng)電壓波形完全同相位的有功電流分量;另一個(gè)是廣義無功電流分量。它的優(yōu)點(diǎn)是檢測(cè)電路簡(jiǎn)單。但是由于此方法是建立在平均功率理論基礎(chǔ)之上的，使得計(jì)算廣義無功電流瞬時(shí)值時(shí)需要一個(gè)周期的積分，再加上其他運(yùn)算電路的延時(shí)，求得的瞬時(shí)無功電流實(shí)際上是幾個(gè)周期之前的電流。因此，該方法的應(yīng)用有一定的局限性，只適用于無功、諧波、不對(duì)稱綜合補(bǔ)償。

3、基于小波變換的檢測(cè)法。小波變換是針對(duì)傅里葉變換在分析非平穩(wěn)信號(hào)方面的局限性形成和發(fā)展起來的一種十分有效的時(shí)頻分析工具。小波變換通過在信號(hào)的不同部位采用不同尺度的分析方法得到最佳的時(shí)域分辨率和頻率分辨率，有“數(shù)學(xué)顯微鏡”的美稱。它是時(shí)間和頻率的局域變換，通過伸縮和平移等運(yùn)算功能對(duì)信號(hào)進(jìn)行多尺度細(xì)化分析，能有效的從信號(hào)中提取有用的信息，它克服了傅里葉變換在頻率完全局部化而在時(shí)域完全無局部性的缺點(diǎn)，非常適用于變化迅速的諧波和波動(dòng)的諧波的檢測(cè)。但是如果是檢測(cè)靜態(tài)的諧波時(shí)小波變換并沒有明顯的理論優(yōu)勢(shì)，此外小波變換的理論和研究時(shí)間起步較晚，在諧波檢測(cè)方面還只是剛剛開始，有很多不足之處，如缺乏構(gòu)造頻域行為良好，及分頻嚴(yán)格，能量集中的小波函數(shù)以改善檢測(cè)精度的規(guī)范方法，缺乏系統(tǒng)規(guī)范的最小波基的選取方法。

三、電氣化鐵路SVC無功補(bǔ)償原理負(fù)序和諧波補(bǔ)償方案的控制策略

靜止補(bǔ)償器最重要的性質(zhì)是它能維持結(jié)點(diǎn)電壓不發(fā)生變化，為此，它要能夠連續(xù)地調(diào)節(jié)向負(fù)荷提供的無功功率，維持系統(tǒng)的無功平衡，即滿足方程：QS=QF+QL-QC=常數(shù)=0（式中QS為系統(tǒng)無功功率，QF為負(fù)荷無功功率，QL為電抗器無功功率，QC為電容器組無功功率。）

如圖所示，A為系統(tǒng)工作點(diǎn)。負(fù)荷工作時(shí)吸收QF，補(bǔ)償裝置由電容器組提供固定的QC;當(dāng)負(fù)荷工作狀態(tài)改變，導(dǎo)致吸收的QF變化時(shí)，通過調(diào)節(jié)晶閘管控制電抗器吸收的QL來抵消負(fù)荷無功的變化，從而維持系統(tǒng)動(dòng)態(tài)無功平衡。

2 ?SVC裝置的組成和工作原理

該圖為參圖表，具體情況以現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況為準(zhǔn)。

TCR的基本結(jié)構(gòu)是兩個(gè)反并聯(lián)的晶閘管和電抗器串聯(lián)，TCR的控制元件是兩個(gè)反并聯(lián)晶閘管，它們?cè)陔娫措妷旱牟煌胫茌喠鲗?dǎo)通。當(dāng)晶閘管的控制角a在90°到180°之間時(shí)，TCR部分導(dǎo)通（控制角為90°時(shí)完全導(dǎo)通）;增大控制角，其效果就是減少了電流中的基波分量，這相當(dāng)于增大電抗器的感抗，減小其無功功率，就電流的基波分量而言，晶閘管控制電抗器是一個(gè)可控電納。

TCR控制系統(tǒng)完成如下功能：通過檢測(cè)系統(tǒng)電壓、電網(wǎng)電流和TCR的電流，計(jì)算出可控硅的觸發(fā)角，控制電抗器電納值，達(dá)到無功補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

SVC系統(tǒng)對(duì)采集的電鐵信號(hào)，系統(tǒng)電壓Ua，Ub，系統(tǒng)電網(wǎng)電流Ia，Ib，TCR電流Itcr，進(jìn)行變換，得到系統(tǒng)信號(hào)的基波分量。綜合負(fù)載電流IA = Ia –Itcr。通過運(yùn)算得到綜合負(fù)載的無功電流IAL，IBL。通過公式Q補(bǔ)= Qa = IAL *Ua，如果是兩相補(bǔ)償則Q補(bǔ) = Qa + IBL *Ub。通過Q補(bǔ)得到系統(tǒng)的等效電納，從而得到觸發(fā)角，完成對(duì)可控硅的控制。

TCR的分相調(diào)節(jié)可應(yīng)用在電氣化鐵路供電站中，它可以對(duì)單相的無功進(jìn)行補(bǔ)償。應(yīng)用控制系統(tǒng)能做到補(bǔ)償后各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，并滿足用戶要求。

控制系統(tǒng)是負(fù)序和諧波綜合補(bǔ)償?shù)囊粋€(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它的作用是由負(fù)序與諧波電流的實(shí)際補(bǔ)償信號(hào)與指令信號(hào)的關(guān)系以及主電路直流側(cè)電容電壓參考值與實(shí)時(shí)值之間的關(guān)系，獲得控制主電路中觸發(fā)電力電子器件的 PWM 信號(hào)。

1、直流側(cè)電容電壓控制。為了使綜合補(bǔ)償裝置的主電路正常運(yùn)行，對(duì)直流側(cè)電容電壓的要求是使其維持在一定的數(shù)值，以保證主電路在任一時(shí)刻都能根據(jù)指令電流的變化產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償電流。如果不對(duì)其采取適當(dāng)?shù)目刂品绞?，由于系統(tǒng)損耗和補(bǔ)償電流變化的原因，電容的端電壓會(huì)衰減或產(chǎn)生較大的波動(dòng)，直接影響系統(tǒng)的穩(wěn)定。對(duì)直流側(cè)電容電壓的控制主要有兩種方法：一種是通過輔助電路的附加電源單獨(dú)給電容充電，實(shí)現(xiàn)電容電壓的穩(wěn)定;另一種是通過對(duì)變流器進(jìn)行適當(dāng)控制來達(dá)到對(duì)直流側(cè)電容電壓大小的控制，就可以維持直流側(cè)電壓大小不變。

2、基于位置關(guān)系的控制方式。為了使綜合補(bǔ)償裝置得到理想的補(bǔ)償效果，有必要對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂啤８鶕?jù)補(bǔ)償點(diǎn)與檢測(cè)點(diǎn)之間的位置關(guān)系，負(fù)載電流反饋控制方式，這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是補(bǔ)償點(diǎn)在檢測(cè)點(diǎn)之前，其指令電流運(yùn)算電路的輸入信號(hào)來自負(fù)載電流，補(bǔ)償?shù)哪康氖鞘闺娫措娏髦兄话?fù)載電流的基波有功功率電流分量，這是最基本的一種控制方式。在這種方式中，補(bǔ)償電流能很好的跟隨指令電流的變化。但是，變流器電力電子器件的高頻通斷會(huì)產(chǎn)生其與工作頻率差不多的高次諧波，這會(huì)導(dǎo)致補(bǔ)償后的電流中含有較高頻率的諧波成分。為了濾除這些頻率較高的諧波，可以在綜合補(bǔ)償裝置系統(tǒng)中添加高通濾波器，從而使電源電流中包含這些諧波，使得補(bǔ)償特性變差，負(fù)載電流反饋控制方式如圖。

電力系統(tǒng)中諧波分量對(duì)輸電線路的損耗影響較大，在有電氣化機(jī)車通過的時(shí)段，諧波造成輸電線路損耗增加了近一倍，而對(duì)于變電站的影響相對(duì)較小。在沒有電氣化機(jī)車通過的時(shí)段，電力系統(tǒng)中諧波分量很小，輸電系統(tǒng)損耗也較小。而在有電氣化機(jī)車通過的時(shí)段，供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量變化明顯，諧波含量增加顯著，并造成了輸電系統(tǒng)損耗的顯著增加。根據(jù)電氣特性，提出一種基于該牽引變壓器的負(fù)序和諧波補(bǔ)償方案。

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（作者單位：神華包神鐵路公司）