基于阻波高通濾波器的380 V所用電諧波治理方案與優(yōu)化配置研究
2020-03-11 11:47:34劉朝暉
電力學(xué)報(bào) 2020年6期
劉朝暉
(神華包神鐵路集團(tuán)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 包頭 014000)
0 引言
近年來，交直交電力機(jī)車已在中國(guó)鐵路上廣泛應(yīng)用，牽引供電系統(tǒng)高次諧波諧振問題也日益突出。文獻(xiàn)[1]認(rèn)為牽引網(wǎng)的分布電容、電感與變壓器阻抗、電網(wǎng)系統(tǒng)阻抗組成的系統(tǒng)具有多個(gè)自然諧振頻率，當(dāng)電力機(jī)車向該網(wǎng)絡(luò)注入的諧波的頻率等于系統(tǒng)的自然諧振頻率或兩者接近時(shí)，將造成諧波放大和諧振現(xiàn)象。牽引供電系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的電氣耦合系統(tǒng)，電力機(jī)車、牽引網(wǎng)、外部公共電網(wǎng)和牽引變電所低壓配電系統(tǒng)都存在直接或間接的電氣耦合關(guān)系，當(dāng)牽引變電所所用電采用來自牽引網(wǎng)的電能時(shí)，牽引網(wǎng)中的高次諧波必然會(huì)經(jīng)過所用變壓器滲透到低壓三相系統(tǒng)中，影響低壓三相系統(tǒng)的供電質(zhì)量[2]。對(duì)于高速鐵路中交直交電力機(jī)車產(chǎn)生的高次諧波抑制方案，文獻(xiàn)[3]提出采用阻波高通濾波器進(jìn)行抑制，認(rèn)為該濾波器適用于高速鐵路系統(tǒng)。對(duì)于牽引變電所低壓配電系統(tǒng)，文獻(xiàn)[2]提出三相阻波高通濾波器和三相二階高通濾波器兩種無源濾波器方案，并在工程實(shí)踐上取得了良好效果。文獻(xiàn)[4]將高通濾波器和APF結(jié)合組成可以濾除高次和低次諧波的寬頻濾波器，以達(dá)到牽引網(wǎng)所用電諧波的綜合治理。文獻(xiàn)[5]通過現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的結(jié)果，對(duì)二階高通濾波器參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過MATLAB建立牽引供電系統(tǒng)仿真模型，以分析驗(yàn)證參數(shù)的合理性及有效性。文獻(xiàn)[6]對(duì)牽引側(cè)安裝的濾波器投切暫態(tài)特性進(jìn)行了分析，并且主要研究了電阻器取值對(duì)濾波器的濾波效果及暫態(tài)特性的影響。到目前為止，還沒有針對(duì)具體牽引變電所所用阻波高通濾波器的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)與分析的研究。
本文根據(jù)某牽引變電所的實(shí)際牽引工況，對(duì)在牽引所低壓配電系統(tǒng)側(cè)安裝的三相阻波高通濾波器濾除高次諧波進(jìn)行可行性分析，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)值和對(duì)電容器容量的計(jì)算結(jié)果，設(shè)計(jì)并選擇最適合該變電所的濾波方案，最后仿真驗(yàn)證所選阻波高通濾波器參數(shù)的合理性及有效性。
1 牽引變電所基本情況
本文討論的是一條貨運(yùn)線路，在該線路上運(yùn)行的機(jī)車以交直交機(jī)車為主，該牽引變電所A，C母線分別接入一上下行區(qū)段，同時(shí)A，B母線接有SVC補(bǔ)償裝置。牽引所所用電由兩路供電，互為備用。其中一路由外部公用電網(wǎng)供電，進(jìn)線電壓10 kV；另一路從牽引網(wǎng)母線取電，該27.5 kV/380 V變壓器容量100 kV·A，接線形式為Dyn11，阻抗電壓4.5%，空載電流1.8%，空載損耗0.2 kW，Dyn11變壓器接線示意圖如圖1所示。
Dyn11變壓器27.5 kV側(cè)和380 V側(cè)電壓耦合關(guān)系為：
(1)
式中KT為變壓器變比。
式(1)說明牽引網(wǎng)中的諧波電壓會(huì)通過Dyn11降壓變壓器滲透到380 V三相系統(tǒng)中。如果牽引母線有較嚴(yán)重的高次諧波諧振情況，380 V側(cè)高次諧波電壓含量也會(huì)增加，威脅到牽引變電所用電器安全穩(wěn)定運(yùn)行，所以需對(duì)380 V側(cè)的高次諧波進(jìn)行濾除。
2 諧波治理方案
2.1 阻波高通濾波器治理方案
測(cè)試線路的主要運(yùn)行車型是交直交型電力機(jī)車，該型機(jī)車具有功率因數(shù)高、諧波含量低等特點(diǎn)[7-8]，但其缺點(diǎn)是諧波頻譜較寬，可能和牽引供電系統(tǒng)的諧振點(diǎn)重合，從而造成高次諧波諧振[9-13]?？紤]到電氣化鐵路諧波頻帶較寬的特點(diǎn)，選擇對(duì)高頻次諧波具有低阻抗特性的高通濾波器，所以選擇采用一種特殊的二階高通濾波器，稱為阻波高通濾波器。該濾波器原理如圖2所示，由電抗器L和電容器C并聯(lián)再與電阻R串聯(lián)而成。
阻波高通濾波器的阻抗頻率特性為：
(2)
從圖3阻波高通濾波器的阻抗頻率特性曲線可知，當(dāng)工頻頻率為50 Hz時(shí)，阻波高通濾波器阻抗可看作無窮大，所以在基波下基本不進(jìn)行有功功率、無功功率的交換，起到了阻波的作用；在高頻下，其阻抗值迅速減小，對(duì)高次諧波呈現(xiàn)低阻抗，起到了高通的作用。并且由相位圖可以看出，在頻率為50 Hz時(shí)，阻波高通濾波器呈現(xiàn)阻性，大于50 Hz后呈現(xiàn)容性。
本設(shè)計(jì)將三個(gè)單相阻波高通濾波器按Y型進(jìn)行連接，構(gòu)成三相Y型高通濾波器，應(yīng)用到牽引變電所低壓三相系統(tǒng)中，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。
Fa，F(xiàn)b，F(xiàn)c分別代表了三個(gè)單相阻波高通濾波器，Y型濾波器接于三相變壓器二次側(cè)的a，b，c三相，與所內(nèi)用電設(shè)備并聯(lián)，通過為高次諧波電流提供低阻抗通路，來達(dá)到濾除所用變壓器滲透到低壓側(cè)的高次諧波的目的。
2.2 阻波高通濾波器參數(shù)選擇
在牽引變電所所用變壓器母線安裝阻波高通濾波器之后的等效電路圖如圖5所示。
其中，In1，In2分別代表左、右兩側(cè)電力機(jī)車注入牽引網(wǎng)的諧波電流，Zn1，Zn2分別代表左、右兩側(cè)牽引網(wǎng)等效阻抗，ZnT表示變壓器等效阻抗，ZnF為阻波高通濾波器等效阻抗，ZnL為變電所所用負(fù)載等效阻抗。將左、右牽引網(wǎng)阻抗及變壓器等效為ZnS，機(jī)車注入牽引網(wǎng)的總諧波電流等效為In，則圖5可等效為如圖6所示的簡(jiǎn)圖。
根據(jù)圖6等效電路可得出，作用在濾波器上的諧波電壓Un為：
(3)
(4)
同樣的，流入所用電負(fù)載支路的n次諧波電流為：
(5)
可見，流過濾波器的n次諧波電流和負(fù)載阻抗相關(guān)。將流過濾波器的諧波電流與總諧波電流相除，可得到濾波器的諧波系數(shù)KF：
(6)
同理，負(fù)載阻抗的諧波系數(shù)KS為：
(7)
需要說明的是，式中的ZnL，ZnF均為阻抗相量，其相加也為相量相加，所以KS，KF不僅與負(fù)載阻抗和濾波器阻抗的絕對(duì)值相關(guān)，也與相位相關(guān)。
當(dāng)KF=0，KS=1時(shí)，說明諧波電流并未流過濾波支路，此時(shí)濾波器的濾波效率為0，所有諧波電流均流過負(fù)載支路；當(dāng)KF=1，KS=0時(shí)，所有諧波電流均流過濾波支路，濾波效果最好；0
由于阻波高通濾波器在基波下阻抗為無窮大，不起無功補(bǔ)償作用，可以考慮采用最小電容器安裝容量來確定濾波器的參數(shù)選擇。阻波高通濾波器的安裝容量應(yīng)為諧波無功容量之和，基波容量之和：
(8)
表1 三相阻波高通濾波器參數(shù)配置方案
按照上述方案中阻波高通濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)，得出三種方案下濾波器的諧波系數(shù)KF和負(fù)載阻抗的諧波系數(shù)KL隨諧波次數(shù)的變化曲線，如圖7、圖8所示。
由圖7和圖8可知，在頻率較高的電容值增加時(shí)，濾波器諧波系數(shù)KF增加，負(fù)載諧波系數(shù)KL減小；同樣，電阻值減小時(shí)，濾波器諧波系數(shù)KF增加，負(fù)載諧波系數(shù)KL減小。又由式(4)至式(7)可以看出，濾波器諧波系數(shù)KF越接近于1，負(fù)載諧波系數(shù)KL越接近于0，濾波效果越好。因此理論上在阻波高通濾波器參數(shù)選取時(shí)，為取得更好的濾波效果，阻波高通濾波器中電容器取值要盡量大；同樣的，阻波高通濾波器串聯(lián)的電阻要盡量小，但由于限制暫態(tài)過電壓和過電流考慮，電容器、電抗器和電阻器取值要在合理范圍內(nèi)。
3 仿真研究
3.1 建立仿真模型
由線路的原始資料知，牽引變電所A母線接長(zhǎng)度為21 km的復(fù)線線路，C母線接長(zhǎng)度為24 km的復(fù)線線路，牽引變壓器為110/27.5 kV的Vv接線牽引變壓器。線路中機(jī)車負(fù)載采用交直交機(jī)車諧波電流源模型，左右供電臂均按照緊密運(yùn)行時(shí)的行車情況進(jìn)行仿真。牽引所所用電有功負(fù)載為10 kW，無功負(fù)載為500 Var(感性無功)。根據(jù)該牽引變電所的Simulink仿真模型，對(duì)牽引所所用電諧波情況進(jìn)行仿真分析并驗(yàn)證三相阻波高通濾波器的濾波效果。
3.2 濾波器濾波效果分析
如前分析可知，由于方案三的電容器取值較方案一大，電阻值較方案二小，故在理論上方案三的濾波效果要優(yōu)于方案一和方案二。故通過對(duì)不同參數(shù)下三相阻波高通濾波器濾波效果的對(duì)比，來驗(yàn)證三種方案的濾波效果，并確定本牽引變電所所采取的最終濾波方案。
由仿真得到的無濾波器情況下A，B，C三相各相的奇次諧波電壓含有率如表2所示。
表2 無濾波器下三相各奇次諧波電壓含有率
通過對(duì)左右供電臂的母線電壓進(jìn)行FFT分析，得到如圖9所示的電壓頻譜。
對(duì)比表2中各高次諧波含有率和圖9可知，380 V側(cè)的高次諧波電壓分布趨勢(shì)和牽引母線電壓的分布趨勢(shì)基本吻合，說明27.5 kV側(cè)的高次諧波電壓向380 V側(cè)發(fā)生了縱向傳遞。而且A，B，C三相的諧波電壓主要集中在33次到41次之間的奇次諧波，其中B相諧波電壓總畸變率最高，這是由于Dyn11的接線方式所造成的。在這種情況下，較多的高次諧波電壓容易造成所內(nèi)用電設(shè)備的損壞，進(jìn)而影響運(yùn)行安全。
按照表1中各方案的參數(shù)設(shè)置安裝阻波高通濾波器后，畸變最為嚴(yán)重的B相各次諧波電壓含有率及濾波率如表3所示。
表3 不同方案的濾波效果對(duì)比
表3數(shù)據(jù)顯示：按照方案一進(jìn)行參數(shù)設(shè)置的阻波高通濾波器投入后，高次諧波電壓含有率明顯降低，但總諧波電壓含有率沒有達(dá)到國(guó)標(biāo)的要求；按照方案二進(jìn)行參數(shù)設(shè)置的阻波高通濾波器投入后，高次諧波電壓總含有率有了進(jìn)一步下降，但下降幅度不大，仍然沒有達(dá)到國(guó)標(biāo)5%的要求；若按照方案三設(shè)置參數(shù)的濾波器投入后牽引所所用電的諧波電壓總畸變率繼續(xù)下降，并且符合國(guó)標(biāo)5%的要求。
3.3 最終濾波方案的確定
仿真數(shù)據(jù)理論分析的結(jié)果一致性。但對(duì)表3進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn)，即使具有較好濾波效果的方案三的整體濾波率仍然較低。通過對(duì)比方案一、方案二和方案三的參數(shù)設(shè)置可知，電阻的取值對(duì)濾波率影響較大，并且隨著電阻值的減小，濾波率呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，因此考慮繼續(xù)減小電阻器的值。經(jīng)仿真得到的濾波器濾波率隨該電阻變化的情況如表4所示。
表4 濾波率隨電阻變化趨勢(shì)
由表4可知，在電阻器的阻值剛開始減小的時(shí)候，濾波率增加的比較快，但當(dāng)電阻器的阻值取到一定值后，電阻器的取值變化對(duì)濾波率的影響減小，再考慮通過降低電阻器的值提高濾波率就行不通了，所以最終確定的濾波方案的阻波高通濾波器參數(shù)設(shè)置如表5所示。
表5 最終濾波方案的參數(shù)設(shè)置
由于阻波高通濾波器存在電容、電感等元器件，投入牽引供電系統(tǒng)時(shí)存在暫態(tài)過程，在方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)最終濾波方案的暫態(tài)特性進(jìn)行分析，對(duì)參數(shù)的合理性進(jìn)行驗(yàn)證，使其投入時(shí)不出現(xiàn)有危害系統(tǒng)的暫態(tài)過電壓和過電流。假設(shè)牽引網(wǎng)空載，電壓為27.5 kV，阻波高通濾波器在牽引變電所處投入時(shí)的等效電路如圖10所示，其中RS，LS為牽引變電所和電力系統(tǒng)側(cè)的等效阻抗。
仿真分析在牽引變壓器電壓峰值附近投入阻波高通濾波器時(shí)的暫態(tài)過程，得到阻波高通濾波器合閘時(shí)的暫態(tài)電流、電壓如圖11所示。
根據(jù)阻波高通濾波器參數(shù)進(jìn)行計(jì)算可得，阻波高通濾波器兩端暫態(tài)過電壓為其穩(wěn)態(tài)電壓的1.32倍，電容器最大過電流為穩(wěn)態(tài)電流的5.94倍，而電容器一般能承受100倍涌流沖擊，因此合閘過電流不會(huì)對(duì)電容器造成惡劣影響；電抗器最大過電流為穩(wěn)態(tài)電流的1.49倍，而電抗器一般能承受6～8倍涌流沖擊，因此合閘過電流不會(huì)對(duì)電抗器造成惡劣影響。綜上，暫態(tài)過電壓、過電流均在允許范圍內(nèi)，不會(huì)影響牽引供電系統(tǒng)供電設(shè)備及濾波器自身器件的安全運(yùn)行，所以最終濾波方案中阻波高通濾波器參數(shù)選值合理。
按照最終濾波方案進(jìn)行參數(shù)設(shè)置的阻波高通濾波器投入系統(tǒng)后，得到的各次諧波含有率如表6所示。
表6 最終濾波方案投入后各次諧波含有率
依據(jù)最終方案，仿真得到的濾波器投入前后牽引變電所所用電的電壓、電流波形對(duì)比如圖12、圖13所示。
由濾波前后的牽引變電所的電壓、電流波形對(duì)比可知，牽引變電所380 V側(cè)安裝三相阻波高通濾波器后電壓波形有了明顯改善，并且電壓高次諧波含有率有了大幅度降低，說明按照最終方案參數(shù)設(shè)置的濾波器取得了較為顯著的濾波效果，改善了牽引變電所電能質(zhì)量。
三種研究方案及最終確定方案的對(duì)比表明，在電阻器阻值相同情況下，大電容的濾波效果優(yōu)于小電容的濾波效果，而在電抗器和電容器取值相同時(shí)，電阻越小越有利于濾波。但是，即便是濾波效果最好的方案，濾波率仍然比較低。分析其原因主要是牽引變電所所用負(fù)載等效阻抗比較小，即使在頻率比較高的時(shí)候?yàn)V波支路的等效阻抗與負(fù)載支路的等效阻抗相比，既不能滿足嚴(yán)格意義上的“遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于”的要求，又不能滿足濾波支路的諧波系數(shù)接近于1的條件，這就造成即使在頻率比較高時(shí)濾波支路流過的諧波電流仍比較小，濾波率相對(duì)較低。
4 結(jié)語
本文就某牽引變電所實(shí)際情況，嘗試在牽引變電所變壓器380 V側(cè)安裝三相阻波高通濾波器來濾除從牽引側(cè)滲透到380 V側(cè)的高次諧波，并通過理論分析和仿真分析選擇濾波效果較好的參數(shù)設(shè)置，現(xiàn)有結(jié)論如下：
(1)牽引供電系統(tǒng)中27.5 kV側(cè)的高次諧波電壓會(huì)通過Dyn11變壓器滲透到380 V側(cè)，威脅到380 V側(cè)用電設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。
(2)由阻波高通濾波器組成的三相高通濾波器，可以較好地濾除380 V側(cè)的諧波電壓，并且在滿足暫態(tài)電壓、電流的前提條件下，較大的電容值和較小的電阻值更有利于三相阻波高通濾波器濾波。
(3)通過理論分析和仿真驗(yàn)證對(duì)四種方案的濾波效果進(jìn)行比較，得出在一定的范圍內(nèi)，濾波器的濾波率會(huì)隨著電阻值的減小而呈現(xiàn)逐漸上升趨勢(shì)的結(jié)論，并確定最終濾波方案的參數(shù)設(shè)置為C=500 μF，L=20.3 mH，R=0.1 Ω。
