浅谈电气化铁道电能质量综合控制.docx

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浅谈电气化铁道电能质量综合控制

XX交通大学继续教育学院

毕业设计（论文）

论文题目：

浅谈电气化铁道电能质量综合控制

班级：

编写人：

指导教师：

2010年3月20日

目录

目录·······································1

摘要·······································2

关键字·······································2

引言·······································3

第一部分电能质量概述与电气化铁路组成··············4

1.1概述·····························4

1.2电气化铁路的组成·······················4

1.2.1电气化铁路电流制与额定电压················4-5

1.2.2电气化铁路的优越性与和存在的问题··············5

第二部分电气化铁道牵引供电系统······················5

2·1概述······································5

2·2单相变压器牵引供电网··························5

2·3三相Y-D11变压器牵引供电网·····················5-6

第三部分SVC静止型动态无功补偿装置·················6

3·1SVC的发展·································6

3·2SVC的工作原理及在电网中应用····················6

第四部分电网电能质量综合控制与治理···················7

4·1谐波抑止与无功补偿··························7

4·2负序电流补尝······························7-8

第五部分结论与展望·····························8参考文献·····························9

摘要

1992年底，北京供电局、北京市科委、市科协、能源部电力科学研究院、清华大学、北京自然应用科学设计研究院联合组成课题研究组，写出了“北京地区电力网络中谐波污染的危害及其治理对策”的报告。

论文首先介绍电能质量的基本概念及电气化铁路各组成部分、电气化铁道牵引供电系统、svc静止型动态无功补偿装置来提出电网电能质量综合控制与治理。

随着我国现代科技的进步和国民经济的快速发展电能质量问题受到关注，其中谐波的影响更为严重，对供电部门以及用户所造成的损失是无法估量的。

从1992年至今，电源谐波随着先进电力、电子设备的广泛使用呈几何级数增长，给电力电力设备和电力系统的安全运行带来了极大的威胁，电能质量更引起关注。

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探讨。

关键字:

电气化铁道;电网;电能质量;综合控制

引言

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。

电能质量从普遍意义上讲是指优质供电，包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量。

其可以定义为：

导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其类容包括频率偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、谐波、电压暂降、中断、暂升以及供电连续性等。

在现代电力系统中，电压暂降和中断已成为最总要的电能质量问题。

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。

1电能质量概述与电气化铁路的组成

1.1概述

电能既是一种经济实用、清洁方便且易于传输、控制和转换的能源形式，又是一种由电力部门向电力用户提供，并由供、用双方共同保证质量的特殊产品。

无论在工业生产还是日常生活中，电力已经已经成为现代人类社会中不可缺少的重要能源之一，电力用户对电力的可靠性及电能质量的要求都在不断提高。

随着科技进步和工业的不断发展，在电力负荷不断增长的同时，非线性和冲击性负荷也在不断的增长，这些负荷对供电系统电能质量造成了严重的污染。

另一方面，现代高度自动化和智能化的工业用电设备也对供电质量提出了更高的要求，现代电力系统的特征赋予了新的内涵和意义。

另外，随着社会经济发展，电力行业也在不断深化改革，发电与输配电体质分离、电能按质按量论价、电力网逐步实行商业化运营与市场交易已经是大势所趋。

由此可见当代电力系统除了保证电网安全稳定运行的基本要求外，还应把质量控制、经济运行和高效能量管理作为评估电力系统运行水平的重要内容。

什么是电能质量呢？

从普遍意义上讲，电能质量描述的是通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。

理想状态的供用电网应以恒定的频率、正弦波形和标准电压对用户供电。

但由于系统中的发电机、变压器、输电线路和各种设备的非线性或不对称性，以及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想状态并不存在，因此产生了电网运行、电力设备和供电环节中的各种问题，也就产生了电能质量的概念。

国内外对电能质量确切的定义至今尚没有形成统一的共识。

但大多数专家认为，电能质量的定义应理解为：

导致用户电力设备不能正常工作的电压、电流或频率偏差，造成用电设备故障或无动作的任何电力问题都是电能质量问题。

国际电工委员会（IEC）的61000-2-2标准将电能质量定义为：

供电装置正常工作情况下不中断和干扰用户使用电力的物理特性。

国际电气电子工程师协会（IEEE）标准化协调委员会对电能质量的技术定义为：

合格的电能质量是指给敏感设备提供的电力和设置的基地系统均是适合该设备正常工作的。

参考文献{1}对电能质量的定义是：

导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变、电压暂降与短时间中断以及供电连续性等。

1.2电气化铁路的组成

铁路的牵引动力设备是机车。

目前，我国铁路实际使用的机车有蒸汽机车、内燃机车和电力机车三种。

与此对应的铁路牵引方式也有蒸汽牵引、内燃牵引和电力牵引三种。

所谓电力牵引，就是由外电源供给动力车电能的牵引方式。

采用电力牵引的的铁路称为电气化铁路。

作为电气化铁路牵引动力的电力机车，本身不带电源。

他必须从外部电源和牵引供电系统获得电能，经过变化后，输送到牵引电动机。

是牵引电动机旋转，来驱动车轮转动进而牵引列车运行。

因此，电气化铁路除了一般的铁路线路、车站、通讯、信号等设施外，还包括特殊的牵引供电系统、电力机车以及相应的运行、维修和管理单位供电段、电力机务段电力调度及其主管部门等。

1．2.1电气化铁路电流制与额定电压

关于电气化铁路输电线路问题有过激烈的争论，以美、德和瑞士为代表的一方主张用单相工频交流电路；而以英、法等国为首的另一方则主张用高压直流电路。

单相工频交流制利用工业系统电网作为电源，经过降压即可使用。

由于采用比较高的电压25000伏和2*25000伏，接触网的电流减小，这样在输送同样功率的条件下，牵引变电所的距离可延长，接触网可以采用轻型结构，由于悬挂的重量减轻，支柱的容量可以减小，这些都直接降低建设的投资。

同时运营中电能的损失也大大降低。

但是由于电气化铁路采用的是单相电流对电网系统产生不平衡电流和电压，及负序电流和负序电压。

1.2.2电气化铁路的优越性和存在的问题

1、电气化铁路的优越性体现在以下几点：

（1）拉得多，跑得快，运输能力大

（2）节约能源消耗，综合利用能源

（3）经济效益好

（4）对环境无污染，劳动条件好，有利于实现净化运输

（5）有利于铁路沿线实现电气化，促进工农业发展

2、电气化铁路存在的问题：

在介绍电气化铁路的优越性的同时，也要指出它存在的下列问题：

（1）对电气化铁路牵引负荷供电的电力系统造成负序电流和负序电压的产生、功率因数低、高次谐波含量增大因数降低等不良影响。

（2）对沿线电气化铁路架设的通信线路有干扰

（3）基建投资比蒸汽牵引和内燃牵引大

（4）接触网检修需要“天窗”时间

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。

3SVC静止型动态无功补偿装置

3·1SVC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,同时还具有较快的回应速度,它能够维持端电压恒定

3·2SVC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

因子角;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

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′slaws）。

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）电力因子修正。

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′slaws）,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

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中国铁道出版社,1993.

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[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,1988.

[5]肖湘宁电能质量分析与控制[M].北京：

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[6]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）:

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北京：

中国电力出版社，2003.11