電氣化鐵路電能質量及其綜合控制技術.ppt

電氣化鐵路電能質量及其綜合控制技術,西南交通大學電氣工程學院,7.1電氣化鐵道電能質量問題,交直型電力機車諧波電流大：由相控方式決定；諧波為奇次諧波，主要為3、5、7次功率因數低產生負序電流交直交型電力機車功率因數接近1諧波含量低牽引功率大，負序問題突出,解決思路,諧波的抑制措施為減少諧波及其危害，可采取的抑制方法有：改進換流裝置設置濾波裝置此處重點介紹濾波器的原理。一、交流濾波器的用途降低電網的諧波電壓或減少進入系統的諧波電流。與并聯補償裝置配合使用，實現無功功率的補償。交流濾波器的安裝位置電力機車上牽引變電所中（牽引側）,濾波原理非線性負荷一般可視為諧波電流源。h次諧波下，系統、濾波器及非線性負荷的模型如下圖。系統諧波電流和諧波電壓分別為理想濾波器時，實際濾波效果取決于濾波器阻抗及系統阻抗的關系。,二、交流濾波器的分類1按接入系統的方式，可分為串聯和并聯兩種類型。串聯濾波器串入系統調諧濾波器，利用LC并聯諧振來阻礙諧波進入系統基波下呈感性經受全部電流，絕緣水平要求高并聯濾波器并入系統調諧濾波器，利用LC串聯諧振構成諧波通路基波下呈容性承受調諧的諧波電流和部分無功電流一般，并聯濾波器性價比要好于串聯濾波器。有時兩者可混合使用。,2按調諧銳度，可把并聯濾波器分為調諧濾波器和阻尼濾波器兩種調諧濾波器調諧在某一、二次較低次諧波上，其中串聯（等效）電阻很小，也稱高Q（品質因數）濾波器。阻尼濾波器在某一寬頻帶上呈現低阻抗（如高通阻尼濾波器），其（等效）電阻較大，也稱低Q濾波器。3按階數可把并聯濾波器中的阻尼濾波器分為一階、二階和三階等阻尼濾波器。重點討論并聯濾波器。,三、常用濾波器及其特性1調諧濾波器單調諧濾波器忽略電阻，相對阻頻特性為其中為單調諧支路的固有頻率,雙調諧濾波器,2阻尼濾波器常見的有一階阻尼和二階阻尼型兩種.一階阻尼濾波器二階阻尼濾波器,三階阻尼濾波器三階阻尼濾波器C型濾波器調諧濾波器比阻尼濾波器對元件參數精度要求高。元件參數變化及電網頻率偏移都會使調諧濾波器失諧。設計時，需要在諧振點上向感性區(qū)做適當偏移。,為加強濾波效果，最經濟有效的方法是對電氣化鐵道，采用3次、5次和7次單調諧濾波裝置。,負序在電力系統中所造成的不良影響，如額外占用系統及設備容量，造成附加網損，引起系統電壓不對稱，降低發(fā)電機和電動機出力等。為使電力系統經濟運行和提高電能質量，盡可能降低負序是十分必要的。,降低負序影響的措施,理論依據由負序電流的一般表達式來觀察負序的合成特性：,可見，在各種負荷條件不變的情況下，只要合理安排負荷所在的端口，就能最大程度的使構成負序電流的各分量互相抵消，從而減少總的負序電流。,抑制負序主要措施平衡接線變壓器換相連接并聯補償同相供電,1平衡接線牽引變壓器比較常用的是Scott接線牽引變壓器。其他三相兩相平衡接線牽引變壓器，如接線、LeBlanc接線、Wood-Bridge接線等很少用到。,Scott接線變壓器底（M）座繞組原邊接入電力系統AB相（線電壓），高（T）座繞組原邊一端接底繞組的中點D，另一端接入C相。,牽引變電所換相聯接,為整體減輕進入電力系統的負序分量，電氣化區(qū)段的各種接線的牽引變電所幾乎無一例外地實行換相聯接，即輪換接入電力系統的不同相。大量實踐證明，牽引變電所換相聯接對減少電氣化鐵道對電力系統的負序影響是十分有效的。,牽引變電所換相連接的基本要求,各變電所單相牽引負荷輪換接入電力系統不同相，使電力系統三相負載對稱。兩個相鄰牽引變電所的相鄰供電分區(qū)同相，便于越區(qū)供電（純單相變電所除外）。接觸網分相絕緣器承受電壓不超過網壓。（三相牽引變電所換相時要考慮重臂負荷安排在超前相）,1單相牽引變電所換相連接方案1：由3臺單相變構成相別循環(huán),電分相上承受電壓為,方案2：由6臺單相變構成相別循環(huán),電分相上承受電壓為,2Vv接線變壓器換相連接,（1）單相Vv相別循環(huán),3三相YNd11牽引變電所換相連接,YNd11牽引變壓器展開圖如下,接線規(guī)則：按照給定供電臂相序次邊：(c)端子接軌地；(a)端子接“+”電壓供電臂；(b)端子接“-”電壓供電臂。原邊：按YNd11牽引變壓器接線展開圖完成原邊接線,方法：先畫出展開圖，繞組定向，電壓均為網地，相別正負分別對應，可確定繞組上電壓相別，再根據原次邊繞組對應畫出原邊接線圖。,牽引變電所的并聯補償,1臂負荷（變電所）功率因數的提高下面以臂負荷功率因數的提高為例說明并聯電容補償的相關計算。,若將供電臂功率因數提高到，計算所需投放分補償容量。以為參考相量做相量圖和功率圖。,求得需補償的容量為,2功率損失的減少,供電系統在牽引端口的三角接等效電路如圖中方框內的部分所示，其中為歸算到牽引端口的三相系統短路阻抗與牽引變壓器等值阻抗之和，且。,則當三相負荷對稱時，由于負荷電流引起的三相功率損失為式中，供電系統相阻抗的電阻部分；變壓器次邊繞組電流；繞組電流的有功分量；繞組電流的無功分量。當采用并聯電容補償時，系統電流的有功分量大小不變，而無功分量減小，從而使功率損失相應減小。,則當三相負荷電流不對稱時，由于負荷電流引起的三相功率損失為式中，、系統三相電流有效值；、系統的正、負、零序電流；、正序電流的有功、無功分量。設置適當的并聯電容補償可減小正序電流的無功分量，從而減小總的功率損失。,3變電所母線電壓的提高以YNd11牽引變電所為例，考慮三個端口都有并聯電容的情形。假設牽引端口無負荷，臂電流為、和，即補償電容電流；對應的繞組電流為、和。,設引前，可畫如右所示的端口電氣相量圖。下面主要關注繞組電流及其在引起的壓降和壓損。,以端口1為例，繞組電流所產生的牽引母線的電壓降為則電壓損失為化簡后得由于上式中第一項接近于零，所以端口1的母線電壓約提高了。,4并聯電容補償對負序電流的抑制,基本方法：計算變電所合成牽引負序電流。設置并補容量，設法使補償裝置的合成負序電流與反向。已知：以原邊A相電壓為基準所畫的負序相量圖中，各相負荷電流和并聯電容的負序電流分量的相位關系如表所示：,以YNd11變壓器為例：,取負荷電流、產生的負序分量為、，則牽引電流的合成負序電流為，三相并聯電容補償電流產生的負序分量分別為、。分三種情況討論。,此時，即牽引電流在系統側的負序分量基本為，以原邊相電壓為基準可畫出負序相量圖如下：為了抵消總的注入系統的負序電流，由相量圖知，應在a、b兩相設置并補。,（1）,此時，即牽引電流在系統側的負序分量基本為，以原邊相電壓為基準可畫出負序相量圖如下：為了抵消總的注入系統的負序電流，由相量圖知，應在b、c兩相設置并補。,（2）,（3）此時，以原邊相電壓為基準可畫出負序相量圖如下：由相量圖知，在b相設置并補即可。,7.2新型牽引供電系統,7.2.1牽引供電系統的負序、電分相與同相供電的概念2.1.1當前限制不平衡程度幾種措施2.1.2電分相對電力機車安全平穩(wěn)通過的隱患2.1.3同相供電的概念7.2.2同相供電的實現2.2.1采用無源對稱補償技術實現2.2.2基于有源補償技術實現7.2.3獨立供電系統2.3.1基本考慮與概念2.3.2獨立供電系統的構成2.3.3可靠性、可維修性與經濟性,既有牽引供電系統,2.1.1當前限制不平衡程度幾種措施,采用三相一兩相平衡牽引變壓器兩個端口負荷完全相同時，變壓器原邊三相電流對稱日本廣泛采用Scott變壓器和變形Wood-bridge變壓器。我國主要采用了阻抗匹配平衡變壓器和Scott變壓器。采用高電壓、大容量電源供電日本采用154kV，220kV和275kV三種電壓等級，法國采用235kV電壓等級，意大利采用130kV等級，西班牙采用132kV，220kV兩種電壓等級,2.1.1當前限制不平衡程度幾種措施,采用不平衡補償裝置如日本采用單相負荷補償裝置（SFC）采用換相聯接,2.1.1當前限制不平衡程度幾種措施,相鄰兩供電臂電壓相角相差120時，電分相上承受的電壓為供電臂電壓的倍。,相鄰兩供電臂電壓相角相差60時，電分相上承受的電壓等于供電臂電壓。,YNd11接線,2.1.1當前限制不平衡程度幾種措施,2.1.2電分相對電力機車安全平穩(wěn)通過的隱患,電分相不論在電氣上還是在機械上都是薄弱環(huán)節(jié)，當重載、高速列車通過時，由于絕緣器形成的硬點對受電弓構成嚴重威脅，同時絕緣器也常因拉弧而燒損；一般沿電氣化鐵路每50km設一牽引變電所，若列車以300km/h行駛，則每5分鐘就要過一次“電分相”。每當過“電分相”時，機車都要需要提前退級、斷電，并依靠慣性滑過“電分相”。待過去之后再重新給電、進級行駛。這給列車司機的操作帶來了很大困難，對于高速行駛列車，人工操作幾乎不可能；,2.1.2電分相對電力機車安全平穩(wěn)通過的隱患,接觸網“電分相”處一般有100m左右的無電區(qū)，有的甚至達到300m，在無電區(qū)，電力機車只能靠慣性通過。當“電分相”處于上坡的長大坡道線路時，機車牽引滿載的列車通過“電分相”就十分困難。目前解決該問題的一般方法是在“電分相”處裝設自動過分相裝置，但裝置復雜，且因電壓高、轉換動作頻繁，使其準確性和可靠度在應用中受到嚴峻挑戰(zhàn)，至今在使用中的技術缺陷依然存在。,2.1.3同相供電的概念,解決上述問題的理想辦法是采用新型的同相供電系統，即全線用同一相位的單相供電，更理想的是在同一線路或局界內貫通，則能最大限度地避免電分相，從而有利于重載和高速牽引。,2.1.3同相供電的概念,同相供電系統的優(yōu)點：各變電所結構和接線完全相同，一次系統不存在換相聯接，牽引側各供電臂電壓相同，從而可取消分相絕緣器，省去自動過分相裝置，避免了列車斷電過分相問題，實現了同相供電，消除了高速列車過電分相所存在的安全隱患，適宜高速鐵路運行;同時由于各變電所結構和接線完全相同，便于運行維護。由于對稱補償裝置作用，可以完全消除系統不平衡，濾除諧波并補償無功。使變化劇烈、含有大量諧波、低功率因數的不對稱單相牽引負荷，對電力系統而言僅相當于一個純阻性的三相對稱負荷。,2.1.3同相供電的概念,同相供電系統的優(yōu)點：可以最大限度地提高變壓器容量的利用率，常規(guī)的供電系統除單相變壓器外，無論是YNdll接變壓器，還是平衡變壓器（包括Scott變壓器、阻抗匹配平衡變壓器、三相變四相變壓器等）在實際中其容量都不能得到充分利用。以YNdll接變壓器為例，容量利用率只能達到76%。但基于YNd11接變壓器實現的同相牽引供電系統，變壓器容量的利用率可達100%。供電的靈活性和可靠性提高，可根據要求斷開或閉合分段斷路器，實現單邊或多邊或貫通式供電，使牽引網電壓損失和功率損失降低。,2.2同相供電的實現,采用無源對稱補償技術實現基于有源補償技術實現,2.2.1采用對稱補償技術構成的同相供電系統,同相供電使用的對稱補償就是三相單相系統中無功與負序的綜合補償。經各種接線變壓器和對稱補償來構成的單相供電系統可統稱為三相單相對稱補償系統。同相供電系統中的變電所分為三種：(1)全補償，它要求實現對稱補償，特別對負序有極好的抑制能力(2)半補償，對補償負序有適度要求；(3)不補償，只用牽引變壓器。,2.2.1采用對稱補償技術構成的同相供電系統,同相供電系統的牽引變電所的接線方式：線電壓型-能與單相牽引變壓器構成同相供電相電壓型-其他形式，主要代表是YNd11接線線電壓型的同相供電：一是既有或相似接線，主要是三相兩相平衡接線，其中多數接線具有兩重性，即能實現線電壓型，也能完成相電壓型的同相供電，如Scott，Leblanc，（變型）Wood-bridge及YN3d-1和YN等。因為，從等效觀點看，其牽引端口要么取之于三相系統的某一相電壓，要么取之于線電壓。二是特殊接線，不論是全補償，還是半補償，它往往追求對稱補償裝置的容量為最小或盡可能小。,2.2.1采用對稱補償技術構成的同相供電系統,（1）YNd11接線三相單相系統的對稱補償,綜合補償所要求的次邊3個端口的容性電流為：,為負序補償度,為無功補償度且有：,2.2.1采用對稱補償技術構成的同相供電系統,模式全可調補償,2.2.1采用對稱補償技術構成的同相供電系統,模式半可調補償（平均牽引負荷IT）,情形1兩非負荷端口設置可調補償,2.2.1采用對稱補償技術構成的同相供電系統,模式半可調補償（平均牽引負荷IT）,情形2單端口調節(jié),2.2.1采用對稱補償技術構成的同相供電系統,模式不可調補償（平均牽引負荷IT）,此時，各端口的并聯補償因不可調而由時平均牽引負荷確定。,2.2.1采用對稱補償技術構成的同相供電系統,YNd11接線牽引變電所三種模式的比較全可調補償（模式）有最完善的技術性能，能使無功（功率因數）、負序、母線壓損等得到綜合、理想的補償。半可調補償（模式）中的情形1除負序補償效果略優(yōu)于情形2外，無功（功率因數）、母線壓損等方面的技術指標都不及情形2，同時，情形2比情形1簡單，投資也少，故是半可調補償中的最優(yōu)方式。不可調補償（模式）的各項動態(tài)技術指標無法與可調補償相比，但其結構最簡，投資最省。,2.2.1采用對稱補償技術構成的同相供電系統,YNd11接線牽引變電所三種模式的選擇從技術方面講，當牽引變電所的一次系統較弱時，往往負序和壓損較為突出，這種各模式的選取順序往往是模式、；從經濟方面講，投資和收益要權衡，投資是按模式、依次遞增的，而使牽引變壓器節(jié)容、穩(wěn)定或提高網壓從而增加供電運輸的能力也依次遞增，從中再選出經濟效益最優(yōu)的模式?？偟目?，全可調補償（模式）更適用于電力系統較弱或牽引系統需要較大擴能的場合，不可調補償（模式）更適用于電力系統較強或牽引系統擴能要求不高的場合，半可調補償（模式，主要是其中情形2）則介于這二者之間。,2.2.1采用對稱補償技術構成的同相供電系統,（2）特殊接線實現三相單相對稱補償系統采用特殊接線方式完成三相單相對稱補償，有兩個目的：一是尋求無功、負序完備補償的最簡方式和最小容量二是能與單相接線牽引變壓器相配合，實現同相供電，以期盡可能利用電力系統承受負序的能力，簡化整個供電系統。實現三相單相對稱補償的特殊接線方式主要有不等邊Scott接線、不等邊YNvd接線、不等邊V/v接線和YN2d接線等。,2.2.1采用對稱補償技術構成的同相供電系統,不等邊Scott接線,并聯電容端口k與并聯電抗端口L相互垂直，端口1放置牽引負荷。則實現三相單相對稱變換的并聯補償電容器和并聯補償電抗器容量隨牽引負荷的變化情況為：,2.2.1采用對稱補償技術構成的同相供電系統,不等邊YNvd接線,用不等邊YNvd接線實現三相單相對稱變換的接線原理與端口電壓關系如圖。端口1仍置牽引負荷，端口k和端口l分別為并聯電容和并聯電抗。不等邊YNvd接線與不等邊Scott接線的端口電壓關系完全一致，即補償隨牽引負荷的變化情況仍為：,2.2.1采用對稱補償技術構成的同相供電系統,不等邊V/v接線,2.2.1采用對稱補償技術構成的同相供電系統,YN2d接線,2.2.1采用對稱補償技術構成的同相供電系統,YN2d接線,2.2.1采用對稱補償技術構成的同相供電系統,（3）不同接線形式特點比較基于YNd11接線三相變壓器實現的對稱補償具有如下特點：對稱補償裝置計算容量不能達到理論最小，即補償裝置容量利用率較低；需要在3個端口設置補償裝置，1個為感性，2個為容性，稍顯復雜；原邊采用接，可靈活地實現中性點大電流接地；不能輸出與相鄰的單相變壓器變電所同相位的電壓（因YNd11接線為相電壓，而單相接線為線電壓）；對稱補償后牽引變壓器原、次邊繞組的容量利用率均可達到100%；次邊有接繞組，可提供3次諧波勵磁電流通路。,2.2.1采用對稱補償技術構成的同相供電系統,基于Scott接線變壓器實現的對稱補償具有如下特點：對稱補償裝置計算容量不能達到理論最小，即補償裝置容量利用率較低；需要在3個端口設置補償裝置，1個為感性，2個為容性，稍顯復雜；原邊一般不宜用于中性點大電流接地；可輸出與相鄰的單相變壓器變電所同相位的電壓，實現同相供電；對稱補償后牽引變壓器原、次邊繞組的容量利用率均可達到100%，考慮補償無功時甚至超過100%；3次諧波勵磁電流要流入系統。,2.2.1采用對稱補償技術構成的同相供電系統,基于不等邊Scott接線變壓器實現的對稱補償具有如下特點：對稱補償裝置計算容量可達到理論最小，即補償裝置容量利用率較高；只要在2個端口設置補償裝置，1個為感性，1個為容性，結構簡單；原邊一般不宜用于中性點大電流接地；可輸出與相鄰的單相變壓器變電所同相位的電壓，實現同相供電；對稱補償后牽引變壓器原、次邊繞組的容量利用率較低；3次諧波勵磁電流要流入系統。,2.2.1采用對稱補償技術構成的同相供電系統,基于不等邊YNvd接線變壓器實現的對稱補償具有如下特點：對稱補償裝置計算容量可達到理論最小，即補償裝置容量利用率較高；只要在2個端口設置補償裝置，1個為感性，1個為容性，結構簡單；原邊采用接，可靈活地實現中性點大電流接地；可輸出與相鄰的單相變壓器變電所同相位的電壓，實現同相供電；對稱補償后牽引變壓器原邊繞組的容量利用率可達到100%，考慮補償無功時甚至超過100%，但次邊繞組容量利用率較低；次邊有接繞組，可提供3次諧波勵磁電流通路；次邊繞組接成vd形，相對比較復雜。,2.2.1采用對稱補償技術構成的同相供電系統,基于不等邊V/v接線變壓器實現的對稱補償具有如下特點：對稱補償裝置計算容量在一定條件下可達到理論最小，即補償裝置容量利用率較高；只需在2個端口設置補償裝置，1個為感性，1個為容性，結構簡單；原邊不能用于中性點大電流接地；可輸出與相鄰的單相變壓器變電所同相位的電壓，實現同相供電；對稱補償后牽引變壓器原、次邊繞組的容量利用率均可達到100%，考慮補償無功時甚至超過100%；3次諧波勵磁電流要流入系統。,2.2.1采用對稱補償技術構成的同相供電系統,基于YN2d接線變壓器實現的對稱補償具有如下特點：對稱補償裝置計算容量在一定條件下可達到理論最小，即補償裝置容量利用率較高；只要在2個端口設置補償裝置，1個為感性，1個為容性，結構簡單；原邊采用接，可靈活地實現中性點大電流接地；不能輸出與相鄰的單相變壓器變電所同相位的電壓；對稱補償后牽引變壓器原邊繞組的容量利用率可達到100%，考慮補償無功時甚至超過100%，次邊繞組容量利用率較低；次邊有接繞組，可提供3次諧波勵磁電流通路；次邊繞組接成2d形，相對比較復雜。,2.2.1采用對稱補償技術構成的同相供電系統,不同接線形式特點比較,7.2.2基于有源技術的同相供電系統,電壓波動補償裝置（RPC:RailwayStaticPowerConditioner）有功功率流通和無功功率補償，以此實現三相不平衡補償和電壓變動補償濾波功能日本東北新干線盛岡到八戶：新沼宮內和新八戶,RPC:MT座5MVA2沼宮內:GCT，2多重変圧器八戸:IGBT，四多重変圧器,RPC的基本原理,RPC功能,設置RPC的目的是實現三相電壓波動的最小化，最基本的控制目標為M座側和T座側的單相負荷功率相等，而且兩相的功率因數為1.0。M座和T座的無功功率補償量分別和M座負荷的無功功率和T座負荷的無功功率的值相等。RPC的補償作用的結果是三相系統中的功率達到平衡，相電壓和相電流變成同相位。此時，三相電壓波動基本上變成只受到系統阻抗的電阻部分的影響，得以控制在最小范圍之內。,諧波補償PMW控制的電壓型換流器能從直流側電容器電壓對交流側產生任意時刻的電壓脈沖電流。設置在變電所的RPC作為有源濾波器，對供電臂牽引負荷產生的諧波電流進行監(jiān)控，發(fā)揮補償作用。供電臂末端電壓的補償越區(qū)供電時，設置了RPC的變電所成為供電臂末端。RPC能測出供電臂末端的電壓，計算出電壓降補償需要的無功功率，對供電回路輸出無功功率，從而對供電臂末端的電壓進行補償。,變電所單線接線圖,新八戶變電所RPC回路構成（單相4并）,新沼宮內變電所RPC回路構成（單相2并）,日本東北新干線使用的RPC,控制模式和運行形式,P，Q控制：測出各座負荷的有功功率差和無功功率，利用RPC使Scott接線變壓器二次側的有功功率相等。同時利用無功功率補償控制進行無功功率補償，使Scott接線變壓器二次側的無功功率為零。Q控制：該控制只進行P、Q控制中的無功功率補償。H控制：檢測出列車負荷產生的3次、5次諧波，通過RPC供給相反相位的諧波電流成分，減少Scott接線變壓器二次繞組的諧波電流。V控制：越區(qū)供電時，線路阻抗增加，供電電壓降低。供電電壓下降到低于設定電壓時，RPC主動供給無功功率，補償電壓。,各控制功能的容量分配,7.3同相供電技術方案（過渡方案）,基于平衡變壓器的同相供電技術方案,過分相,電能質量,過分相,電能質量,中國方案,日本方案,YNvd接線平衡變壓器原理,同相供電系統的技術優(yōu)越性,過渡方案的主要特點：1、采用同相供電裝置的變換功能，將原有牽引變電所的兩相合并為一相，解決了變電所出口的分相問題，至少將全線的分相的個數減小一半，可大大提高運行的速度。2、全線可以實現同相，分區(qū)所兩邊的相位也可實現同相，過分相過程可大大減化。在一定技術條件下甚至可以實現完全的貫通供電。,同相供電系統的技術優(yōu)越性,3、采用平衡變壓器，采用同相供電裝置實現有功傳遞，使得兩供電臂的輸出功率完全相等，功率因數相同，在電力系統看來，牽引負荷完全對稱，使得日益突出的負序問題得到徹底解決；4、同相供電裝置可兼做無功諧波補償，不需要加其他設備就可以實現無功、諧波、負序的完美治理；5、同相供電裝置具有提高系統暫態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定的作用，實現牽引網電壓的穩(wěn)定，增加供電臂的供電距離，從而減少變電所數量。,同相供電系統的經濟優(yōu)越性,節(jié)省了在電分相上的投資和運營維護費。朔黃線自動過分相裝置投資約為400萬元。采用車上自動過分相，則需在線路旁邊設置磁鐵，在車上加裝控制器，平均每車增加投資約10萬元。節(jié)省大量固定容量電費負荷的均衡性得到改善，并且一次側容量利用率為100，較之目前用于弱電源的Vv接線方式能減少安裝容量。功率因數始終近似等于1，節(jié)省了無功罰款。,示范工程（眉山牽引變電所