电气化铁道动态无功补偿.doc

20072008学年第 二 学期毕业论文课题名称： 电气化铁道动态无功补偿 设计时间： 2008.22008.5 系 部： 班 级： 姓 名： 指导教师： 总 目 录 第一部分 任务书第二部分 开题报告第三部分 毕业设计报告第 一 部 分任务书毕业设计任务书系 部电子工程系指导老师职 称学生姓名班 级学 号03490158设计题目电气化铁道动态无功补偿设计内容目标和论文要求毕业设计内容和目标：调查研究、查阅电气化铁道动态无功补偿方面的文献并搜集相关资料；了解电气化铁道动态无功补偿的要求和发展现状；介绍本课题的设计思路，确定设计方案并加以阐述；撰写开题报告；说明设计成果及主要参考文献。毕业设计论文要求：正文要求在8000字以上；论文包括摘要、目录、正文、参考文献、致谢；按学院论文统一标准格式撰写。设计方案应可行并具有一定的先进性、经济性和实用性。学生签名教研室审核 第 二 部 分开题报告毕业设计（论文）开题报告书学生姓名专业班级学号题 目电气化铁道动态无功补偿指导教师职称学 位题目类别 工程设计 基础研究 应用研究 其它【课题的内容与要求】查阅电气化铁道动态无功补偿方面的相关资料；了解电气化铁道动态无功补偿要求和发展现状；确定设计方案；并进行相关控制的电路方案设计和程序设计。绘制控制电路图纸，撰写设计报告。【前言】电气化铁道的谐波含量多，功率因数低下，其单相独立性又在电力系统中造成负序电流。无功、负序和谐波成为电气化铁道日趋严重并急需解决的问题。电气化铁道的特殊供电方式三相变两相及其特殊的负荷情况，极易造成大量的谐波和无功功率。严重影响供电电网的电能质量，同时也影响自身的正常运行。本文介绍了用于配电系统动态无功补偿的晶闸管投切电容器(TSC)的基本原理、分类、主电路形式。针对电气化铁道的无功产生的特点，选用晶闸管投切电容器（TSC）来进行无功补偿，分别投切不同组数的晶闸管投切电容器（TSC），用MATLAB仿真出结果，通过比较选出最优的投切组数，以提高功率因数。【方案的比较与评价】某一时刻不同负载条件下，通过仿真结果可以求解出相应的功率因数。比较功率因数的大小，投入3组TSC补偿效果比较好，功率因数得到明显提高。【预期的效果及指标】电气化铁路的无功功率补偿，基于MATLAB的仿真结果表明:用晶闸管投切电容器(TSC)来对电气化铁道进行无功补偿，对同一负载和不同负载的情况下，分别投入一组、两组、三组晶闸管投切电容器(TSC)，对他们的结果进行比较，某一时刻相同负载的情况下投入2组TSC时，以及某一时刻不同负载情况下投入3组TSC，补偿效果比较好、功率因数较高，很好地改善了供电质量,提高了供电系统的经济效益。【进度安排】2008 年02月 1 日 - 2008 年2 月 20 日选题、调研、收集资料2008 年 2 月 21日 - 2008 年3 月 10 日论证、开题2008 年3 月 11 日 - 2008 年4 月 20 日设计（写作初稿）2008 年 4 月 30 日 - 2008 年5 月 10 日修改、定稿、打印【参考文献】1 伍小杰，白钥，动态无功功率补偿的现状和展望，中国矿业大学信电学院，江苏 徐州 221008 1001-439X（2000）05-0019-04.2张巍，马文营，杨洪耕，电气化铁道谐波抑制与无功补偿的最优计算，四川大学电气学院，四川 成都 610065 继电器 第31卷 第八期 2003年8月15日.3 李夏青, 李力，牵引供电系统采用SV G 实现有源无功补偿方法研究与仿真 ， 石家庄铁道学院电子工程系, 河北石家庄 050043 文章编号: 100128360 (1999) 02200462494 张军,马文静，济南钢铁集团总公司自动化部逯志宏济南钢铁集团总公司，冶金自动化2002 年第4 期.5 崔国玮，李志民，TCR 动态无功补偿原理及滤波器参数的计算，包头钢铁学院 自动化与计算机工程系, 包头014010 包头钢铁学院学报 第4 期第284 288 页.6 曾光，阮锦生，钟彦儒，静止型无功补偿TCR阀监控系统的研制，西安大学 电力电子技术1995年第3期 1995.8.7 刘益良，TCT型静止无功补偿（SVC）装置和2*30t电弧生产8 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, 1993.【指导教师意见】（有针对性地说明选题意义及工作安排是否恰当等）同意提交开题论证 修改后提交 不同意提交（请说明理由）指导教师签章： 年 月 日 【系部意见】同意指导教师意见 不同意指导教师意见（请说明理由） 其它（请说明）系（部）主任签章： 年 月 日第 三 部 分毕业设计报告目 录第一章：综 述11.1 引言11.2 电气化铁道的发展及特点21.3 无功功率补偿简介31.4 几种常见的动态无功补偿方式41.5 本课题研究的目的及意义8第二章：电气化铁道的谐波及无功102.1 电气化铁道102.2 交流电气化铁道供电方式112.3 电气化铁道牵引变电站谐波分析及推算12第三章：电气化铁道动态无功补偿的实现253.1 TSC基本原理253.2 TSC的分类263.3 主电路273.4 无功检测303.5 仿真与分析31结 论46致 谢47参考文献48电气化铁道动态无功补偿摘 要 电气化铁道的谐波含量多，功率因数低下，其单相独立性又在电力系统中造成负序电流。无功、负序和谐波成为电气化铁道日趋严重并急需解决的问题。电气化铁道的特殊供电方式三相变两相及其特殊的负荷情况，极易造成大量的谐波和无功功率。严重影响供电电网的电能质量，同时也影响自身的正常运行。本文介绍了用于配电系统动态无功补偿的晶闸管投切电容器(TSC)的基本原理、分类、主电路形式。针对电气化铁道的无功产生的特点，选用晶闸管投切电容器（TSC）来进行无功补偿，分别投切不同组数的晶闸管投切电容器（TSC），用MATLAB仿真出结果，通过比较选出最优的投切组数，以提高功率因数。关键词：电气化铁道 无功补偿 晶闸管投切电容器 功率因数Study of Dynamic Reactive power Compensation in the electric RailwayZheng can0301 telecommunicationsAbstract: The electrified railway with rich harmonics varies randomly, the power factor is too low to meet the national standards. Moreover, the negative phase sequence (n p s) current is serious. It is significant and urgent to settle those problems. The special power supply way of the electrified railway-three phases are turned into two phase and special load situation, It is extremely apt to cause a large number of waves in harmony and inactive power. The paper introduces Thyristor Switched Capacitor (TSC) used in the power systems to compensate reactive power. The fundamental compensation proprinciple, classification , configuration of the main circuit. Characteristic produced to the inactive power of the electrified railway, through the thyristor-switched capacitor realized the inactive power is compensation, Switched different counts with TSC, by the MATLAB emulated the result, though comparing to elect optimum switched groups, in order to improve the power factor.Keywords: electrified railways reactive power compensation power factorthyristor-switched capacitor第一章：综 述1.1 引言随着现代电力电子技术的发展，电力电子技术、尤其是大功率变流、变频装置在电力系统的广泛应用给电力企业的电能变换带来巨大方便，并在工业生产过程中得到了广泛的应用。但这些装置功率因数往往很低，给电网带来额外负担并影响供电质量，同时还给电网带来日益严重的谐波污染。因此，对提高功率因数、治理谐波污染问题的研究已经成为电力电子技术、电力系统、电气自动化技术和理论电工等多领域的重大课题。无功补偿装置的主要作用包括提高负载和系统的功率因数，减少设备容量和功率损耗，稳定电压，提高供电质量，长距离输电中提高系统输电稳定性和输电能力，平衡三相负载的有功和无功功率等。谐波问题与无功功率问题对电力系统和电力用户都是非常重要的问题，也是近年来各方面关注的热点之一。谐波抑制和无功补偿是两个相对独立的问题，但是两者间的联系非常紧密：（1）存在谐波的情况下，无功功率的定义和谐波有密切的关系，谐波除本身的问题之外,也影响负载和电网的无功功率，影响功率因数。（2）产生谐波的装置同时也大都是消耗基波无功功率的装置，如各种电力电子装置、电弧炉的变压器等。（3）补偿谐波的装置通常也都是补偿基波无功功率的装置，如LC滤波器、有源电力滤波器中的许多类型多可以补偿无功功率。电气化铁路具有速度快、运输能力强、供电距离长、节约能源与造价、牵引性能好等优点，因而具有广阔的发展前景，是世界以及我国铁路发展的方向。但是，由于电气化铁路的负荷特殊，所产生的谐波、负序不仅影响到电铁牵引站的供电可靠性，对当地电网的安全可靠运行也产生了十分不利的影响。当前电铁谐波的抑制的主要措施是在谐波源头加装LC调谐滤波器、静止无功补偿器（SVC）或是有源电力滤波装置（APF或SVC）。（1）无源滤波器装置，即由电力电容器、电抗器、电抗器和电阻器适当组合而成的滤波装置。由于其结构简单、运行可靠、维护方便以及价格上的优势，得到了广泛的应用，但也有不少缺点：a.有效材料消耗大，体积大；b.滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调；c.滤波效果不够理想，对系统运行状态较敏感；d.系统频率特性变化时，在某些条件下可能和系统发生谐振或产生谐波放大，引发事故。（2）静止无功补偿器虽然可以根据无功功率需求量自动进行补偿，适合抑制快速变化的畸变负荷（如电力机车）所产生的电压波动和闪变，但是也必须注意它们自身所产生的谐波影响。（3）有源滤波器虽然在滤波效果、无功补偿效果、抑制电压波动及设备体积等方面都有较大优势，但是其投入实用的最大障碍是设备的高价格。在电铁牵引变电所加装无源滤波器，不仅可以吸收谐波电流，而且也能提高功率因数和电压质量。滤波装置的设计要求是以最少的投资达到最佳的补偿与抑制效果。1.2 电气化铁道的发展及特点和传统的蒸汽机车或柴油机车牵引列车运行的铁路不同，电气化铁路是指从外部电源和牵引供电系统获得电能，通过电力机车牵引列车运行的铁路。它包括电力机车、机务设施、牵引供电系统、各种电力装置以及相应的铁路通信、信号等设备。电气化铁路具有运输能力大、行驶速度快、消耗能源少、运营成本低、工作条件好等优点，对运量大的干线铁路和具有陡坡、长大隧道的山区干线铁路实现电气化，在技术上、经济上均有明显的优越性。世界上第一条电气化铁路，是德国的西门子公司和哈尔斯克公司于1879年在柏林贸易展览会上铺设的，长300米，轨距为1000毫米。此后，随着科学技术的发展、铁路运量的增长和对能源利用率的重视，全世界电气化铁路营业里程逐年增加，到90年代初，在130余万公里的铁路中，电气化铁路有18万公里，占铁路总里程的13.8%。我国的铁路电气化工程建设，是从1958年6月开始的。1961年8月15日，第一条电气化铁路-宝成线宝鸡至凤州段建成通车，运输效率显著提高，揭开了我国电气化铁路建设的序幕。在"内（燃）电（力）并举，以电为主"以及"大力发展电力牵引"方针的指导下，到1990年底，我国已建成16条电气化铁路，里程达7000公里。电气化铁路的牵引动力是电力机车，机车本身不带能源，所需能源由电力牵引供电系统提供。牵引供电系统主要是指牵引变电所和接触网两大部分。变电所设在铁道附近，它将从发电厂经高压输电线送来的电流，送到铁路上空的接触网上。接触网是向电力机车直接输送电能的设备。沿着铁路线的两旁，架设着一排支柱，上面悬挂着金属线，即为接触网，它也可以被看作是电气化铁路的动脉。电力机车利用车顶的受电弓从接触网获得电能，牵引列车运行。牵引供电制式按接触网的电流制有直流制和交流制两种。直流制是将高压、三相电力在牵引变电所降压和整流后，向接触网供直流电，这是发展最早的一种电流制，到20世纪50年代以后已较少使用。交流制是将高压、三相电力在变电所降压和变成单相后，向接触网供交流电。交流制供电电压较高，发展很快。我国电气化铁路的牵引供电制式从一开始就采用单相工频（50赫兹）25千伏交流制，这一选择有利于今后电气化铁路的发展。随着新技术、新材料的应用，电气化铁路在数量上和质量上都得到了很大的发展，电气化铁路已成为世界各国铁路现代化的重要标志。1.3 无功功率补偿简介功率因数，是对电能进行安全有效利用的衡量标准之一。从最初的因为大量感性负载投入电网带来的无功损耗，到后来由于各种非线性整流装置投入电网带来的谐波污染，再到现在的电力电子装置尤其是开关电源、变频器等功率变换装置的广泛使用而带来的大量谐波对电网的危害。无功功率补偿装置的主要作用是：提高负载和系统的功率因数，减少设备的功率损耗，稳定电压，提高供电质量。在长距离输电中，提高系统输电稳定性和输电能力，平衡三相负载的有功和无功功率等。目前，国内电网采用的电容补偿技术主要是集中补偿与就地补偿技术。就地补偿技术主要适用于负荷稳定，不可逆且容量较大的异步电动机补偿(如风机、水泵等)，其它各种场合仍主要采用集中补偿技术。下面是几种常用的补偿装置。（1）同步调相机；（2）静止补偿装置，目前来看，有发展前途的主要有直流助磁饱和电抗器型、可控硅控制电抗器型和自饱和电抗器型3种。上述第二种又可分为：固定连接电容器加可控硅控制的电抗器(fixed capacitorthyristor controlled reactor，FCTCR)；可控硅开关操作的电容器加可控硅控制的电抗器(thyristor switched capacitorthyristor controlled reactor，TSCTCR)3。1.4 几种常见的动态无功补偿方式1.4.1 SVG(静止无功发生器)目前我国电气化铁路牵引变电所无功补偿装置绝大部分采用并联电容器固定补偿模式。由于牵引负荷的剧烈变化,便造成轻载无功的过补偿和重载无功的欠补偿,其结果均造成牵引供电系统功率因数偏低。为解决上述问题人们进行了多方面的研究。研究用可关断晶闸管(GTO)构成无功补偿电源(SVG)对牵引供电系统进行无功补偿的原理和实现方法。在直流输电系统中,可以通过调节换流器的控制角来调节无功功率, 由于用SCR构成的换流器没有断流能力, 只能在控制角D为正的状态下运行,所以这样的换流器只能消耗感性无功功率。当用GTO 取代SCR 构成换流器时,就可以使换流器在D 角为正或为负的状态下都能运行, 这样换流器既能发出无功功率,也能吸收无功功率, 而成为双向可调的无功电源。由于电气化铁路牵引供电系统是一种三相不平衡负荷,其在三相系统中所产生的不平衡一般只在各相电压的幅值上有些不同,而不会引起各相电压相位的变化通过调节逆变器触发角,可实现与间的相位角差的调节,使SVG输出或吸收感性无功功率, 从而有效解决了并联电容器固定补偿的弊端。SVG的平衡调节特性可使牵引负荷的不平衡效应得到改善,并可提高牵引变压器的容量利用率。若以并联电容器固定补偿为基础,用SVG来调节无功补偿容量的峰谷差,这样不仅能实现无功功率的平滑、连续地调节,而且可减小SVG的容量,从而使设备投资减小。1.4.2 SVC（静止型动态无功补偿装置）随着电力电子器件的迅速发展,大功率交交变频装置在交流调速中得到了广泛的应用,但同时也出现了新的问题,即对电网造成的污染日益严重,产生这种污染的主要原因是用电负荷的电流波形中含有冲击无功分量和高次谐波分量。迄今为止,国内外已研究开发了多种使用于不同场合的改善电压波形、抑制冲击无功的动态无功补偿装置。济钢中厚板厂原有2套粗轧机装置, 没有有效的功率补偿装置。因此,电网质量比较差,现在济钢中厚板厂二期工程中,新上精轧机2 套交交变频装置,电机功率2×7000kW,与2套粗轧机装置同时连接到35kV母线上,因此,若不投建无功补偿系统,生产时,系统对电网的冲击和污染是可想而知的。根据济钢电网的实际,对轧机负荷交交变频对电网产生的无功与谐波进行了分析,并据此提出电网静止型动态无功补偿装置(SVC)的技术方案,利用国外先进技术,由德国西门子设计、制造SVC静止型动态无功补偿装置。SVC 系统的晶闸管功率模块采用世界先进的直接光触发晶闸管(LTT)。LTT使用的技术类似于电触发的晶闸管(ETT),与电触发晶闸管不同之处在于LTT晶闸管的陶瓷不是由门套管填充,触发的光脉冲通过金属接点直接施加到硅片的中心。LTT不需要高电势的辅助能源或逻辑电路,因此一个晶闸管模块的元件数量减少了90%。LTT没有内部门接点,特别是晶闸管故障无需机械弹簧。而长年操作后弹簧会出现疲劳,通过调查发现操作10多年后在某些情况下,会发生晶闸管爆炸事故,门接点是此类故障的原因。取消了晶闸管电势门驱动单元也就取消了部分放电的电势源和电磁干扰(EMI)。全部单个晶闸管的保护集成在LTT本身,使用过电压保护预触发控制,产生触发功率的激光二极管的寿命经实验超过40年。1.4.3 TCR（晶闸管相控电抗型无功补偿装置）随着电力电子技术的发展,大功率变流装置在电力系统中的应用日益广泛，这些装置给电力变换带来方便,但同时造成系统功率因数降低,电压波形畸变严重,成为电网“公害”。为此,各国专家在无功功率补偿、功率因数改善、滤除谐波、提高供电质量等方面作了许多研究1近年来发展并成功应用的TCR(Thyristo r Con t ro lled Reacto rs, 晶闸管控制电抗器)。目前，在国内许多超高压输电系统以及使用电弧炉、轧钢机等无功功率波动较大的场合，经常采用SVC装置。用以改善供电系统的稳定性，抑制电压闪变，抑制系统的过电压和谐波，改善其动态特性，提高负荷的功率因数。为了保证SVC装置正常工作，则需监控系统实时检测静补偿装置特别是TCR阀的运行状态。TCR动态无功补偿器包括三个组成部分：（1）滤波器组由5套单频调谐滤波器H2H6和1套高通滤波器H7组成1每套为三线制Y接线，其作用为提供恒定的超前基波无功(容性无功),并吸收负载和补偿器本身所产生的谐波。（2)TCR即晶闸管控制的线性电抗器TCR起着稳定器的作用, 产生可调的滞后基波无功(感性无功),与滤波器组的恒定超前无功一起输出可控的超前无功以补偿负载动态无功的需求与电抗器串联的2个反并联晶闸管组来控制电抗器中的电流,当它的相位控制角最大时为全关断状态,补偿器输出最大容性无功；当相位控制角最小时,由于电抗器的滞后无功和滤波器组的超前无功相互抵削。(3)调节控制单元这个单元的功能是依据一定的调节方式,检测负荷、电压、功率因数等参数作为输入信号,用以改变晶闸管的相位角,从而控制补偿器向系统提供的容性无功。TCR由于电网电压较高，因此每个晶闸管串联而成。监控系统主要是在运行实时检测六相阀上晶闸管元件的状态，以确保无功补偿装置安全可靠的运行。目前，无功静止补偿装置的市场形式很好，所以监控系统的微机变化是很有意义的，由于微控系统占有性能价格比的优势，可以大大的提高产品的竞争力8。1.4.4 TCT型SVC现代超高功率和高功率电炉，由于容量大，给电网造成很大影响：注入电网的谐波电流超过允许值；无功负荷的强大冲击引起电网电压剧烈波动；影响企业功率因数等。这些不良影响使电网电能质量恶化,不仅危害电气设备的安全运行，而且使电弧炉炼钢的产量下降，成为电网的主要公害。为了抑制这些公害,改善电网电能质量，国外广泛采用SVC。我国从80 年代开始对SVC进行研究,并先后试制出SVC产品。我厂炼钢分厂就应用了国产的第一套TCT型SVC装置，取得了良好的效果。TCT型SVC装置由高阻抗变压器、滤波器和晶闸管功率调节器三部分组成。高阻抗变压器在SVC装置中作为感性元件，用来吸收无功功率，它的内部结构与通常的变压器基本相同,不同之处是短路阻抗很大,=75%,高阻抗变压器的一次线圈接成“”形,是为了消除三次谐波等,二次线圈接成“Y”,晶闸管按三相交流调功器接线,实际上是一个负载短路了的三相反并联接线。三相各自经过零线形成回路,各相晶闸管独立换流,避免了相间的相互干扰,具备分相调节的功能。滤波器在TCT 型SVC装置中作为容性元件,有H2、H3、H4、H5四组谐波滤波器,它对于基波是容性无功发生源,提高功率因数,同时兼作高次谐波电流的滤波器,用以吸收电弧炉和晶闸管功率调节器本身产生的高次谐波等。经过对TCT型SVC装置抑制谐波电流、消除电压波动理论等方面分析后,从实际投运2年多时间看,TCT型SVC装置减少了电弧炉炼钢对供电电网的影响。本设备在以下几方面有显著作用;(1)减少了电网的电压波动，补偿后电弧炉炼钢的220kV系统电压和35kV系统电压基本不变。(2)提高了系统的功率因数。目前的运行统计报表表明,未装TCT型SVC设备前的功率因数为0.78左右,而投入运行后的功率因数达到0.95。(3)滤波后,35kV 母线在电弧炉炼钢时综合电压总畸变小于2%,H2、H3、H4 、H5四组滤波器注入电网系统的谐波电流从I2(2次谐波电流)I5(5次谐波电流)95%概率值分别为1.6A、3.2A、3.2A、8A,均在允许值内,滤波效果非常明显。综上所述,TCT型SVC装置在抑制谐波电流和消除电压波动及提高功率因数等方面的效果非常显著,发挥了各自的作用，各项综合技术指标达到了设计要求。1.4.5 TSC(晶闸管投切电容器)电气化铁道负荷变化剧烈，无功功率和电流随机波动。由于电容器组耐受冲击次数及机械开关自身特性等限制，可调无功补偿不会选用机械开关(如真空断路器等)。目前，国外一些国家开始采用晶闸管交流开关来改变补偿装置的无功出力,同时滤出一定量的谐波。其中在电力系统中使用最多、最著名的便是静止无功补偿器(SVC),它有可调电抗器和晶闸管投切电容器(TCR+TSC)方式和晶闸管投切电容(TSC)。TCR+TSC方式投资较大，结构复杂，且TCR有损耗，产生一定量谐波;TSC是SVC的简化方式，按单调谐设计多组某次或某几次滤波器，基波下各支路呈容性，由晶闸管投切电容器组，分级改变补偿装置的无功出力；某次谐波下偏调谐，兼滤该次谐波。因其装置寿命与投切次数无关，且投切的暂态过程很小，结构简单，响应速度快，不产生谐波。所以它是适用于电气化铁道特点和要求,最具应用前景的经济实用装置。带有降压变压器的TSC及补偿支路单调谐滤波器设计方法：正常网压范围内, 由于机车自身的调节功能，两条馈线之间的相互影响甚微，可认为牵引变电所各供电臂的取流具有单相独立性，可分别对两负荷端口进行n次单调谐滤波器的设计。在牵引变电所的负荷端口设置的单调谐滤波补偿支路由C2L串联而成，通常对n 次谐波从感性区域接近串联谐振，使该次谐波下支路阻抗呈感性，以至不会出现滤波支路与系统的感性阻抗发生谐振，导致谐波放大；但在基波下呈容性，可用于基波下无功、负序的补偿；考虑到工程上简单可行，两臂每组TSC采用相同结构；另外，由于降压变压器漏抗的影响，随着投入TSC的组数增加，包括降压变压器在内的补偿支路(5、7)次谐波容抗降低。因此,为了避免补偿支路在(5、7)次谐波下出现容性，而导致与系统发生谐振引起谐波放大，补偿支路滤波器参数设计以一组为基础。无功“返送正计”的计量方式下，当馈线负荷空载概率较高时，应放弃使用原有固定补偿模式，完全采用TSC可调电容补偿，根据无功大小动态投入或切除一定组数的补偿支路，避免FIX长期投入而造成的空载下大量无功返送；如果空载概率不高，在原有固定补偿模式下，过补偿不严重，则从投资和更好地兼顾滤波起见，应考虑采用FIX+TSC方式。要解决目前电气化铁道牵引变电所功率因数过低的问题,必须采用可调补偿。1.4.6 几种常见的补偿方式的比较名称可控饱和电抗器TSCTCRTCT响应方式(ms)60201010调节方式连续阶梯连续连续谐波大（5次25%，7次10%）无小（5次5%，7次2.7%）同左损耗大（46%）小小（12%）小噪音大小小小设计方式需降压变压器同左直接接27.5Kv需降压变压器1.5 本课题研究的目的及意义随着电网规模的不断扩大，以及各种用电设备接入电网消耗大量的无功，无功不足和电压波动大的问题日益突出。这时仅靠调节发电机励磁电流的手段已经不能满足要求。从20世纪初开始，人们就对无功补偿技术进行了大量的研究，为改善负荷功率因素，逐步采用了同步调相机、并联电容器、并联电抗器、串联电容器、现代静止补偿器等无功补偿手段。控制方式也有集中式控制、分散控制和关联控制等方式，控制策略更是从经典控制转入了智能控制。电气化铁路是重要的电力用户，其无功问题也一直很严重。提高电气化铁路功率因数有两种方法：一是提高负荷（电力机车）的功率因数，这可通过改造原有电力机车或研制高功率因数的电力机车来实现；二是实时监测、调节系统的无功功率，使功率因数始终保持较高值。前一种方式由于需要大量的资金，短时间内还不能实现。现在比较常用的无功补偿装置有两种：一是开关投切电容器组；二是使用晶闸管控制电抗器（TCR）谐波含量大。本课题的主要目的是：对无功补偿装置的控制方案进行研究，确定一种更有效的、对电网更有利的控制方式；用晶闸管投切电容器（TSC）对电气化铁道的无功功率补偿进行研究。第二章：电气化铁道的谐波及无功2.1 电气化铁道电气化铁道是以电能作为牵力的一种现代化运输工具，它的发展史有一百多年。在电气化铁道上的列车由电力机车牵引，电力机车本身不带生产能量的装置，也不能储备燃料，所需的电能由电力部门供给的。先由发电厂、站把电能经过电网输送到区域变电所，再经过高压输电线路部门的牵引变电所，然后用馈电线将它馈送到架设在铁路线上方的接触网上，并以回流连接线与钢轨连接，构成回路。电路机车通过受电弓及车轮，与接触网导线轨道接触，机车受电（见图2.1）。上述铁路牵引变电所、馈电线、接触网、轨道回路等称作电气化铁道的牵引供电系统。图2.1电气化铁道的牵引供电系统在电气化铁道的牵引供电系统中，根据电流和电压的不同，大致可分为直流制和交流制两种供电方式。在交流牵引供电制中又可分为低频单相交流制和工频单相交流制两种。低频单相交流制出现在本世纪初，采用的频率和供电电压为16.67HZ1500V。在德国、瑞士、奥地利、挪威等电气化发展比较早的国家里，至今仍全部或大部分采用这种供电制；而美国则采用的是25HZ1100V。目前，低频单相交流制约占世界电气化铁路的17.5%。虽然它具有交流制的许多优点，但由于它采用的频率较低，与目前广泛使用的50或60HZ的工业频率不一致，不能直接利用50或60HZ工频三相交流电，而需要在变电所设置复杂的频率交换装置，或建立铁路专用低频发电厂。因而，低频单相交流制在世界上没有得到广泛采用。50或60HZ工频单相交流制是近四十年来发展起来的一种供电方式。在这种供电方式中牵引变电所将三相交流电中的一相送至接触网上。将交流电的大容量整流器是装在机车上的，在电力机车上仍然用直流串激电动机。工频单相交流制排除了直流制和低频单相交流制的缺陷，能直接从具有巨大容量的电力系统取得电能，它是牵引供电方式中的后起之秀，发展很快，采用的国家越来越多，现在已占世界电气化铁路的32.5%。2.2 交流电气化铁道供电方式我国电气化铁道采用工频单相交流制。其供电系统可见图2.1，其中牵引变电所将110或220千伏三相电变成27.5千伏单相，经馈电线送往接触网。牵引变电所沿电气化铁道分布，两个牵引变电所之间，为了使其安全可靠地供电，通常在中间断开，分为互相绝缘的两部分，每一部分称一个供电分区，又称为供电臂。在其供电臂的末端即在两个供电臂交界处设有分区亭，装有分相装置及短路器，对接触网起到分段与保护的作用。下面介绍牵引变电所向接触网供电方式。一、 按供电臂的接线方式分区（一）单边供电在电气化铁道上行驶的电力机车，只接受某一方向变电所提供的电，称为单边供电。由于单边供电在接触网发生故障时。只影响本供电臂，波及范围小，而且馈电线保护装置也比较简单。（二）双边供电在电气化铁道上行驶的电力机车，接受两个不同方向变电所提供的电流，称为双边供。采用这种供电方式，机车由两个变电所取流，牵引变电所的负荷较均匀，电能损失小，供电质量好，但是接线及继电保护装置较复杂，在有故障时，两供电臂同时停止工作。因此，目前我国采用的是单边供电方式。二、按对周围环境有无防护效果及防护设备的形式分（一）直接供电方式这种供电方式以承力索和接触导线并联组成接触网作为馈电线，以钢轨和大地作为回流单线。（二）吸流变压器供电方式将容量为数百千伏安，变比为1：1的电力变压器每隔2-4公里设置于牵引供电回路中，它能迫使由大地返回变电所的机车电流绝大部分经由钢轨及回流线流回牵引变电所。这种供电方式称为吸流变压器供电方式，简称BT供电方式。（三）自藕变压器供电方式由自藕变压器、正馈线、接触导线、钢轨和保护导线组成的牵引供电系统，它也能迫使绝大部分机车电流经由钢轨及回流线流回牵引变电所。这种供电方式称为自藕变压器供电方式，简称为AT供电系统。以上简介饿牵引供电的不同供电方式，我国主要采用的的是单边供电系统，其中直供、吸流变压器和自藕变压器供电方式都投入了实际使用。2.3 电气化铁道牵引变电站谐波分析及推算我国约有3000kM的电气化铁路，其电力机车为单相27.5kM交流电，由专用牵引变压器提供，一次侧三相进线连接到110Kv电力网，二次侧输一般牵引变压器为三相变两相变压器出则为两独立的单相27.5kV交流电，每路各承担一组牵引供电臂，每一供电臂上可同时有多辆电力机车运行。由于电力机车为非线性整流负荷，从而产生谐波电流经牵引网传输至供电臂首端叠加后注入牵引变压器馈入电力电网，及每一牵引变压器都是一个动态的谐波源，每一个牵引臂的负荷(电力机车)是随时变动的，无功功率也是变化的，导致末端电压变化较大影响电力机车出力，不采用补偿措施时，功率因数大约在0.50.7,年罚款量很大。若不加以处理，将严重污染电网质量。2.3.1 谐波分析在各种机车运行方式下，对供电臂送端总电流的谐波含有率进行实测统计，作为谐波计算的依据，韶山型统计值如表HRI为前H次谐波的总畸变率： (1)H13579111315HRI1002010.56.03.52.51.81.523.88表2.1供电臂谐波电流含有率实测统计值设供电臂实测统计的各次谐波电流含有率为当已知供电臂电流为I时，略去H次以上的谐波，注入牵引变压器的前H次谐波电流及总量按下式计算： (2) (3) (4)输入电网系统不平衡谐波的特点：(1)特征谐波均为奇次谐波。(2)两臂有机车时，输入系统的所有不平衡谐波（包括奇波h=1），分为3类：令m=0,1,2,，则h=3m+1为正序谐波（相序为A,B,C）；h=3m+2为负序谐波（相序为A,C,B）；h=3m+3时，当两臂电流初相角相等时为年零序不平衡谐波，其相角两相同一相反相。当只有一臂有机车时，相当于低压测施加饿一个单相谐波源，各次谐波均为零序不平衡谐波。(3)各次谐波序电流均可分解为正序分量和负序分量。而没有零序分量，在两相和单相负荷供电方式之下，低压侧各次三相谐波量和为零，均不含零序分量。所以变压器绕组对机车谐波电流无任何阻挡作用，全部机车谐波电流注入电力电网系统。以普遍采用的Y/d11接线牵引变压器为例，如图2.2所示，设系统电压为三相对称正弦波，两供电臂相位差为，以超前相电压为参考，两臂h次谐波电流的复数形式为: (5) (6) (7)式中即b臂、a臂参照与各自供电臂电压的h次谐波初相角图2.2 Y/d11牵引变压器