探析牽引網(wǎng)的無功補(bǔ)償和諧波治理論文
1 概述
電氣化鐵路的牽引動力是電力機(jī)車，機(jī)車本身不帶能源，所需能源由電力牽引供電系統(tǒng)提供。牽引供電系統(tǒng)與一般工業(yè)用戶不同，它是一個(gè)不對稱的單相牽引負(fù)荷，會造成電力系統(tǒng)三相負(fù)荷的不平衡，由于電力機(jī)車自身的特點(diǎn)又會產(chǎn)生大量的無功功率和諧波污染對周圍的電力系統(tǒng)和本身的電能質(zhì)量都造成了極大地影響。因此，牽引供電的電能質(zhì)量問題成為現(xiàn)在電氣化鐵路建設(shè)待解決的問題之一。
2 牽引網(wǎng)中關(guān)于電能質(zhì)量主要存在的幾點(diǎn)問題
2.1 功率因數(shù)過低的問題
直流傳動電力機(jī)車無功功率大，功率因數(shù)低也是比較嚴(yán)重的問題，雖然采用過諸多措施，如變電所并聯(lián)電容器的靜態(tài)無功補(bǔ)償，采用這一措施的目的是提高功率因數(shù)，降低諧波。但是現(xiàn)在的計(jì)量方式已經(jīng)改變，采用反轉(zhuǎn)正計(jì)的無功計(jì)量方法后，增加補(bǔ)償容量卻取得相反的效果，即補(bǔ)得越多，反送無功越多，功率因數(shù)越低，過補(bǔ)償十分突出。原有固定并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置和固定補(bǔ)償模式已無法達(dá)到提高功率因數(shù)的目的。
2.2 電壓跌落的`問題
電力機(jī)車通過供電區(qū)域時(shí)，由于無功功率的作用導(dǎo)致供電區(qū)域的電壓跌落嚴(yán)重，嚴(yán)重的甚至影響電力機(jī)車的正常運(yùn)行，以及周邊電網(wǎng)的電壓等級。
2.3 諧波污染的問題
電氣化鐵路的電力牽引單相整流機(jī)車使?fàn)恳儔浩鞲邏簜?cè)電流以及電壓發(fā)生畸變，所產(chǎn)生的大量高次諧波分量通過牽引變壓器的高壓側(cè)注入電力系統(tǒng)，電力機(jī)車是一個(gè)很大的諧波源，主要含有3、7 次諧波。這些諧波電流的存在嚴(yán)重破壞供電網(wǎng)的基波電壓電流的質(zhì)量，致使電機(jī)電器溫升增加和產(chǎn)生振動。影響電機(jī)的機(jī)械壽命，還會對周圍的電力系統(tǒng)造成破壞。
3 牽引網(wǎng)的無功補(bǔ)償和諧波治理方案
電氣化鐵道負(fù)荷變化劇烈，無功功率和電流隨機(jī)波動。國內(nèi)的無功補(bǔ)償廠家采用晶閘管交流開關(guān)來改變補(bǔ)償裝置的無功，同時(shí)濾出一定量的諧波。
最優(yōu)化的補(bǔ)償模式就是采用小容量的固定補(bǔ)償，根據(jù)每個(gè)牽引變壓器的供電容量固定補(bǔ)償變壓器的空載損耗，采取分級投切的動態(tài)無功補(bǔ)償裝置TSC(Thyristor Switched Capacitor)+FC(Fixed Capacitor)+TSF(Thyristor Switched Filter bank)的補(bǔ)償及濾波方式，它能采集進(jìn)線裝置的工作電壓和電流，并能計(jì)算出設(shè)備的帶載率，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)補(bǔ)償，并濾除部分諧波。
4 TSC 補(bǔ)償設(shè)備的性能特點(diǎn)
5 牽引網(wǎng)最佳的補(bǔ)償方案
通過分析TSC 補(bǔ)償設(shè)備的特點(diǎn)，不難看出在快速調(diào)節(jié)無功變化的場合，TSC 補(bǔ)償設(shè)備有不可替代的優(yōu)越性，晶閘管電子無觸點(diǎn)開關(guān)既具有過零投切涌流小，無過電壓的優(yōu)點(diǎn)，又解決了工作時(shí)散熱的問題。在實(shí)際工作中，其操作壽命幾乎是無限的，可以頻繁投切，投切時(shí)刻是可以精確控制，實(shí)現(xiàn)無過渡過程的平穩(wěn)投入和切除(動態(tài)響應(yīng)時(shí)間0.01~0.02s)。
而針對于牽引網(wǎng)供電的特點(diǎn)，牽引網(wǎng)根據(jù)各個(gè)區(qū)段不同，其供電的負(fù)載率各不相同，因此不能采用單純TSC 補(bǔ)償模式，因?yàn)闋恳W(wǎng)的供電容量較大，而且無功波動也非常大，而TSC 每組的投切容量有限，而如果增加TSC 的投切組數(shù)，就會增加投資。而對于大容量的補(bǔ)償負(fù)荷又起不到應(yīng)有的補(bǔ)償效果。
同時(shí)，由于現(xiàn)在采用的“反送正計(jì)”的計(jì)量手段，因此，單純的采用大容量的固定補(bǔ)償電容器組又會造成低負(fù)荷時(shí)該區(qū)段過補(bǔ)嚴(yán)重，也會影響到補(bǔ)償效果。
針對牽引網(wǎng)供電的特點(diǎn)，提出靜止補(bǔ)償模式FC 與TSC 動態(tài)補(bǔ)償模式配合使用的方法，配合原則是：(1)FC 固定補(bǔ)償電容器組針對于牽引網(wǎng)變壓器的空載損耗以及基礎(chǔ)負(fù)荷進(jìn)行補(bǔ)償，確保在沒有其他動態(tài)負(fù)荷存在的情況下，保證牽引網(wǎng)供電變壓器的公共連接點(diǎn)的功率因數(shù)計(jì)量達(dá)到0.90 以上。(2)TSC 動態(tài)補(bǔ)償電容器組針對于牽引網(wǎng)負(fù)荷變化做出快速補(bǔ)償，確保能夠跟蹤牽引網(wǎng)中動態(tài)負(fù)荷的無功變化，確保在有動態(tài)負(fù)荷存在的情況下，保證牽引網(wǎng)供電變壓器的公共連接點(diǎn)的功率因數(shù)計(jì)量達(dá)到0.90 以上。(3)通過FC+TSC的配合補(bǔ)償?shù)淖饔茫範(fàn)恳W(wǎng)該區(qū)段的月平均功率因數(shù)達(dá)到0.9 以上滿足供電局對用戶的要求。
牽引網(wǎng)FC+TSC 的補(bǔ)償一次系統(tǒng)，左側(cè)為TSC 快速補(bǔ)償模式、右側(cè)為FC 固定補(bǔ)償模式。
6 結(jié)束語
在電氣化鐵路飛速發(fā)展的現(xiàn)在，隨著電能質(zhì)量問題在電氣化鐵路中凸顯，嚴(yán)重制約了電氣化鐵路的發(fā)展，因此采用更加科學(xué)可靠的電能治理方案是現(xiàn)在亟待解決的問題，特別是在鐵路電氣化還不發(fā)達(dá)的地區(qū)尤為重要，相信在不遠(yuǎn)的將來，更加安全高效的補(bǔ)償方案會隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生，為電氣化鐵路的發(fā)展提供新的電能治理方案。
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