谐波抑制在接触网供电领域的关技术研究.docx
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谐波抑制在接触网供电领域的关技术研究
谐波抑制在接触网供电领域的关技术研究
电气化铁路正成为大家出行的热门选择,电气化铁路在给大家带来方便快捷的同时,也带来了很多负面的产物。
作为电气化铁路的能量来源,牵引供电系统中谐波的危害已经越来越被关注。
谐波不仅影响电力系统电能质量,同时影响牵引变压器、机车电动机的使用寿命;同时,还能造成自控系统的二次保护误动作,影响动车组列车正常运行,造成晚点,影响公众出行。
此外,同一供电网络内不同车型产生的谐波随接触网传播加剧了对接触网供电和通讯的干扰。
因此对牵引供电系统中的谐波的来源、谐波成分进行分析,对其特性和抑制方法进行研究,具有重要意义。
用电设备的非线性特性产生的谐波电流在系统中引起谐波电压,降低了系统的电压质量,并带来其它危害,如造成保护误动、损耗增加、变压器和线缆降容量使用等。
近年来,随着静止变频器、周波变流器、异步电动机和电弧发生装置的使用,产生了所谓的次谐波和间谐波对电动机造成的损害远大于普通的3、5次谐波,会严重影响电机的使用寿命,造成重大经济损失。
本文简要概括了机车与接触网对牵引供电系统中谐波的影响,介绍了一种优化傅里叶算法,用于分析牵引供电系统中的谐波;通过在不同条件下对高密牵引变电所谐波的测量,对其成分和特点进行了细致的分析,发现谐波含量不随牵引负荷的增加而增加,在电流合成效应下,随着动车组的增加而呈现减少趋势。
在此基础上,提出了谐波抑制的方法;并介绍了AT所自耦补偿和一种混合有源滤波器,并在营口变电所进行了谐波参数、谐波抑制效果的测试。
通过对测试结果进行分析,验证了其合理性,为以后进一步深入研究提供了参考。
关键词:
谐波分析;动车组;混合有源滤波器;谐波抑制
1960年我国第一条电气化铁路宝成线建成,标志着我国进入电气化铁路时代。
历经60多年的学习与艰难探索,同时伴随着科技的日新月异与工业产业化的突飞猛进,我国电气化铁路及电力机车从无到有、从时速30公里到京沪高铁动车组重联冲高试验时速486.1公里、从低吨位到大秦铁路的万吨重载的不断进步,电力机车从韶山系列到今天的CRH380系列动车组的在线运行,无不实现了飞跃。
回顾发展的历史,宝成线是值得一提的,因为开创了历史。
1998年哈大线第一次引进RE200的德国西门子技术,应该说是一场阶段性的革命,也让铁路人看到了与国外发达国家真正的差距,但这条电气化线路受轨道状况的影响,开通运营速度只达到了时速120公里。
2002年开工建设的秦沈客运专线是我国对客专领域的又一次探索,在全国第六次铁路大提速后开创了我国铁路运营速度的先河,实现了时速250公里的在线运行。
严格意义上讲,秦沈客运专线是我国第一条客运专线,也为我国开工建设时速300公里以上高速铁路积累了宝贵经验。
高速电气化铁路(highspeedelectricrailway)是行车速度在200km/h~350km/h的电气化铁路。
国际上一般将铁路行车速度在100km/h及以下者称为常速,在200km/h以下称为快速或准高速,在200km/h以上至350km/h者称为高速。
其中日本新干线1952km,法国TGV1282km,德国ICE427km,意大利ETR237km,西班牙AVE471km[1]。
高速铁路近几年的发展方兴未艾,2010年12月4日,在京沪高速铁路试车的过程中跑出了486.1公里/小时的顶级速度。
虽然经历了7.23事故以后,对于高速铁路的建设与发展影响巨大,也引起了高铁领域学者的进一步思考和研究。
这也是在急速发展的过程中的“震荡调整”,我认为随着高铁技术的日臻完善,高铁事业仍然具有强大吸引力,仍然是公共交通中努力发展的方向。
大家在享受电气化铁路高效、运能、环保、快速、舒适的同时,电气化铁路供电系统产生的谐波也正在危害着供电系统自身的设备及上一级电网的运行安全。
2010年12月10日,在太中银铁路山西段发生一起牵引变电所跳闸事故,引发了上一级220千伏变电所跳闸。
经调查,在吴城至吕梁区间上行供电臂上两辆电力机车同时启动,由于此区间线路坡度很大,就造成了电力机车长时间的以大电流的方式向接触网取流。
峰值电流达到了1200A。
造成了吴城变电所的跳闸。
吴城变电所牵引变压器的整定电流是1000A,以上所述而言,吴城变电所跳闸无可厚非,属于正常的过流保护跳闸。
但是,引起上一级220变电所跳闸就不正常了,作为上一级的变电所,它对铁路供电臂的整定电流大于1500A,瞬间产生的大电流对它不能造成影响。
谐波的产生是造成此次事故的直接原因之一,重载的电力机车在坡道启动的时候,由于需要很大牵引力,会造成电力机车在钢轨上打滑,从而引起电力机车会很大幅度的震颤,造成受电弓的离线,在瞬间高频次的离线,就会产生谐波,对电网造成很大的危害。
鉴于此,很多省市、自治区国家电网在电气化铁路开通送电之际,都会向铁路建设部门收取高额的高可靠供电费及谐波治理费用。
高速铁路每个供电区段都很长,一般要达到60公里以上,在这样的区间里三辆动车组启动运行是常态化的。
电气化铁路供电系统存在自然功率低且负载具有非线性和波动性等特点。
在电力机车运行过程中随着线路坡度、启动和制动等不同运行条件而剧烈变化,会对电网的动态的无功补偿造成影响。
研究的意义
本课题研究的意义在于,深入分析动车组列车、接触网及牵引变电所在运行中产生的谐波的特点,针对各种设备的特点,抑制谐波对电网的危害。
从而达到保护上一级变电站的正常运行。
将高铁整个供电系统的谐波产生抑制在可控范围之内,使得高铁供电系统及上一级电网安全、高效、环保、高质量的运行。
对谐波的分析及抑制方法的研究已经进行了几个世纪了,对其的研究大体上分为四个方面,一是谐波产生的机理研究;二是谐波谱的分析及其次生灾害;三是如何补偿和抑制谐波;四是谐波参数的测量和谐波抑制标准的研究。
谐波主要是由于用电设备的非线性特性造成,如单相负荷、IT行业和办公设备中大量使用的开关式电(SMPS)、电弧式负荷包括电弧熔炉、弧焊设备、公共照明系统中大量使用的荧光灯负荷等。
图1.1为典型的计算机负荷的负荷特性(示意)。
可见该类设备呈现出非常明显的非线性特性,电流畸变情况非常严重,包含大量的谐波成分。
将畸变的非正弦信号分解为各谐波成分的工具是傅里叶算法,通常的分析表明各谐波成分呈现如下特性:
①偶次谐波,如2、4次谐波等,将造成畸变的波形在正负半周内波形不对称。
②奇次谐波,如5、7次谐波等,不改变畸变波形在正负半周内的对称性。
③通常的线电流中不包括3、9次等3的倍数次谐波,但在有中线的系统中中线流过大量这类谐波。
④谐波通常造成很高的波形因子(crestfactor)。
波形因子是波形峰值与有效值的比值。
过高的波形因子将造成变压器必须以低于额定容量的方式工作。
谐波问题不仅是传统意义上电气问题、它严重的危害了国家电网电能质量,而解决起谐波问题来也非常棘手。
抑制谐波是大家比较关注的课题,抑制谐波的方法有两种,事前控制(预防)和事后控制(补偿)。
第一方面对谐波产生设备进行升级改造,降低设备的谐波输出。
比如电力机车增加晶闸管滤波,提高接触网的品质,降低离线率,提高电力机车取流的稳定性等。
事后控制(补偿),也就是安装有源滤波器,来清除供电系统中的谐波。
例如在接触网供电臂的中段增加AT所,以提高系统供电质量(这属于输电线路范畴),在变配电所串并入大功率电容、电抗来实现补偿。
目前看来,并联补偿还是抑制谐波最为行之有效的技术手段之一。
电力系统谐波并联补偿有无源滤波器(LC滤波器)、有源电力滤波器(APF)和混合型滤波器。
并联补偿在电力系统中应用的主要目的是:
提高电力系统的安全稳定性、供电可靠性和运行效率,同时改善供电系统的电能质量。
电力系统并联补偿设备可以按照不同的标准进行分类。
按照并联补偿设备输出功率的性质可以分为:
1有功和无功功率并联补偿设备,如抽水蓄能电站、飞轮储能系统、SMES及BESS,其中后者属于SSG类型的FACTS控制器;
2无功功率并联补偿设备,如同步调相机、可投切电抗器、SVC,STATCOM,APF等,
3有功功率并联补偿设备,如TCBR。
按照补偿对象的不同,无功补偿技术的设备可分为负荷补偿和系统补偿两类。
负荷补偿通常是指在用户内靠近负荷处对单个或一组负荷的无功功率进行补偿,其目的是提高负荷的功率因子,改善电压质量,减少或消除由于冲击性负荷、不对称性负荷和非线性负荷等引起的电压波动、电压闪变、三相电压不平衡及电压和电流波形畸变等危害。
系统补偿通常是指对交流输电系统进行补偿,目的是保持电网枢纽点处的电压,减少压降,使系统处于稳定状态,降低线损,增强线路的送电能力和优化无功潮流等。
按照应用系统的不同,并联补偿设备还可以分为输电系统并联补偿和配电系统并联补偿设备,前者主要是保证输电系统安全稳定性和提高传输能力,而后者主要是维持节点电压,保障用户的供电可靠性和电能质量等。
此外,还可以按照并联补偿设备的电压等级分为低压并联补偿设备,中压并联补偿设备与高压并联补偿设备等;按照并联补偿设备的响应速度的分为慢速型、中速型以及快速型设备等。
本文旨在分析铁路供电系统中的谐波,研究其特点以及抑制谐波的有效方法。
围绕这一主题,本文将完成以下主要内容:
(1)牵引供电系统中谐波产生的来源;
(2)对高速铁路供电系统中谐波的有效分析方法进行探讨,并对系统中产生的谐波波谱分析;
(3)对系统中谐波的抑制方法进行研究。
高压电网过压与谐波问题分析
1问题与现象
2010年2月初,资阳电力机车有限公司在试验线进行和HXD1C型谐号电力机车试验时高压接触电网电压频率出现大幅度波动情况。
发现机车主变流系统中间直流环节预充电至DC1800V时,网压出现上升波动(上升2~4kV)及频率波动(10Hz~100多Hz),导致机车主变压器AC230V次边电压及频率波动,引起机车AC230V回路充电机模块不工作或烧损及卫生间DC24V电源模块烧损。
资电公司内部高压接触网系统结构如图1所示:
初步分析如下
现场观测,电压频率的波动是在机车上合上方向手柄之后引起的,及机车主变流器开始工作之后。
并且变压器25kV侧(即高压接触网上)的电压出现波动,带有毛刺,变压器内部振动发出尖锐声响,分析声音频率在400Hz左右,初步判断,高压接触网的电压和频率波动是由于谐波过大,电能质量较差引起的,还可能是因为高压接触网供电系统参数与HXD1C车上的PWM四象限变流器系统的控制参数不匹配,使控制进入不稳定域。
第一次现场测试谐波情况
资电公司4000kVA变压器采用V-V0连线方式(三相AC10000V线电压输入,两路单相AC25kV输出)。
合上方向手柄之后测试25kV侧的电压谐波与电流谐波,现场测到的电压电流波形如图2所示。
图2方向手柄合上之后25kV测电压电流波形图
根据各次谐波含有率(95%值),得到谐波电压统计如图3,谐波电流统计如图4所示:
图3第一次合方向手柄后25kV测谐波电压含有率
分析2到25次谐波电压,各次谐波含有率都没超过国标值,而总谐波电压畸变率
=6.32%高于国标值的3%(GB/T14549—93电能质量公用电网谐波规定奇次谐波不超过2.4%,偶次谐波不超过1.2%、
不超过3%),总谐波电压畸变率
是评定谐波电压大小的主要参数。
计算公式如式1所示。
(式1)
——第h次谐波电压(方均根值)
——基波电压(方均根值)
图4第一次合方向手柄后25kV测谐波电流
与谐波电压类似,2到25次谐波电流大小也都没超过国标值,但是计算出来的总的谐波电流畸变率
高达86.74%。
根据电压等级与基准短路容量换算出来的注入公共连接电的谐波电流允许值参见表1所示,而国标对总的电流畸变率多少没有规定。
表1注入公共连接点的谐波电流允许值(电压等级25kV,基准短路容量250MVA)
谐波次数
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
谐波电流/A
12
9.6
6.16
9.6
4.08
7.04
3.04
3.28
2.48
4.48
谐波次数
12
13
14
15
16
17
18
19
20
谐波电流/A
2.08
3.76
1.76
2
1.52
2.88
1.36
2.56
1.2
由图3图4可以看出,出现3、5、7、9等奇次谐波比较严重。
4第二次现场测量谐波
为了抑制谐波,把变压器的V-V0连接改为单相变压器连接方式之后(即将两个绕组并联方式),减小了短路阻抗,额定电流为80A。
重新测量25kV侧的谐波电流、电压与网压波动。
改变接线之后对谐波进行测量。
方向手柄合上之后第二次谐波电压与谐波电流波形如图5和图6所示。
图5改变连线之后合方向手柄25kV谐波电压波形
图6改变连线之后合方向手柄25kV侧的谐波电流波形
由图5可以看出,接触网上的网压峰值为150V*250=37.5kV左右。
比正常值高2.15kV(接触网电压峰值正常值应为25kV*1.414=35.35kV)。
图5与图2(a)比较,可以看出谐波电压的畸变明显减轻。
第二次测量的各次谐波电压电流和第一次测量结果、国标值进行比较,得到图6和图7。
图7改变变压器连线前后合方向手柄后谐波电压比较
图8连线前后合方向手柄后谐波电流比较
第二次测量负载比第一次大,由图8中的基波大小可以看出来,因此各次谐波电流值第二次比第一次有所增加。
分析:
由图7看出,第二次各次谐波电压含有率都比第一次少,总的谐波畸变率
由6.32%下降到4.165%。
总的谐波电流畸变率
由86.74%下降到75.56%。
是总谐波电流大小的评价标准,
的计算公式式2如下所示:
(式2)
——第h次谐波电流大小(均方根值)
——基波电流大小(均方根值)
由式2可以看出
消除了负载大小不同的影响(除以基波电流)可以客观的评价总谐波电流的水平,由前后两次总谐波电压与总谐波电流的比较中可以看出测量值与理论相符合,改变接线之后,短路阻抗减小,谐波减小。
而车上采用的PWM四象限整流装置,产生的谐波频谱很宽,通常在1kHz~10kHz范围内都存在可测到的谐波,而高频谐波比低频谐波还要严重。
5操作过电压测量
5.1给方向手柄引起的过电压分析
从机车上的PT获取过电压信号,变比为(250:
1),测量方法是使用高速示波器,测量操作瞬间电压波形变化,从而分析过电压大小。
该示波器具有预触发功能,可以测量到触发位置(黄色的T位置)之前的波形。
合方向手柄之后,主变流器开始工作,用高速示波器测量短时间内的电压波形,分析过压与电压振荡情况。
示波器上测量到的波形如图9。
5.2合主断、断主断引起的过压分析
图13第一台车合主断引起的过压
图14第一台车断主断引起的过压
图15第二台车合主断引起的过压
图16第二台车断主断引起的过压
图17第三台车合主断引起的过压
现场测量第一台车合主断,断主断;第二台车合主断,断主断;第三台车合主断,断主断情况,合主断和断主断引起的瞬间电压升高都较小,图13-图17合主断、断主断的一些典型过压波形。
过压幅度都在5kV(20V*250=5kV)以下。
将图14的过电压时间刻度放大,如图18所示。
图18第一台车合主断引起的过压脉冲
计算出来的电压上升沿陡度为3.5kV/ms。
将图16过压部分放大得图19。
图19第二车断主断引起的过压脉冲
计算出来的电压上升沿陡度为106.3kV/ms。
该操作过电压导致的电压上升时间并不算陡,在变压器的绝缘耐受范围之内,而且没有微秒级的陡峭的脉冲波出现,可以安全关合闸主断。
5.3升弓、降弓引起的过电压
图20升弓电压波形
由图20可见,升弓引起过电压很小。
峰值和升弓后正常运行电压波形相当。
图21降弓电压波形
降弓引起的过压也很小如图21所见,最大峰值为160V,折算成接触网网压为40kV。
在安全范围内,可以安全升降弓。
综上所述,由于机车高压试验系统的开关操作导致的过电压幅值较小,不会超过额定电压的1.5倍,而且操作过电压是在正弦电压基础上的振荡过电压,因此其陡度通常在ms级,还有一个原因,尽管机车负载的谐波很重,但是负荷并不重,因此开关切换的能量交换较小,因此操作过电压问题并不严重。
2高铁供电系统的谐波分析及危害
2.1牵引供电系统的谐波分析
牵引系统主要由接触网、受电弓、主断路器、牵引变压器、牵引变流器及牵引电机组成,工作原理如图2.1所示。
受电弓通过电网接入27.5kV的高压交流电,输送给牵引变压器,降压成1770V的交流电。
降压后的交流电再输入牵引变流器,逆变成电压和频率均可控制的三相交流电,输送给牵引电机牵引整个列车。
动车组有两个相对独立的主牵引系统,一个单元是三辆动车和一辆拖车组成一个动力单元,另一个单元是两辆动车和两辆拖车组成一个动力单元。
正常情况下,两个牵引系统均工作,当一个牵引系统发生故障时,可以自动切断故障源,继续运行。
2.1.1接触网
接触网是特殊形式的输电线路,高速铁路的接触网一般采取AT供电方式,主要有悬挂系统,(腕臂、承力索及接触线),补偿系统(AF线)、回流保护系统(PW线、接地线)及各种设备组成。
其作用主要是向动车组提供动态的电能。
动车组列车通过受电弓滑板与接触线接触取得电能。
受电弓与接触网构成的系统统称为弓网系统,它是动车组的受流方式之一[11]。
世界上大多的高速铁路采取这种供电方式。
弓网系统中很多参数对于动车组受流有影响,其中典型的有接触压力、离线率、接触网系统弹性补偿状态等。
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