电气化铁道牵引供电系统谐波抑制浅析

JournalofChongqingPolytechnicCollege2002年11月

Nov.2002

电气化铁道牵引供电系统谐波抑制浅析

朱学军　陈昭荣

(宁夏大学机械工程系,银川750021)

摘要:根据电气化铁道牵引供电系统的特点,从高次谐波对电力系统造成的危害和牵引供电系

统进行谐波抑制的必要性出发,介绍了谐波抑制的相关措施和发展动向。关键词:谐波抑制;滤波器;牵引供电中图分类号:TM76　　文献标识码:A

文章编号:1009-3494(2002)04-0054-03

电气化铁道是为数不多的高压用户,其任一次谐波都通过高压系统向全网渗透,不受变压器接线方向的阻碍。(5)稳态奇次性。单相整流负荷在稳态运行时只产生奇次谐波,只在涌流中含有偶次谐波。

基于上述特点,电气化铁道谐波造成的危害主要体现在以下两个方面:

(1)并联谐振:

当谐波电流沿牵引网返送系统时,由于牵引网对地分布电容和回路电感的影响,可能构成某次谐波的谐振回路,造成牵引负荷谐波电流的谐振放大。

(2)对牵引变压器的危害:

谐波电流流过牵引变压器,会产生谐波电压降,高次谐波电流、电压会引起附加铁损和铜损,使变压器容量减小,效率降低。

此外,高次谐波还对发电机、电气测量仪表以及自动控制装置等产生负面影响。

　　电气化铁道上供电系统主要由牵引变电所和牵引网两大部分组成。它一方面按不对称方式从三相

电力系统(110kV)取得电能;另一方面,经牵引变电所降压为2715kV或55kV后,向接触网和电力机车供电。随着运营能力和各类负荷的增加,作为高压单相非线性负载的电气化铁道,已成为引起电力系统谐波污染的主要谐波源之一。因此,在目前电气化铁道牵引供电系统进行综合治理的过程中,减少负序电流的影响、抑制谐波以及有效进行无功补偿已成为研究和应用的重要技术课题;同时,这些问题的有效解决也是提高牵引供电质量,促进铁路发展的必由之路。

1电气化铁道谐波的特点

广义而言,谐波是一个周期电气量的正弦波分量,其频率为基波频的整数倍,通常称之为高次谐波。电气化铁道谐波具有以下特点:

(1)单相独立性。

我国铁路供电系统均采用两相供电制,但两相负荷相关性很小,通常认为两臂负荷是独立的。

(2)随机波动性。

牵引供电系统产生的谐波电流随基波负荷剧烈波动,且范围很大。

(3)相位广泛分布。

电气化铁道谐波向量可在复平面4个象限上广泛分布。

(4)高压渗透性。

3收稿日期:2002-05-31

基金项目:宁夏大学科学研究(自然科学)基金项目(002501)

2电气化铁道谐波的抑制

所谓谐波抑制,就是限制谐波发生源注入电网的谐波含量,将电力系统中的谐波含量控制在允许范围内的各种措施。电气化铁道作为电力系统中的主要谐波源之一,随着运营能力和各类大功率非线性负荷的增加,势必产生大量的谐波电流并注入电网,对电力系统的安全运行已构成严重威胁。因此,有针对性地采取措施,消除或减少电力系统中的谐

作者简介:朱学军(1970-),男,浙江人,宁夏大学机械工程讲师,硕士。

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第4期　　　　　　　　　　　　重庆工业高等专科学校学报　　　　　　　　　　　　　第17卷波含量,才能保证电力系统的安全运行和接入电网的各种用电设备的可靠工作。211采用无源型交流滤波装置

采用无源型交流滤波装置就近吸收谐波源产生的谐波电流,是抑制谐波污染的一种有效措施。该装置是由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的调谐滤波器。运行过程中,它和谐波源并联,除滤波作用外还可兼顾无功补偿的需要。由于装置结构简单,维护方便,因此得到了广泛的应用。完整的滤波装置一般由一组或数组单调谐LC滤波器组成,有时再加一组高通滤波器;虽然只能补偿固定频率的谐波,补偿效果不甚理想,但LC滤波器当前仍是补偿谐波的最主要手段。

单调谐滤波器利用R、L、C电路串联谐振的原理构成。在实际的工程应用中多采用图1-1的方式,即滤波电抗器和电阻器均接在电容器的低压侧,整个滤波器采用星形接法。工频状态时,单调谐滤波器为正常的无功补偿状态;全谐振状态和脱谐状态时为滤波状态。其主要特点是:任何一个电容器被击穿时,短路电流较小;在系统单相接地时,电抗器对地电压为相电压,不承受短路电流的冲击;便于分相调谐。

双调谐滤波器在谐振频率附近等同于两个并联的单调谐滤波器,可同时吸收两种频率的谐波。接线方式见图1-2。与单调谐滤波器相比,该装置基波损耗较小,但结构复杂,调协困难,在牵引供电系统中很少采用。

高通滤波器在高一截止频率后很宽的频带中呈现低阻抗特性,用于吸收较高次的谐波(如11,13,15次谐波)。图1-3说明的是二阶减幅型高通滤波器的接线方式。该装置基波损耗较小,结构简单,且具有较好的阻抗频率特性,因此,在供变电工程中应用较为广泛。

212采用有源电力滤波装置

采用有源电力滤波器(ActivePowerFilter,简称APF)是牵引供电系统谐波抑制的一个重要发展趋势。作为现代电力电子技术迅速发展的产物,APF的基本原理是:依据瞬时无功功率理论中谐波电流的瞬时检测方法和PWM控制技术,从补偿对象中检测出谐波电流,由补偿装置产生一个与谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流,使电网电流中仅含有基波分量。由于APF可对频率与幅值都变化的谐波进行跟踪补偿,且补偿特性不受电网阻抗的

图2　并联型AP系统框图

图1　无源型交流滤波器的接线方式

影响,因而受到广泛的关注。

按照与补偿对象的连接方式,APF可分为串联型和并联型;既可单独使用,也可与LC无源滤波器混合使用。串联型APF的有源装置容量小,运行效率较高,可实现系统与谐波的隔离,抑制“背景谐波”对滤波系统造成的危害。但是,串联型APF不能进行无功补偿,且绝缘困难,维修不便,因此,它的实用性受到限制。目前运行的有源滤波装置几乎都是并联型APF,其基本构成原理见图2。

图3-1是单独使用的并联型有源滤波器系统构成原理。PWM逆变器并联在电网上,相当于一个受控电流源,可产生与负载谐波大小相同而极性相反的谐波电流,使得电源电流被补偿为正弦波形。该装置具有连续调节无功功率,在补偿谐波的同时可以对无功功率实施动态补偿,但是,单独使用并联型APF地使电源基波电压全部加在逆变器上,装置容量较大,将导致初期投资大、运行效率不高以及电磁干扰大等缺点,还会对APF的动态补偿性能造成不良影响。

采用有源-无源混合滤波器方案(系统构成原理见图3-2),可充分发挥LC无源滤波器和APF各自的优势,尽量减小APF的容量,解决了绝缘和最佳投资问题,对于电气化铁道牵引供电系统的谐波抑制将是一个比较理想的方案。在该方案中,LC无源滤波器将包含多组单调谐滤波器和高通滤波器,

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朱学军　陈昭荣:电气化铁道牵引供电系统谐波抑制浅析

　　④可对多个谐波和无功源进行集中补偿;

⑤补偿性能不受电网频率变化的影响,可实现动态补偿;

⑥对三相不对称电路的负序电流也有一定的补偿能力。

3结束语

图3-1　单独使用的并联型APF

无源滤波器,有源滤波器,有源-无源混合滤波器的研究与应用,是电力电子技术在电气化铁道牵

引供电系统中广泛应用的一个缩影。作为电力系统中的主要谐波源之一,采用变压器多重化技术,积极研究与开发不产生谐波且功率因数为1的新型变流器,即单位功率因数变流器(UnityPowerFactorCon2verter),有效抑制谐波污染,提高功率因数,是电气化铁道发展的又一重要途径。随着模糊控制、ANN理论以及最优化理论的不断完善,利用现代电力电子技术本身来解决牵引供电系统中电力电子装置的谐波和无功问题,将是十分有效的。参考文献可以起到隔离电源基波电压、补偿大部分谐波和无功的作用;APF的作用是改善整个系统的性能,其所需容量与单独使用并联型APF的方式相比可大幅度降低。

图3-2　与LC滤波器混合使用的并联型APF

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综合而言,与无源型滤波器相比,有源电力滤波

器具有以下特点:

①可同时补偿谐波和无功功率,补偿无功时连续可调;

②补偿谐波时所需储能元件容量不大,补偿无功时无需储能无件;③受电网电抗的影响不大,不易与电网阻抗发生谐振;

社,19881

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社,20001

TheResearchofHarmonicSuppressioninElectricalRailwayPowerSupply

ZhuXue2jun,ChenZhao2rong

(NingxiaUniversity,Ningxia,750021)

Abstract:Thispaperdescribesrelationalmethodsanddevelopmentdirectionsaccordingtothefeaturesofelectricalrail2waypowersupply.Itisbasedonelectricpowersystem’sbadeffectfromelectricalrailwaypowersupply’shighharmonicsandnecessityofsuppressionmethodofharmonics.

Keywords:harmonicsuppression;filterdevice;powersupply

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