無功補償調(diào)壓在接觸網(wǎng)調(diào)壓中的應用

1、<p>　　無功補償調(diào)壓在接觸網(wǎng)調(diào)壓中的應用</p><p>　　摘要： 作為高速鐵路列車電能主要來源的接觸網(wǎng)，其輸出電壓是否符合要求是保證高速鐵路正常運行的關鍵。由于電力機車在運行的過程中作為單相脈沖負荷，其線性差、波動性大，或產(chǎn)生較大的負序諧波，從而造成牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)的功率因數(shù)降低，致使接觸網(wǎng)無功功率過剩，引起接觸網(wǎng)電壓升高。因此，在接觸網(wǎng)系統(tǒng)中需要采取無功補償?shù)姆绞?，抵消接觸網(wǎng)系統(tǒng)中的無功功率

2、，保證接觸網(wǎng)電壓保持在符合電力機車運行要求的范圍內(nèi)，保證高速鐵路的安全、可靠運行。無功補償調(diào)壓是一種有效的調(diào)節(jié)鐵路接觸網(wǎng)電壓的方式，通過增加系統(tǒng)的感性無功功率對過剩的容性無功功率進行補償，從而將系統(tǒng)的電壓控制在允許的范圍，保證系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定。本文首先簡要分析接觸網(wǎng)無功負荷特性，分析目前我國常用的接觸網(wǎng)無功補償方法及應用，再以動態(tài)無功補償裝置在實際現(xiàn)場的應用效果作為分析，以期為接觸網(wǎng)無功補償工作提供參考。 </p><

3、p>　　Abstract： Catenary is the main source of power for high-speed railway train， whose output voltage is the key to ensure the normal operation of the high-speed railway. It is necessary to take reactive compensation

4、to offset the reactive power in catenary system， to ensure catenary voltage maintain in accordance with the requirements of the electric locomotive running range， so as to guarantee the safe and stable operation of high

5、speed railway. Reactive compensation voltage regulation is a kind o</p><p>　　關鍵詞： 無功補償；調(diào)壓技術；牽引供電系統(tǒng)；接觸網(wǎng) </p><p>　　Key words： reactive power compensation；voltage regulating technology；traction pow

6、er supply system；catenary </p><p>　　中圖分類號：TD612 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2016）01-0128-03 </p><p><b>　　0 引言 </b></p><p>　　接觸網(wǎng)是電氣化鐵路的重要組成部分，為電力機車的運行提供電能，同時其作為連接電力機車的架空設備，工作環(huán)

7、境較為惡劣，同時也是電氣化鐵路系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)?，F(xiàn)在我國運行的電力機車大多是運用晶閘管進行相控整流的交―直型晶閘管相控機車，其在運行的過程中單相負荷脈沖大，容易引起接觸網(wǎng)的功率大幅度的降低，同時由于其線性差對接觸網(wǎng)造成諧波干擾，這些變化均會造成接觸網(wǎng)電壓發(fā)生變化，影響機車的正常運行，因此需要采取合理、有效的功率補償措施對接觸網(wǎng)進行調(diào)壓，實現(xiàn)接觸網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。 </p><p>　　1 接觸網(wǎng)無功負荷特性 <

8、/p><p>　　通常牽引變電站接收供電網(wǎng)提供的110kV的交流電，經(jīng)過變電站變壓器的降壓，使其成為27.5kV的交流電，然后通過接觸網(wǎng)為電力機車提供電能，牽引變電站、接觸網(wǎng)、電力機車、鋼軌就形成了一個系統(tǒng)的牽引供配電系統(tǒng)，如圖1所示。 </p><p>　　在電力機車正常運行過程中，接觸網(wǎng)入口段的電壓應該為電力機車正常運行的電壓，而電力機車功率因數(shù)以及接觸網(wǎng)、牽引變壓器阻抗則是影響牽引供電系

9、統(tǒng)無功功率的主要因素。當接觸網(wǎng)和牽引變壓器的阻抗帶電運行時，牽引供電系統(tǒng)中的電流則通過牽引變壓器的接觸線產(chǎn)生無功功率和有功功率，從而導致電力機車運行點電壓發(fā)生變化。設U1為接觸網(wǎng)進線端電壓，U21和U22分別為不同負荷電流I1，I2時電力機車與接觸網(wǎng)相接點的電壓，以U1為參考方向，做向量圖（如圖2）可知，在不同負荷電流影響下，電力機車消耗的無功功率造成接觸網(wǎng)電壓發(fā)生較大的變化，致使接觸網(wǎng)電壓不穩(wěn)定，影響電力機車的正常運行。 </p

10、><p>　　2 接觸網(wǎng)無功補償方法 </p><p>　　無功功率是電氣設備使用中常見的物理量，無功功率的存在是電氣設備周圍產(chǎn)生磁場的主要原因。同時，無功功率是電力系統(tǒng)的電壓重要組成部分，為其提供有力的支撐，是造成電源與負荷之間電壓降落的主要原因，決定著電力系統(tǒng)的電壓高低，因此要對電力系統(tǒng)的電壓進行調(diào)節(jié)就必須采取措施保證體統(tǒng)內(nèi)部無功功率的平衡。 </p><p>　　

11、2.1 無功平衡與電壓的關系 </p><p>　　在一個完整的電力系統(tǒng)中，異步電動機是系統(tǒng)中主要的感性負載。通常情況下電力系統(tǒng)中的無功功率平衡時，電源的無功特性曲線會與負荷電壓的無功特性曲線相交，形成一個平衡的電壓點，如果線路出現(xiàn)空載的現(xiàn)象，系統(tǒng)負荷電壓無功功率下降，為了達到無功功率平衡，會形成一個新的無功功率平衡電壓點，而此平衡點電壓較前者低。線路空載造成系統(tǒng)的容性無功功率過剩，而系統(tǒng)內(nèi)的感性無功功率較低，無

12、法達到無功功率的平衡，因此只有將電壓升高來達到無功功率的平衡。當系統(tǒng)中的無功補償裝置配備充足的話，線路空載時會使系統(tǒng)的電源無功功率曲線下降，與負荷電壓無功功率曲線形成新的平衡電壓點，而此電壓點與初平衡點相近，使平衡電壓接近電氣設備的工作電壓，當系統(tǒng)內(nèi)的補償裝置設置合理時，就會使系統(tǒng)的電源無功功率與負荷無功功率相平衡，且電壓水平向當。如圖3所示。 　　2.2 無功補償調(diào)壓常用的裝置 </p><p>　　并聯(lián)電抗

13、器，是通過自身的感性阻抗增加系統(tǒng)的感性無功功率，與電容電流過大引起的容性阻抗相抵消的補償裝置，在鐵路牽引網(wǎng)供配電系統(tǒng)中應用較多。靜止無功補償器（SVC），是一種能夠根據(jù)系統(tǒng)發(fā)生變化的無功功率吸收或發(fā)生裝置，屬于動態(tài)的無功功率補償。靜止無功發(fā)生器（SVG），是一種并聯(lián)在系統(tǒng)上，進行無功功率吸收和發(fā)生的進行無功功率補償?shù)?。其中并?lián)電抗器由于結構簡單、造作方便等特點，廣泛應用于牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)中，但是并聯(lián)電抗器的容量是一般是固定的，不可進行

14、調(diào)節(jié)。與SVC相比較，SVG具有響應時間短、諧波特性好、補償效果好等優(yōu)點，SVC在使用的過程中會產(chǎn)生諧波，在使用的過程中需要配合濾波器，SVG則屬于電流源型的，在使用中會產(chǎn)生可抵消負載電流諧波的成分，同時其輸出容量和母線電壓呈線性關系，可有效的進行無功功率的補償，保證系統(tǒng)無功功率的平衡。 </p><p>　　3 動態(tài)無功補償裝置在接觸網(wǎng)調(diào)壓中的應用 </p><p>　　3.1 靜態(tài)無功

15、發(fā)生器（SVG） </p><p>　　作為動力機車電能來源的牽引供電系統(tǒng)存在三相電壓不平衡的狀態(tài)，這種不平衡的狀態(tài)會導致各相電壓幅值發(fā)生變化，但是對各相電壓的相位不會產(chǎn)生影響。當接觸網(wǎng)系統(tǒng)中采用SVG進行動態(tài)補償時，SVG可有效的輸出或者吸收感性無功功率，從而降低系統(tǒng)的容性無功功率，有效的改善牽引供電系統(tǒng)負荷不平衡特性，從而大大提高牽引變壓器的容量利用率。同時，在采用并聯(lián)電容進行無功固定補償方案中，使用SVG可

16、以實現(xiàn)無功補償容量的平滑調(diào)節(jié)、連續(xù)調(diào)節(jié)，從而減小SVG的容量，提高設備的利用率。 </p><p>　　3.2 TCR型SVC靜態(tài)補償裝置 </p><p>　　TCR型SVC靜態(tài)補償裝置具有響應時間短、無功輸出調(diào)節(jié)平滑等優(yōu)點，是應用較為廣泛的動態(tài)無功補償裝置。其主要由雙向?qū)ňчl管、固定電抗器、LC濾波器等部分組成，通過對雙向?qū)ňчl管導通角的控制，控制接觸網(wǎng)系統(tǒng)中的容性無功電流，從而保

17、證接觸網(wǎng)系統(tǒng)中的無功功率平衡，穩(wěn)定功率因素，從而實現(xiàn)對接觸網(wǎng)電壓的調(diào)節(jié)。當TCR型SVC靜態(tài)補償裝置接入接觸網(wǎng)系統(tǒng)中時，系統(tǒng)的無功功率為：QN=QV-QC+QTCR（1） </p><p>　　式中，QN為接觸網(wǎng)系統(tǒng)的總無功功率，QV為系統(tǒng)中的負載無功功率，QC為系統(tǒng)容性無功功率，QTCR為動態(tài)無功補償裝置輸出的無功功率。 </p><p>　　由式（1）可知，系統(tǒng)的無功功率的變化與QTC

18、R和QV有關，因此在實際的應用中只要保證動態(tài)補償裝置輸出的無功功率與負載無功功率相平衡即可。同時TCR型SVC動態(tài)補償裝置中的LC濾波電路可有效的將產(chǎn)生的諧波去除，減少接觸網(wǎng)系統(tǒng)的諧波干擾。TCR型SVC補償裝置中雙向?qū)Ч芫чl管是負責調(diào)節(jié)輸出無功功率主要元件，其工作原理圖如圖4所示，即通過控制兩個雙向?qū)ňчl管可實現(xiàn)對電抗器電流i的調(diào)節(jié)，改變系統(tǒng)中容性電流，調(diào)節(jié)無功功率。 </p><p>　　其中Pmax是接觸

19、網(wǎng)系統(tǒng)牽引負荷的實際最大有功率，Imax是牽引變電所饋線的最大電流，U0為牽引變電所母線電壓，？漬為功率因數(shù)。 </p><p>　　TCR型動態(tài)無功補償裝置的應用可以有效的減少接觸網(wǎng)電壓發(fā)生波動的概率，保持電壓的穩(wěn)定，同時可有效的提高系統(tǒng)的功率因數(shù)，其中的LC濾波可有效的消除接觸網(wǎng)中的諧波干擾，使接觸網(wǎng)電能輸出質(zhì)量滿足電力機車的需求。 </p><p>　　4 動態(tài)無功補償裝置在接觸網(wǎng)中

20、的使用效果 </p><p>　　由動態(tài)無功補償投運前的圖5和 動態(tài)無功補償投運后的圖的6對比可知：電力機車在運行的過程中單相脈沖負荷線性差、波動性大造成牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)的功率因數(shù)降低，系統(tǒng)功率因數(shù)在0～1之間頻繁波動，且平均功率因數(shù)極低；動態(tài)無功補償投運后動態(tài)無功補償裝置具快速響應、根據(jù)負荷變化無功平滑輸出調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)功率因數(shù)穩(wěn)定保持在0.99以上，極大的提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)。 </p><

21、;p>　　由動態(tài)無功補償投運前的圖7和 動態(tài)無功補償投運后的圖的8對比可知：電力機車在運行的過程中單相脈沖負荷線性差、波動性大造成牽引供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)的系統(tǒng)電壓在25kV～30kV之間劇烈波動，影響機車的正常運行；動態(tài)無功補償投運后動態(tài)無功補償裝置具快速響應、根據(jù)負荷變化無功平滑輸出調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)電壓在27.5kV～28.5kV之間平穩(wěn)波動，保證了系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定，從而保證電力機車的安全、可靠運行。 </p><p&

22、gt;<b>　　5 結論 </b></p><p>　　無功補償裝置平衡系統(tǒng)的無功功率，控制電纜末端的電壓大小，是一種有效的調(diào)節(jié)鐵路接觸網(wǎng)電壓的方式，提高供電系統(tǒng)接觸網(wǎng)電壓的可靠性，保證接觸網(wǎng)電壓保持在符合電力機車運行要求的范圍內(nèi)，從而保證高速鐵路的安全，實現(xiàn)列車安全的運行。動態(tài)無功補償裝置可以快速精準平衡系統(tǒng)的無功功率，保證系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定，值得大面積推廣應用。 </p>&

23、lt;p><b>　　參考文獻： </b></p><p>　　[1]李建峰.電力機車無功補償與諧波抑制系統(tǒng)的研究與設計[D].電子科技大學，2011. </p><p>　　[2]劉晶.電力牽引系統(tǒng)電能質(zhì)量綜合補償方法的研究[D].華北電力大學，2013. </p><p>　　[3]亢佳增.電氣化鐵道動態(tài)無功補償?shù)难芯縖D].內(nèi)蒙古大

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