煤礦牽引供電系統無功動態諧波綜合補償技術分析

吾布里·阿依丁，季書文，吾斯曼·托乎提

(1.新疆工業高等?？茖W校 電氣與信息工程系，新疆 烏魯木齊 830091;2.新疆焦煤集團艾維爾溝焦煤公司，新疆 烏魯木齊 830025;3.新疆焦煤集團有限責任公司焦煤分公司機電動力部，新疆 烏魯木齊 830025)

0 引言

交直流型電力運輸機車的大量使用使得電氣化運輸巷道負荷功率因數低、諧波含量高的問題尤為突出。目前，提出了一些消除高次諧波影響的方法，如有源濾波法和無源濾波法等。提高功率因數的一條有效途徑是裝設無功補償裝置。目前大多牽引變電所均加裝了靜態并聯電容補償裝置，這種方法具有安裝容量較小、投資少、結構簡單、運行可靠及維修方便的優點，但是存在以下問題:

(1)其濾波特性受系統參數的影響大，并可能與系統發生諧振或諧波放大，危及系統安全;

(2)只能消除極少數特定次的諧波，其濾波效果遠不能滿足要求;

(3)由于電力牽引負荷變化劇烈，無功功率和電流隨機波動，不可調補償裝置的跟隨效果不佳，在運量小、無負荷和輕負荷概率較大的區段過補償嚴重，功率因數大幅下降。

運輸巷道嚴重的無功和諧波污染引起了電力部門的高度重視。由于大量的交直流型電力運輸機車在若干年內仍將是我國電力運輸機車的主力，所以，為適應形勢的需要，必須提出一種安全、有效、經濟的新方案對電氣化運輸巷道的無功、諧波污染進行綜合治理。

1 可調補償容量的確定

固定平均補償比較適用于“反轉反計”，但是這種補償方式的補償容量選擇偏小，容易造成有行車時“欠補償”、無行車時“過補償”[1]。所以如何正確確定可調補償的容量是實現可調補償的重要一步。固定平均補償并聯電容器容量用下式計算

式中 QX——需補償電容器容量;

PL——計算平均有功功率;

cosφ1——補償前功率因數;

cosφ2——補償后功率因數;

q0——變電所無電概率。

根據現場實際安裝的情況，對式(1)進行修正:PL原為計算平均有功功率，應改為測試有功功率最大值的90% ～95%;無須考慮變電所無電概率q0，功率因數應取地方供電局計量點的月平均功率因數，而非機車和牽引變壓器綜合考慮的功率因數，同時應考慮線路影響。補償后地方供電局計量點的月平均功率因數應提高到94% ～95%，有功功率取測量有功功率最大值的94%。再根據電抗率、高次諧波、系統電壓的波動進行修正，現需增加安裝電容器額定容量。吸流電抗器的容量考慮為高壓固定補償裝置實際補償容量的86% ～97%，原固定補償容量大則吸流電抗器的容量大。對于既有變電所最好讓技術人員到現場進行測試后，再確定電容器、吸流電抗器的容量[2]。

2 可調無功補償裝置

2.1 并聯混合補償器

本文所提方案為在牽引供電系統的兩相分別安裝并聯混合補償器，對電力牽引負荷產生的諧波、無功進行就地補償。

圖1是該可調無功補償裝置的工作原理圖。圖中，T1為降壓變壓器的理想模型，T2為調壓變壓器穩態下的理想模型。L1表示降壓變壓器的漏感，L2表示包括并聯電抗器電感和調壓變壓器漏感的等效電感[3]。

圖1 可調無功補償裝置的原理圖

可列出以下方程組

式中 Ui——高壓母線電壓;

K1——降壓變壓器的變比;

K2——調壓變壓器的變比，K2的取值范圍為1/K1～1。

解式(2)得

由式(3)可以看出，該低壓晶閘管可調無功補償裝置實際上構造了一個并聯在母線上的可調電抗。通過調節調壓變壓器的變比K2就能調節這個電抗的大小，從而達到調節系統無功功率的目的。

2.2 諧波及無功電流檢測

諧波及無功電流檢測是混合補償器控制的重要環節。由于系統電源頻偏將導致濾波能力下降或放大諧波，此時保證濾波能力就顯得尤為重要。所以，應該保證諧波及無功電流檢測方案不受電源頻偏的影響。另外，由于電力牽引負荷變化劇烈，所以對諧波及無功電流檢測的實時性要求比較高。本文采用圖2所示的方案進行諧波及無功電流檢測[4]。

圖2 諧波及無功電流檢測法原理框圖

圖2中ud(t)為牽引母線電壓信號，iS(t)為被測電流信號，LPF為低通濾波器，用于提取信號的直流分量，PLL為鎖相環，用于跟蹤電壓頻率及相位，PLL后為正、余弦發生器，其輸出為與其輸入信號的基波同相的正弦信號以及滯后90°的正弦信號，iSh(t)為諧波電流信號，I1p、I1q分別為基波有功、無功電流的有效值。以下分析圖2所示檢測方案的工作原理，設

式(5)和式(6)的直流分量分別為被測電流的基波有功電流的有效值I1p和無功電流的有效值I1q，即

用低通濾波器提取I1p和I1q就能合成被測電流的基波分量，再用被測電流信號減去此基波分量即得到諧波電流ish(t)，即

圖2所示的方案的特點是:構造正交相時電流信號不移相，電壓信號僅有90°的相移。因此，諧波檢測具有很好的實時性。

3 可調無功補償裝置的控制策略

可調無功補償裝置以系統的功率因數和無功功率為綜合判據，實行模糊控制。當母線電壓過大或過小時，無論當前系統的功率因數如何都切除混合補償器。在母線電壓正常的情況下，以cosφ=0.92為補償目標值。當功率因數低于補償目標值時，以系統當前的無功功率為判據，查模糊控制表決定可調無功補償裝置動作的力度和速度。

為了保證混合補償系統穩定并具有良好的動態響應和最佳的諧波抑制效果，前饋控制以電力機車中的諧波成分ILh為輸入。設電力系統背景諧波電壓所產生的諧波電流成分為iSh1，其傳遞函數用GS(s)描述，電力機車負荷所產生的諧波電流成分為iSh2，其傳遞函數用GL(s)描述，APF電壓所補償的諧波電流成分為Ish3，其傳遞函數用GAPF(s)描述。系統總諧波電流Ish=Ish1+Ish2－Ish3。GPWM(s)為PWM放大器的傳遞函數，GaL(s)，Gag(s)和Gas(s)為控制器的傳遞函數[5]。于是可以得出如圖3控制系統原理框圖。

圖3 控制系統原理框圖

觀察式(11)可以發現，為了獲得理想的濾波效果，應有

因此，控制器的設計目標為

其中，Gas為相位補償器，由式(12)、式(13)可以看出，為了獲得良好的補償特性，Gas、Gag應有較大的放大倍數，但是單純增大Gas、Gag的放大倍數會使閉環系統不穩定[5]。于是，為了使 Gas、Gag在穩態時有較大的放大倍數，設計Gag為周期積分器，其離散傳遞函數為

令Gag=iout/iin，則其遞推公式為

式中Ni為一周期內的采樣次數。對于固定的采樣頻率，當系統電源頻率發生變化時，Ni也應隨之變化。周期積分器的幅頻響應為

對于基波的整數倍諧波有cosω=1，于是有

式中a為積分系數，b為比例系數。a的值在0～1之間選取，當a的取值接近1時，周期積分器在穩態下有很大的放大倍數。a和b的取值關系到控制器的響應速度及系統的穩定性。兩系數的值應該在保證系統有良好穩定性的情況下，根據對濾波器響應速度及濾波效果的要求選取[6]。

4 結束語

綜上所述，本文提出的電氣化運輸電車無功動態并聯綜合補償裝置(帶有協調變壓器的可調無功補償與諧波治理方案)，技術先進、方案合理。

(1)在考慮無功“返送正計”的情形下，采用帶有協調變壓器的可調無功補償(與諧波治理)方案，可有效地提高變電所的功率因數，使其達到0.92以上，從而可大大減少因功率因數偏低帶來的罰款。

(2)在滿足提高功率因數的基礎上，也能夠有效地提高濾波率，并大大改善無功負序的影響，降低母線壓損，提高網壓水平，降低牽引變壓器功率損失和網損(節能)，提高牽引變壓器的容量利用率(增容)，滿足鐵路建設和發展需要。

(3)利用晶閘管過零、頻繁、快速、分組投切電容器(濾波器)和吸流電抗器，可有效地避免投切時的過電壓、過電流，并有效延長設備的使用壽命。

(4)大大地降低了一次性投資，同時也避免了晶閘管觸發脈沖的問題。

(5)多種形式的協調變壓器(單相變壓器、單相三線圈變壓器、V接變壓器)，可滿足不同安裝場合。

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