高速铁路牵引变电所配电系统谐波治理装置研究--中国期刊网

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高速铁路牵引变电所配电系统谐波治理装置研究

发表时间：2020/3/3 来源：《电力设备》2019年第20期作者：谷兆元

[导读] 摘要：随着我国的经济在快速的发展，我国的城市建设在不断的加快。

        （中国铁路济南局集团有限公司青岛供电段山东青岛 266071）
        摘要：随着我国的经济在快速的发展，我国的城市建设在不断的加快。简述了牵引变电所常用的两相-三相逆Scott变压器与纯单相所用变压器的谐波传递特性，通过对比分析常用的单调谐滤波器与二阶高通滤波器的原理特性，制定了采用二阶高通滤波器应用于所用变低压侧的谐波治理方案，并研制出谐波抑制装置，通过现场实测数据分析验证了该谐波治理方案的有效性。
        关键词：牵引变电所；所用变压器；谐波抑制；滤波器
        引言
        现在我国电力机车的种类较多，高次谐波频谱分布较宽。当牵引供电系统的自然频率和电力机车的谐波频谱有相同的部分时，可能引起高次谐波发生谐振情况，以致产生谐振过电压和谐振过电流。由于不同型号电力机车混跑以及高次谐波电流时常被放大，使得牵引网上的谐波次数更加丰富。牵引网中的各次谐波很容易通过牵引变电所中的两相—三相配电变压器渗透到其低压配电系统中，如果低压配电系统的谐波电压含量过高，会导致低压配电系统的电压严重畸变，甚至引起过电压，使牵引变电所内用电设备损坏或寿命缩短，容易影响系统的安全运行。由于牵引变电所内低压配电系统三相电压中的高次谐波含量太大，目前一些牵引变电所已经出现了多起牵引所内大量交流柜、家用电器等用电设备被烧损的事故，牵引变电所内用电设备的运行受到了很大的影响。因此有必要对牵引变电所内低压配电系统的电能质量问题进行研究，并提出综合治理。国内外的许多文献对牵引供电系统电能质量的治理大多是对接触网侧的电能质量的治理，研究铁路牵引变电所内低压配电系统电能质量治理这方面的文献还较少，涉及到铁路牵引变电所低压配电系统的文献包括关于其可靠性研究、配电自动化等方面。提出了一种降低电压不平衡和波动的铁路静态功率调节器（RPC），其通过平衡不同相位的有效功率和补偿无功功率与谐波来降低电压不平衡和波动。通过研究接触网产生谐振的原理，提出了一种适用于高铁系统的可以对高次谐波进行治理和对谐振进行抑制的阻波高通滤波器。通过对几种不同的高通滤波器建模，并对这几种不同的高通滤波器的特性进行对比，提出了阻波高通滤波方案，并且基于现场的实测数据对阻波高通滤波器方案的作用进行了验证。为了减小牵引供电系统中的负序、谐波和无功功率，提出了基于模块化多电平换流器的两相三桥臂功率调节装置。
        1国内外研究现状
        随着交直交型机车的大量投运，高次谐波问题受到广大专家学者的高度关注，并相继提出了不同的治理方案。总的来说，该方面的研究主要集中在以下几个方面：优化外部电源、车载补偿与优化牵引传动系统、地面所亭加装滤波器这三种途径。在优化外部电源方面，一般来说，随着外部电源电压等级的升高，系统短路容量也就越大，对扰动的抗干扰能力就越强，因此，为了达到改善电能质量的效果，可以采取提高外部电源供电电压等级的措施来实现。但该方法经济成本过大，并且受到地方电源容量能力的限制。另外也有单相工频同相供电技术，其使得为机车提供电能的各供电臂具有相同的电压相位，但该技术的主要目的是治理负序，只是同时兼顾着无功补偿和谐波抑制的功能，再加上该技术难度较大，尚未积累起足够的理论研究和工程技术经验，很难满足工程现场的需求，另外应用这种技术对既有的电气化铁路进行改造成本较高，改造时需要现场诸多部门的配合，工作量巨大。车载补偿与优化牵引传动系统属于从源头上治理谐波问题的有效方法，可以选择将无源滤波器加装在机车上以实现谐波抑制功能，但车上空间有限，现场施工多为不便；优化机车牵引传动系统当中的整流器控制与调制算法可以在很大程度上可以减小谐波含量，但现阶段算法的优化研究还停留在仿真和试验的阶段，现实改造成本相对较高，且不易实现。

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        2谐波治理方案
        解决所内用电设备谐波污染问题的基本方法有：（1）在牵引供电臂末端，即所用变压器高压侧装设谐波抑制装置，将机车产生的高次谐波从高压侧进行滤除，不仅可以保护所内用电设备，也可保障所用变压器的正常运行，避免变压器因为谐波过电压而发生烧毁现象；（2）与所内用电设备并联，即所用变压器低压侧装设谐波抑制装置进行谐波滤除；（3）对机车四象限整流器的控制参数进行调整，并对负载端的非线性用电设备进行改造，从根本上使其产生的各次谐波含量减少。在高压侧实施谐波抑制可有效保护所用变压器与用电设备，但由于高压侧电压等级较高，谐波抑制装置制作成本相对较高，且需要所内提供较大的占地空间，安装不便；对谐波源进行参数调整和设备改造的方法，即从源头上减少高次谐波含量，该方法实现难度较大，且同一线路上容易出现不同类型机车混跑的情况，易使谐波的频谱范围进一步扩大；在低压侧安装谐波抑制装置，可有效滤除传递到所用变压器低压侧的高次谐波，且装置制作成本较低，占地面积小，安装方便。本文基于实际项目背景，拟采用第2种方法对所内用电设备进行谐波治理。
        3滤波效果分析
        对安装在某高铁牵引变电所的谐波滤波装置进行现场测试，对投入滤波器和不投入滤波器时段内的牵引变电所低压配电系统电压电能质量进行了测试。其中11：27～13：35滤波器投入，13：35后切除。从图中可以看出，滤波器投入使用期间，谐波畸变率小于3%。滤波器未投入使用时，A、B、C相中谐波畸变率最大曾达到过5.8%、11.7%、6.05%。综上所述，所内安装的谐波滤波器对变电所内低压配电系统的谐波治理是有效的，有利于保障所内用电设备的安全，下一阶段，计划在新线牵引变电所推广使用，并逐步对管内牵引变电所、AT所、分区所加装该滤波装置。
        4所用变压器
        本次仿真中，所用变压器为单相双绕组变压器，将其安装于供电臂末端分区所内。选择Simulink中的LinearTransformer器件，将其一次绕组的两端分别接入牵引网接触线与钢轨，二次绕组连接所内用电负荷。一次侧电压设置为27.SkV，二次侧电压设为0.23kV，根据变压器的额定容量、短路阻抗和短路损耗，可以计算得出其电阻和电抗值。
        5实测数据验证
        采用自主开发的EMAP电能质量测试软件、HS4采集卡以及其他测试设备对某牵引变电所内滤波器投入运行前后的运行状态进行测试，以此分析滤波器对于低压侧高次谐波的滤除效果。滤波装置投入前所用变压器高、低压侧各次谐波电压含量百分比。高低压侧谐波电压次数分布相似，主要的谐波电压次数相同，均为21～27次谐波，验证了高压侧的谐波电压确实通过所用变压器传递到了低压侧，造成低压侧电压发生畸变。投入滤波器后比投入前的电压波形质量均有较为明显的改善，电压总谐波畸变率分别由5.2%和5.0%降为2.1%和1.7%；14次以上的高次谐波含量整体大大减少，主要次数谐波电压23，25，27次含量明显降低。由以上分析可知，二阶高通滤波器运行性能良好，可滤除大部分的高次谐波，降低电压总谐波畸变率，并很好地保护所内用电设备，改善低压配电系统电能质量。
        结语
        （1）刚体模型仿真所得结果虽然符合弓网耦合仿真要求，但其无论在统计值、时域，还是在频域方面都与实测数据有较大差距，不适宜作为弓网耦合仿真的动力学模型进行研究。（2）柔体化后的弓网动力学模型，其仿真结果在统计值、时域和频域各方面都更加接近实测数据结果，弓网柔体动力学模型更适宜作为弓网耦合动力学仿真模型进行后续研究。
        参考文献：
        [1]周福林，朱鹏，李显荣，等.电气化铁路低压配电系统高次谐波抑制技术[J].电气化铁道，2018，29（1）：1-4.
        [2]赵元哲，李群湛，周福林，等.牵引网高次谐波对高低压三相系统的渗透特性[J].西南交通大学学报，2015，50（5）：961-969.