目前, 过低的电力电子装置功率因数, 严重的影响了供电质量并给电网带来大量额外负担。随着我国广泛应用电力电子装置, 谐波污染在电网中变的更加严重。提高功率因数并消除谐波污染成为我国铁道电力电子技术中的一个重要课题。
铁路运输未来发展的主导方向将会是电气化铁道, 由于其突出的特点, 电气化铁道牵引供电系统无功功率就地补偿和谐波污染治理引起了各界密切关注。电力机车产生的无功和谐波, 对电力系统的稳定、经济及安全运行构成了一定威胁, 同时它也影响了电网电能质量, 使主要电气设备产生附加损耗。目前有两条基本思路来解决电气化铁道牵引供电系统谐波污染和低功率因数问题[1]: (1) 按需要对其功率因数实施控制, 对电力电子装置本身进行改进, 使其不消耗无功功率且不产生谐波; (2) 通过装设补偿装置, 来补偿其谐波或无功功率。
1 我国电气化铁道牵引负荷的特征
我国单相工频交流的电气化铁道牵引负荷主要有以下特点。
(1) 牵引负荷具有稳态奇次性, 电力机车牵引负荷在稳态运行时只产生奇次谐波电流。
(2) 牵引负荷的相位分布广, 复平面的四个象限上, 且随着谐波次数的升高, 谐波相量可均匀出现在四个象限上。
(3) 牵引负荷具有随机波动性, 负荷的波动性降低了牵引供电设备容量利用率, 导致牵引网及牵引变电所上的电压出现波动。牵引负荷的随机波动性主要是负荷电流的大幅度剧烈波动。
(4) 牵引负荷具有不对称性和单相独立性, 相对三相系统, 牵引负荷产生大量负序电流, 具有不对称性。牵引变电所在正常电压范围内各供电臂的取流可认为具有单相独立性。
(5) 牵引负荷具有非线性, 在我国一个庞大的无功源和谐波源就是电力牵引负荷, 主要是因为交-直 (AC/DC) 型电力机车是目前我国电气化铁路使用主要类型。谐波电流畸变率在供电臂处约高达30%。
2 电气化铁道牵引供电系统谐波和无功的危害
电气化铁道牵引供电系统无功和谐波严重影响着我国的公共电力系统和牵引供电系统。电气化铁道牵引供电系统无功的危害主要表现在以下两个方面[2]。
(1) 电气化铁道牵引供电系统无功对我国公共电力系统的主要影响是:无功功率的变化对系统中的用电设备产生不良影响, 影响供电质量, 并造成电压的剧烈波动;造成用户端供电电压不足, 输电网络的电压损失加大;增加了电网的损耗;使输变电设施的供电能力降低;发电成本提高, 使发电设备效率降低, 降低了发电机的出力。
(2) 电气化铁道牵引供电系统无功功率对我国牵引供电系统的主要影响是:设备和线路的损耗增加;加大了牵引网和变压器的电压降;增加了牵引网、牵引变压器及其他电气设备的容量;降低了系统的功率因数。
谐波电流倒流入电网会影响供电质量, 尤其当高次谐波电流倒流入电网时, 它不仅会严重影响到供电质量, 还可能会造成严重危害。在我国电气化铁道牵引供电系统谐波的危害主要表现在以下几个方面。
(1) 谐波会干扰通信电路, 影响我国的通信质量。
(2) 谐波可能会造成电气测量仪表的计量出现偏差, 导致自动装置和继电保护的误动作。
(3) 谐波可能会使谐波放大, 引起电网中局部的串联谐振或并联谐振, 从而引发一些严重事故, 与此同时也大大增加其他危害的严重程度。
(4) 在输电线路阻抗上谐波电流的压降会影响各电气设备正常工作, 可能会诱发电网电压发生畸变。
(5) 谐波能造成输电线路出现故障, 从而使变电设备发生损坏。
(6) 谐波降低发电、用电及输电的效率, 附加的谐波损耗在电网中的元件产生。
通过以上分析可以发现, 供电质量、用电设备的使用寿命和输电效率都与无功电流和谐波电流大量注入电网密切相关, 带来高次谐波及降低功率因数是电气化铁道牵引负荷对电力系统的影响主要反映。因此, 我国电气化铁道的无功和谐波治理问题意义重大。
3 我国电气化铁道牵引供电系统谐波与无功补偿技术应用现状及发展趋势
对我国电气化铁道牵引供电系统谐波及无功问题的解决主要从以下两个方面着手。
(1) 通过设置各种无源、无功补偿装置及有源电力滤波对无功和谐波实施就地补偿, 以提高功率因数, 抑制谐波[3]。
(2) 通过各种PWM整流技术和有源功率因数校正技术, 按需要校正其功率因数, 使功率因数达大于0.9的要求, 对电力机车本身进行改造, 保证电力机车在完成自身主要功能任务情况下, 不产生谐波。
上两种方法各有优点和其适用范围, 但由于受诸多限制, 实践中主要进行无功和谐波的集中治理, 在牵引变电所母线上进行装设并联谐波和无功补偿装置是其采用的主要方式。
随着科学的发展出现了一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置——电力有源滤波器 (APF) 。在补偿无功的同时有源滤波器能对谐波进行有效治理, 它是一种新型谐波和无功补偿装置。虽然, 电力有源滤波器目前仍存在在实现上仍需LC滤波器辅助、不易消除高次谐波、成本较高、实现复杂、单台补偿容量低等问题。但, 它有效地治理谐波污染, 无源滤波器受系统阻抗影响的缺点得以克服, 波形的实时补偿主要通过利用电力电子技术, 能迅速的动态跟踪补偿变化的谐波, 采用谐波和无功快速实时测量。无源滤波器是传统应用的谐波补偿装置, 它具有滤波效果差、体积庞大等缺点。由于电力有源滤波器克服了传统谐波补偿装置的一些缺点, 故有源电力滤波器得到了快速发展。
由于APF装置具有容量有限及成本较高等缺陷, 目前的研究重点已转向混合滤波系统 (HPFS) , 它是由PPF和APF构成的的系统, 它克服各自的不足, 同时具备PPF和APF各自的优点, 因此它可以大大提高整个系统的滤波性能, 成为以后的发展趋势。
4 结语
电气化铁道牵引供电系统谐波和无功污染会给电网带来一定的危害, 电气化铁道牵引供电系统无功功率就地补偿和谐波污染治理引起了社会各界密切关注。因此, 通过正确认识谐波及无功污染, 采取切实可行的措施来治理该污染, 确保供电质量, 以便促进我国电力电子新技术的良性健康发展, 是每个电气工作者义不容辞的责任。
摘要：本文首先介绍了我国电气化铁道牵引负荷的特点及电气化铁道牵引供电系统谐波和无功的危害, 接着分析了我国电气化铁道牵引供电系统谐波与无功补偿技术应用现状及发展趋势。本文的研究具有一定的参考价值和现实意义。
关键词：电气化铁道,供电系统,谐波补偿,无功补偿
参考文献
[1] 霍利民, 石新春.电力系统中的电力电子技术和谐波治理[J].电工技术杂志, 2002 (1) :5～6.
[2] 王兆安, 刘进军.电力电子装置谐波抑制及无功补偿技术的进展[J].电力电子技术, 1997 (1) :100～104.
[3] 石新春, 霍利民.电力电子技术与谐波抑制[J].华北电力大学学报, 2002, 29 (1) :6～9.