大專電氣專業畢業論文

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電氣化鐵路中SVC負序補償應用技術研究 摘要：隨著電氣化鐵路的迅速發展，電鐵牽引負荷產生的負序分量及高次諧波，除對牽引供電系統造成危害外，還會造成電力系統負序及諧波污染[1]，因而，電鐵的負序及諧波危害已成為制約我國電氣化鐵路發展的重要因素。結合電氣化鐵路給電網帶來的影響，著重探討電鐵負序補償中SVC的使用問題。根據國外一些發達國家如日本、澳大利亞等國成功將SVC技術應用在電氣化鐵路的無功和負序補償案例以及國內SVC負序補償應用實例，對SVC負序補償原理及運行方式進行了研究分析，對SVC在電鐵負序治理中的應用前景做了初步探討，以期提高電力系統運行的經濟效益和社會效益。 關鍵詞：電氣化鐵路；負序補償；SVC 0 引言 世界上第一條用電力機車作為牽引動力的電氣化鐵路於1879年在德國柏林建成。中國於1961年建成第一條電氣化鐵路———寶成鐵路的寶雞至鳳州段。電氣化鐵路問世後發展很快，法國、日本、德國等國家已形成以電氣化鐵路為主的鐵路運輸業，大部分貨運量由電氣鐵路完成。電氣化機車上不設原動機，其電力由牽引供電系統提供。該系統由牽引變電所和接觸網構成，來自高壓輸電線路的高壓電經牽引變電所降壓整流後，送至鐵路架空接觸網，電氣機車通過滑線弓受電，牽引機車行駛。由於電力機車運營可以使鐵路運輸成本降低30%～40%，因此越來越成為發展的方向。電力機車是波動性很大的大功率單相整流負荷，對於三相對稱的電力系統供電來說，電鐵牽引負荷具有非線形、不對稱和波動性的特點，將產生三相不平衡的負序及高次諧波電流注入電網[1]，使得旋轉電機轉子發熱、電力變壓器使用壽命縮短、輸電線路送電能力降低，繼電保護裝置誤動及安全自動裝置不能正常投切等諸多影響電網運行的不利因素。因此，必須對電鐵機車對電力系統的影響有足夠的重視並採取應對措施[2-3]。目前關於電鐵諧波治理的技術已經趨於成熟[4]，但對於負序的治理仍存在很多問題，傳統上廣泛使用的關於減小電鐵負序分量的方法大多是合理安排機車及系統機組運行方式，盡量削弱電鐵負序分量對電網的影響，此方法雖能在一定程度上控制電鐵對電力系統的影響，但仍存在諸如列車運行方式臨時變化、電力系統機組檢修等問題，影響治理效果。根據電鐵負荷給電網帶來的負序影響，著重對SVC負序補償基本原理及運行方式進行了研究分析；將國內外應用SVC治理電鐵負序分量的案例做了綜述；最後對SVC在電鐵負序治理中的應用前景做了初步探討。 1 電鐵負荷負序分量對電網的影響 1.1 負序分量對電網的影響[2] 1.1.1 對旋轉電機的影響 1）汽輪發電機轉子為敏感部位，因為汽輪發電機轉子負序溫升比定子大，存在局部高溫突出部位，國內曾發生過向電鐵供電的汽輪發電機轉子部件嵌裝面過熱受損的事故；另一方面，當負序電流流過發電機時，產生負序旋轉磁場、負序同步轉矩，使發電機產生附加振動。 2）對鄰近牽引變電所而遠離電源的非同步電動機，其定子繞組為敏感部位。同時還將在電動機中產生一反向旋轉磁場，此反向磁場對電動機轉子起制動作用，影響其出力。在諧波和負序電流的共同影響下，國內曾發生多起定子繞組過熱燒毀事故。 1.1.2 對電力變壓器的影響負序電流造成電力系統三相電流不對稱，使得變壓器的額定出力不足（即變壓器容量利用率下降）。 1.1.3 對輸電線路的影響流過電力網的負序電流，只是降低了電力線路的輸送能力，並不作功。 1.1.4 對繼電保護和自動裝置的影響對各種以負序濾波器為啟動元件的保護及自動裝置干擾：由於保護按負序（基波）量整定，整定值小、靈敏度高。濾波器為啟動元件時，實際運行中已引起下列保護和自動裝置誤動。 1）發電機的負序電流保護誤動。2）變電站主變壓器的復合電壓啟動過電流保護裝置的負序電壓啟動元件誤動。3）母線差動保護的負序電壓閉鎖元件誤動。4）自動故障錄波裝置的負序啟動元件的誤啟動，導致無故障記錄而浪費記錄膠卷。在頻繁誤動時，可能造成未能及時裝好新膠卷而導致發生故障時無記錄。 1.2 負序分量影響的標准[5] 我國有關同步發電機承受不平衡電流允許值的規定如下：1）在按額定負荷連續運行時，汽輪發電機三相電流之差不超過額定值的10％，水輪發電機和同步調相機三相之差不超過額定值的20％，同時任何一相的電流不得大於額定值。2）在低電壓額定負荷連續運行時，各相電流之差可以大於上面的規定值，但應根據實驗確定數值。對於100 MW及以下汽輪發電機，當三相負荷不對稱時，若每相電流均不超過額定值，且負序分量與額定電流之比不超過8％，應能連續運行，100 MW以上的發電機，一般認為負序分量與額定電流之比不超過5％。 2 SVC負序補償基本原理及運行方式[6-8] SVC全稱為「靜止型動態無功補償器」，主要用於補償用戶母線上的無功功率，其通過連續調節其自身無功功率來實現的，一般SVC由並聯電感和電容兩個迴路組成，其中感性迴路為動態迴路，其感性無功功率可連續分相調整，使得整個裝置無功功率的大小和性質發生變化，分相控制的依據為三相平衡原理。用Qs表示系統總無功功率，QF為用戶負荷的無功功率，QL為晶閘管控制電抗器（TCR）的無功功率，QC為電容器無功功率，上述平衡過程可以用公式（1）來表達：Qs=QF+QL-QC=常數=0 （1）如圖1所示，A為系統工作點。負荷工作時產生感性無功QF，補償裝置中的電容器組提供固定的容性無功QC，一般情況下後者大於前者，多餘的容性無功由TCR平衡。當用戶負荷QF變化時，SVC控制系統調節TCR電流從而改變QL值以跟蹤，實時抵消負荷無功，動態維持系統的無功平衡。最簡單的TCR裝置組成和工作原理如圖2所示：TCR的基本結構是兩個反並聯的晶閘管和電抗器串聯。晶閘管在電源電壓的正負半周輪流工作，當晶閘管的控制角α在90°~180°之間時，晶閘管受控導通（控制角為90°時完全導通，180°時完全截止）。在系統電壓基本不變的前提下，增大控制角將減小TCR電流，減小裝置的感性無功功率；反之減小控制角將增大TCR電流，增大裝置的感性無功。就電流的基波分量而言，TCR裝置相當於一個可調電納。其等效電納為：式中，α為晶閘管導通角；L為電抗器電感值；ω為網壓的角頻率。對於不對稱負荷，應採用分相調節，根據瞬時電壓和電流求出所需的補償電納。TCR分相調節的理論基礎為司坦麥茲（STEINMETZ）理論，在此理論指導下，SVC能夠將負荷補償為純有功的三相平衡系統。司坦麥茲（STEINMETZ）理論有多種表達形式，本文給出一種常用的補償電納公式：r分別為△連接的補償電抗器電納值；V為系統電壓有效值為系統電壓（線電壓）瞬時值；ia(I)，ib(I)，ic(I)為系統電流瞬時值；T為采樣周期，一般為10 ms。根據以上補償理論，將一個理想的補償網路與負荷相連就可以把任何不平衡的三相負荷變換成一個平衡的三相有功負荷，而不會改變電源和負荷間的有功功率交換，能夠取得良好的電能質量治理效果。 3 SVC在電鐵負序治理中的應用 3.1 國外電鐵SVC應用情況 日本東海道新干線西相模牽引變，根據牽引變接入電網點檢出的無功電流和負序電流，由負荷特性計算補償電路SVC所需無功電流的數值，對TCR中的晶閘管觸發信號加以控制，從而對有功功率的不平衡與負序進行補償。澳大利亞昆士蘭鐵路將總容量為600 MV·A的套SVC根據需要分別裝設在沿途各牽引變的低壓側，將一套340 MV·A的SVC裝設在更高一級電壓等級的電網。補償後，負序電壓由補償前的4.5%下降到0.8％。英法海底隧道採用了ABB提供的SVC以解決負荷平衡問題，通過SVC補償後，不平衡度小於0.1％。 3.2 國內電鐵SVC應用情況 2000年10月，神朔電氣化鐵路（神華集團）開通，單相供電牽引所產生巨大負序電流，引起三相供電系統的不平衡，給鄰近神木電廠（屬神華集團）發電機組（2×100 MW）穩發、滿發以及整個陝北電網的穩定和安全運行帶來嚴峻考驗。2000年11月至12月神木發電公司2台發電機組由於負序原因被迫停運，損失發電量超過1×108 kW·h。2001年330 kV神木變投運後，供電質量得到了一定的改善。根據實測，330 kV神木變2台主變並列運行時，神木發電公司單機組運行，發電機中負序電流可達到額定電流的15%（規定值＜8%，2 台機組同時運行時發電機中負序電流也可達到8%的臨界值)。為保證發電公司能正常發電，330 kV主變只能採用分列運行方式，1台供神木發電公司發電進網，1台供電鐵牽引站送電。在該方式下，單機組發電時，發電機中的負序電流仍時有超過8%的現象發生。由於電鐵的影響，神木發電公司在運行中還經韓宏飛等：電氣化鐵路中SVC 負序補償應用技術研究Vol.25 No.6常出現發電變差動保護誤動、循環水泵電機過負荷等故障。2002年，經過多方考慮神華集團公司斥巨資在神朔電鐵供電線路上加裝靜止型動態無功補償裝置（SVC）以治理電鐵牽引站對電網所產生的污染，包括抑制諧波、提高功率因數、快速連續無功調節、抑制電壓波動和閃變、解決三相不對稱等問題。神朔SVC工程與2002年5月底投入運行，並於2002年8月10日完成竣工驗收移交。其間西北電力試驗研究院受用戶委託對該工程進行了實際跟蹤測試，證明該設備性能穩定、運行安全可靠、各項指標均為優良、補償效果良好，完全達到並優於用戶要求，方案實施後取得了預期效果。該裝置在國內首次實現了110 kV電鐵供電線上對多座電鐵牽引負荷的整體動態實時補償，首開電鐵與電網補償綜合治理的成功先例。 4 結語 SVC裝置在電氣化鐵道中應用的主要問題是資金問題。隨著我國電網建設的進一步發展以及電氣化鐵路大規模的建設，對SVC在電鐵中的應用提出了更高要求，迫切需要設計、生產出性能最佳、價格便宜的SVC裝置。遼寧某廠家生產的SVC，於1997年通過了遼寧省科委及原國家計委重點工業性試驗項目鑒定，實現了國產化；中國電力科學研究院生產的SVC於2004年在鞍山紅一變投入運行，也實現了國產化；在我國冶金、煤炭、化工、電鐵等行業中使用的SVC，國產的占絕大多數。國產SVC實用化程度進一步提高，國產的SVC裝置除具備SVC的常規特點外，還具有無水冷卻（熱管自冷技術），出廠前進行全載、全壓試驗，運行中可以進行遠程實時監控運行等特徵。近10 a來，國產SVC裝置的安全運行實踐證明了國產SVC裝置技術經濟指標的優越性和先進性。經遼寧該廠家建議，由全國電壓/電流等級和頻率標准化技術委員會牽頭制定的中華人民共和國國家標准《靜止式動態無功功率補償裝置（SVC）功能特性導則》和《靜止式動態無功功率補償裝置（SVC）現場試驗導則》報批稿已經上報，必將促進SVC的進一步發展。目前，國產SVC的規模化生產能力不僅完全可以滿足我國電力系統和各行業的需要，而且還具有出口能力。目前該廠家生產的我國第一套應用於電氣化鐵路的高壓大功率靜止無功發生器亦進入最後調試階段，此套裝置將發往上海鐵路局用於電氣化鐵路電能質量治理。首套電鐵系統專用靜補裝置的問世，標志著我國成為世界上少數幾個掌握該技術的國家。目前國產SVC已佔領了國內電氣化鐵路系統、冶金行業絕大部分市場份額，成為世界上SVC的主要製造商之一，2006年的裝機數量更是首次超過瑞士ABB與德國西門子SIEMENS，躍居全球第一，國內廠家精心研製的高壓動態無功補償裝置（SVC）已具有國際同期先進水平。可以預見，隨著國產SVC技術水平的進一步成熟、性價比的進一步提高，SVC在我國電氣化鐵路建設中必將發揮重要作用，為促進我國鐵路建設實現跨越式發展提供有力保障。 [參考文獻]: [1] 林建欽,杜永宏. 電力系統諧波危害及防止對策[J].電網與清潔能源，2009，25（02）：28-31. [2] 盧志海,厲吉文,周劍.電氣化鐵路對電力系統的影響[J].繼電器,2004,32(11):33-36. [3] 任元.信陽和駐馬廟地區電氣化鐵路諧波引起220 kV高頻保護動作的分析[J].電網技術,1995,19(2):32-35. [4] 李鄭剛. 電石爐無功補償與諧波抑制.文秘雜燴網 http://www.rrrwm.com ，2009，25（01）：76-78. [5] 電力工業部電力規劃設計總院.電力系統設計手冊[S].北京:中國電力出版社,2005. [6] 朱永強,劉文華,邱東剛,等.基於單相STATCOM的不平衡負荷平衡化補償的模擬研究[J]. 電網技術,2003,27(8):42-45. [7] 李曠,劉進軍,魏標,等.靜止型無功發生器補償電網電壓不平衡的控制及其優化方法[J].中國電機工程學報,2006,26(5):58-63. [8] 遼寧榮信電力電子股份有限公司.SVC控制系統用戶手冊[K].遼寧: 榮信電力電子股份有限公司,2006

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