吾布里·阿依丁，季書文，吾斯曼·托乎提

(1.新疆工業(yè)高等?？茖W(xué)校 電氣與信息工程系，新疆 烏魯木齊 830091;2.新疆焦煤集團(tuán)艾維爾溝焦煤公司，新疆 烏魯木齊 830025;3.新疆焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司焦煤分公司機(jī)電動(dòng)力部，新疆 烏魯木齊 830025)

0 引言

交直流型電力運(yùn)輸機(jī)車的大量使用使得電氣化運(yùn)輸巷道負(fù)荷功率因數(shù)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(shù)的一條有效途徑是裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置。目前大多牽引變電所均加裝了靜態(tài)并聯(lián)電容補(bǔ)償裝置，這種方法具有安裝容量較小、投資少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠及維修方便的優(yōu)點(diǎn)，但是存在以下問題:

(1)其濾波特性受系統(tǒng)參數(shù)的影響大，并可能與系統(tǒng)發(fā)生諧振或諧波放大，危及系統(tǒng)安全;

(2)只能消除極少數(shù)特定次的諧波，其濾波效果遠(yuǎn)不能滿足要求;

(3)由于電力牽引負(fù)荷變化劇烈，無功功率和電流隨機(jī)波動(dòng)，不可調(diào)補(bǔ)償裝置的跟隨效果不佳，在運(yùn)量小、無負(fù)荷和輕負(fù)荷概率較大的區(qū)段過補(bǔ)償嚴(yán)重，功率因數(shù)大幅下降。

運(yùn)輸巷道嚴(yán)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(yùn)輸機(jī)車在若干年內(nèi)仍將是我國電力運(yùn)輸機(jī)車的主力，所以，為適應(yīng)形勢(shì)的需要，必須提出一種安全、有效、經(jīng)濟(jì)的新方案對(duì)電氣化運(yùn)輸巷道的無功、諧波污染進(jìn)行綜合治理。

1 可調(diào)補(bǔ)償容量的確定

固定平均補(bǔ)償比較適用于“反轉(zhuǎn)反計(jì)”，但是這種補(bǔ)償方式的補(bǔ)償容量選擇偏小，容易造成有行車時(shí)“欠補(bǔ)償”、無行車時(shí)“過補(bǔ)償”[1]。所以如何正確確定可調(diào)補(bǔ)償?shù)娜萘渴菍?shí)現(xiàn)可調(diào)補(bǔ)償?shù)闹匾徊?。固定平均補(bǔ)償并聯(lián)電容器容量用下式計(jì)算

式中 QX——需補(bǔ)償電容器容量;

PL——計(jì)算平均有功功率;

cosφ1——補(bǔ)償前功率因數(shù);

cosφ2——補(bǔ)償后功率因數(shù);

q0——變電所無電概率。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際安裝的情況，對(duì)式(1)進(jìn)行修正:PL原為計(jì)算平均有功功率，應(yīng)改為測(cè)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(shù)應(yīng)取地方供電局計(jì)量點(diǎn)的月平均功率因數(shù)，而非機(jī)車和牽引變壓器綜合考慮的功率因數(shù)，同時(shí)應(yīng)考慮線路影響。補(bǔ)償后地方供電局計(jì)量點(diǎn)的月平均功率因數(shù)應(yīng)提高到94% ～95%，有功功率取測(cè)量有功功率最大值的94%。再根據(jù)電抗率、高次諧波、系統(tǒng)電壓的波動(dòng)進(jìn)行修正，現(xiàn)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(bǔ)償裝置實(shí)際補(bǔ)償容量的86% ～97%，原固定補(bǔ)償容量大則吸流電抗器的容量大。對(duì)于既有變電所最好讓技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行測(cè)試后，再確定電容器、吸流電抗器的容量[2]。

2 可調(diào)無功補(bǔ)償裝置

2.1 并聯(lián)混合補(bǔ)償器

本文所提方案為在牽引供電系統(tǒng)的兩相分別安裝并聯(lián)混合補(bǔ)償器，對(duì)電力牽引負(fù)荷產(chǎn)生的諧波、無功進(jìn)行就地補(bǔ)償。

圖1是該可調(diào)無功補(bǔ)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(diào)壓變壓器穩(wěn)態(tài)下的理想模型。L1表示降壓變壓器的漏感，L2表示包括并聯(lián)電抗器電感和調(diào)壓變壓器漏感的等效電感[3]。

圖1 可調(diào)無功補(bǔ)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(diào)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(diào)無功補(bǔ)償裝置實(shí)際上構(gòu)造了一個(gè)并聯(lián)在母線上的可調(diào)電抗。通過調(diào)節(jié)調(diào)壓變壓器的變比K2就能調(diào)節(jié)這個(gè)電抗的大小，從而達(dá)到調(diào)節(jié)系統(tǒng)無功功率的目的。

2.2 諧波及無功電流檢測(cè)

諧波及無功電流檢測(cè)是混合補(bǔ)償器控制的重要環(huán)節(jié)。由于系統(tǒng)電源頻偏將導(dǎo)致濾波能力下降或放大諧波，此時(shí)保證濾波能力就顯得尤為重要。所以，應(yīng)該保證諧波及無功電流檢測(cè)方案不受電源頻偏的影響。另外，由于電力牽引負(fù)荷變化劇烈，所以對(duì)諧波及無功電流檢測(cè)的實(shí)時(shí)性要求比較高。本文采用圖2所示的方案進(jìn)行諧波及無功電流檢測(cè)[4]。

圖2 諧波及無功電流檢測(cè)法原理框圖

圖2中ud(t)為牽引母線電壓信號(hào)，iS(t)為被測(cè)電流信號(hào)，LPF為低通濾波器，用于提取信號(hào)的直流分量，PLL為鎖相環(huán)，用于跟蹤電壓頻率及相位，PLL后為正、余弦發(fā)生器，其輸出為與其輸入信號(hào)的基波同相的正弦信號(hào)以及滯后90°的正弦信號(hào)，iSh(t)為諧波電流信號(hào)，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(cè)方案的工作原理，設(shè)

式(5)和式(6)的直流分量分別為被測(cè)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(cè)電流的基波分量，再用被測(cè)電流信號(hào)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(diǎn)是:構(gòu)造正交相時(shí)電流信號(hào)不移相，電壓信號(hào)僅有90°的相移。因此，諧波檢測(cè)具有很好的實(shí)時(shí)性。

3 可調(diào)無功補(bǔ)償裝置的控制策略

可調(diào)無功補(bǔ)償裝置以系統(tǒng)的功率因數(shù)和無功功率為綜合判據(jù)，實(shí)行模糊控制。當(dāng)母線電壓過大或過小時(shí)，無論當(dāng)前系統(tǒng)的功率因數(shù)如何都切除混合補(bǔ)償器。在母線電壓正常的情況下，以cosφ=0.92為補(bǔ)償目標(biāo)值。當(dāng)功率因數(shù)低于補(bǔ)償目標(biāo)值時(shí)，以系統(tǒng)當(dāng)前的無功功率為判據(jù)，查模糊控制表決定可調(diào)無功補(bǔ)償裝置動(dòng)作的力度和速度。

為了保證混合補(bǔ)償系統(tǒng)穩(wěn)定并具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和最佳的諧波抑制效果，前饋控制以電力機(jī)車中的諧波成分ILh為輸入。設(shè)電力系統(tǒng)背景諧波電壓所產(chǎn)生的諧波電流成分為iSh1，其傳遞函數(shù)用GS(s)描述，電力機(jī)車負(fù)荷所產(chǎn)生的諧波電流成分為iSh2，其傳遞函數(shù)用GL(s)描述，APF電壓所補(bǔ)償?shù)闹C波電流成分為Ish3，其傳遞函數(shù)用GAPF(s)描述。系統(tǒng)總諧波電流Ish=Ish1+Ish2－Ish3。GPWM(s)為PWM放大器的傳遞函數(shù)，GaL(s)，Gag(s)和Gas(s)為控制器的傳遞函數(shù)[5]。于是可以得出如圖3控制系統(tǒng)原理框圖。

圖3 控制系統(tǒng)原理框圖

觀察式(11)可以發(fā)現(xiàn)，為了獲得理想的濾波效果，應(yīng)有

因此，控制器的設(shè)計(jì)目標(biāo)為

其中，Gas為相位補(bǔ)償器，由式(12)、式(13)可以看出，為了獲得良好的補(bǔ)償特性，Gas、Gag應(yīng)有較大的放大倍數(shù)，但是單純?cè)龃驡as、Gag的放大倍數(shù)會(huì)使閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定[5]。于是，為了使 Gas、Gag在穩(wěn)態(tài)時(shí)有較大的放大倍數(shù)，設(shè)計(jì)Gag為周期積分器，其離散傳遞函數(shù)為

令Gag=iout/iin，則其遞推公式為

式中Ni為一周期內(nèi)的采樣次數(shù)。對(duì)于固定的采樣頻率，當(dāng)系統(tǒng)電源頻率發(fā)生變化時(shí)，Ni也應(yīng)隨之變化。周期積分器的幅頻響應(yīng)為

對(duì)于基波的整數(shù)倍諧波有cosω=1，于是有

式中a為積分系數(shù)，b為比例系數(shù)。a的值在0～1之間選取，當(dāng)a的取值接近1時(shí)，周期積分器在穩(wěn)態(tài)下有很大的放大倍數(shù)。a和b的取值關(guān)系到控制器的響應(yīng)速度及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。兩系數(shù)的值應(yīng)該在保證系統(tǒng)有良好穩(wěn)定性的情況下，根據(jù)對(duì)濾波器響應(yīng)速度及濾波效果的要求選取[6]。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文提出的電氣化運(yùn)輸電車無功動(dòng)態(tài)并聯(lián)綜合補(bǔ)償裝置(帶有協(xié)調(diào)變壓器的可調(diào)無功補(bǔ)償與諧波治理方案)，技術(shù)先進(jìn)、方案合理。

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

(2)在滿足提高功率因數(shù)的基礎(chǔ)上，也能夠有效地提高濾波率，并大大改善無功負(fù)序的影響，降低母線壓損，提高網(wǎng)壓水平，降低牽引變壓器功率損失和網(wǎng)損(節(jié)能)，提高牽引變壓器的容量利用率(增容)，滿足鐵路建設(shè)和發(fā)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(shí)的過電壓、過電流，并有效延長設(shè)備的使用壽命。

(4)大大地降低了一次性投資，同時(shí)也避免了晶閘管觸發(fā)脈沖的問題。

(5)多種形式的協(xié)調(diào)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(chǎng)合。

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