浅谈牵引网的无功补偿和谐波治理
2022-06-09
摘要：文章介绍了电气化铁路牵引网供电系统对电力系统的影响，电压跌落、功率因数过低、谐波污染等问题。并针对这些问题提出相应的解决方案。
关键词：功率因数；谐波污染；TSC无功补偿
电气化铁路的牵引动力是电力机车，机车本身不带能源，所需能源由电力牵引供电系统提供。牵引供电系统与一般工业用户不同，它是一个不对称的单相牵引负荷，会造成电力系统三相负荷的不平衡，由于电力机车自身的特点又会产生大量的无功功率和谐波污染对周围的电力系统和本身的电能质量都造成了极大地影响。因此，牵引供电的电能质量问题成为现在电气化铁路建设待解决的问题之一。
一、牵引网中关于电能质量主要存在的几点问题
1.功率因数过低的问题
直流传动电力机车无功功率大，功率因数低也是比较严重的问题，虽然采用过诸多措施，如变电所并联电容器的静态无功补偿，采用这一措施的目的是提高功率因数，降低谐波。但是现在的计量方式已经改变，采用反转正计的无功计量方法后，增加补偿容量却取得相反的效果，即补得越多，反送无功越多，功率因数越低，过补偿十分突出。原有固定并联电容补偿装置和固定补偿模式已无法达到提高功率因数的目的。
2.电压跌落的问题
电力机车通过供电区域时，由于无功功率的作用导致供电区域的电压跌落严重，严重的甚至影响电力机车的正常运行，以及周边电网的电压等级。
3.谐波污染的问题
电气化铁路的电力牵引单相整流机车使牵引变压器高压侧电流以及电压发生畸变，所产生的大量高次谐波分量通过牵引变压器的高压侧注入电力系统，电力机车是一个很大的谐波源，主要含有3、7次谐波。这些谐波电流的存在严重破坏供电网的基波电压电流的质量，致使电机电器温升增加和产生振动。影响电机的机械寿命，还会对周围的电力系统造成破坏。
二、牵引网的无功补偿和谐波治理方案
电气化铁道负荷变化剧烈，无功功率和电流随机波动。国内的无功补偿厂家采用晶闸管交流开关来改变补偿装置的无功，同时滤出一定量的谐波。
最优化的补偿模式就是采用小容量的固定补偿，根据每个牵引变压器的供电容量固定补偿变压器的空载损耗，采取分级投切的动态无功补偿装置TSC（ThyristorSwitchedCapacitor）+FC（FixedCapacitor）+TSF（ThyristorSwitchedFilterbank）的补偿及滤波方式，它能采集进线装置的工作电压和电流，并能计算出设备的带载率，实现实时补偿，并滤除部分谐波。
三、牵引网最佳的补偿方案
通过分析TSC补偿设备的特点，不难看出在快速调节无功变化的场合，TSC补偿设备有不可替代的优越性，晶闸管电子无触点开关既具有过零投切涌流小，无过电压的优点，又解决了工作时散热的问题。在实际工作中，其操作寿命几乎是无限的，可以频繁投切，投切时刻是可以精确控制，实现无过渡过程的平稳投入和切除（动态响应时间0.01～0.02s）。
而针对于牵引网供电的特点，牵引网根据各个区段不同，其供电的负载率各不相同，因此不能采用单纯TSC补偿模式，因为牵引网的供电容量较大，而且无功波动也非常大，而TSC每组的投切容量有限，而如果增加TSC的投切组数，就会增加投资。而对于大容量的补偿负荷又起不到应有的补偿效果。
同时，由于现在采用的“反送正计”的计量手段，因此，单纯的采用大容量的固定补偿电容器组又会造成低负荷时该区段过补严重，也会影响到补偿效果。
针对牵引网供电的特点，提出静止补偿模式FC与TSC动态补偿模式配合使用的方法，配合原则是：（1）FC固定补偿电容器组针对于牵引网变压器的空载损耗以及基础负荷进行补偿，确保在没有其他动态负荷存在的情况下，保证牵引网供电变压器的公共连接点的功率因数计量达到0.90以上。（2）TSC动态补偿电容器组针对于牵引网负荷变化做出快速补偿，确保能够跟踪牵引网中动态负荷的无功变化，确保在有动态负荷存在的情况下，保证牵引网供电变压器的公共连接点的功率因数计量达到0.90以上。（3）通过FC+TSC的配合补偿的作用，使牵引网该区段的月平均功率因数达到0.9以上满足供电局对用户的要求。
四、结束语
在电气化铁路飞速发展的现在，随着电能质量问题在电气化铁路中凸显，严重制约了电气化铁路的发展，因此采用更加科学可靠的电能治理方案是现在亟待解决的问题，特别是在铁路电气化还不发达的地区尤为重要，相信在不远的将来，更加安全高效的补偿方案会随着电力电子技术的发展应运而生，为电气化铁路的发展提供新的电能治理方案。
参考文献
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