煤矿牵引供电系统无功动态谐波综合补偿技术分析

2012-07-02吾布里阿依丁季书文吾斯曼托乎提

节能技术 2012年3期

吾布里·阿依丁，季书文，吾斯曼·托乎提

(1.新疆工业高等专科学校电气与信息工程系，新疆乌鲁木齐 830091;2.新疆焦煤集团艾维尔沟焦煤公司，新疆乌鲁木齐 830025;3.新疆焦煤集团有限责任公司焦煤分公司机电动力部，新疆乌鲁木齐 830025)

0 引言

交直流型电力运输机车的大量使用使得电气化运输巷道负荷功率因数低、谐波含量高的问题尤为突出。目前，提出了一些消除高次谐波影响的方法，如有源滤波法和无源滤波法等。提高功率因数的一条有效途径是装设无功补偿装置。目前大多牵引变电所均加装了静态并联电容补偿装置，这种方法具有安装容量较小、投资少、结构简单、运行可靠及维修方便的优点，但是存在以下问题:

(1)其滤波特性受系统参数的影响大，并可能与系统发生谐振或谐波放大，危及系统安全;

(2)只能消除极少数特定次的谐波，其滤波效果远不能满足要求;

(3)由于电力牵引负荷变化剧烈，无功功率和电流随机波动，不可调补偿装置的跟随效果不佳，在运量小、无负荷和轻负荷概率较大的区段过补偿严重，功率因数大幅下降。

运输巷道严重的无功和谐波污染引起了电力部门的高度重视。由于大量的交直流型电力运输机车在若干年内仍将是我国电力运输机车的主力，所以，为适应形势的需要，必须提出一种安全、有效、经济的新方案对电气化运输巷道的无功、谐波污染进行综合治理。

1 可调补偿容量的确定

固定平均补偿比较适用于“反转反计”，但是这种补偿方式的补偿容量选择偏小，容易造成有行车时“欠补偿”、无行车时“过补偿”[1]。所以如何正确确定可调补偿的容量是实现可调补偿的重要一步。固定平均补偿并联电容器容量用下式计算

式中 QX——需补偿电容器容量;

PL——计算平均有功功率;

cosφ1——补偿前功率因数;

cosφ2——补偿后功率因数;

q0——变电所无电概率。

根据现场实际安装的情况，对式(1)进行修正:PL原为计算平均有功功率，应改为测试有功功率最大值的90% ～95%;无须考虑变电所无电概率q0，功率因数应取地方供电局计量点的月平均功率因数，而非机车和牵引变压器综合考虑的功率因数，同时应考虑线路影响。补偿后地方供电局计量点的月平均功率因数应提高到94% ～95%，有功功率取测量有功功率最大值的94%。再根据电抗率、高次谐波、系统电压的波动进行修正，现需增加安装电容器额定容量。吸流电抗器的容量考虑为高压固定补偿装置实际补偿容量的86% ～97%，原固定补偿容量大则吸流电抗器的容量大。对于既有变电所最好让技术人员到现场进行测试后，再确定电容器、吸流电抗器的容量[2]。

2 可调无功补偿装置

2.1 并联混合补偿器

本文所提方案为在牵引供电系统的两相分别安装并联混合补偿器，对电力牵引负荷产生的谐波、无功进行就地补偿。

图1是该可调无功补偿装置的工作原理图。图中，T1为降压变压器的理想模型，T2为调压变压器稳态下的理想模型。L1表示降压变压器的漏感，L2表示包括并联电抗器电感和调压变压器漏感的等效电感[3]。

图1 可调无功补偿装置的原理图

可列出以下方程组

式中 Ui——高压母线电压;

K1——降压变压器的变比;

K2——调压变压器的变比，K2的取值范围为1/K1～1。

解式(2)得

由式(3)可以看出，该低压晶闸管可调无功补偿装置实际上构造了一个并联在母线上的可调电抗。通过调节调压变压器的变比K2就能调节这个电抗的大小，从而达到调节系统无功功率的目的。

2.2 谐波及无功电流检测

谐波及无功电流检测是混合补偿器控制的重要环节。由于系统电源频偏将导致滤波能力下降或放大谐波，此时保证滤波能力就显得尤为重要。所以，应该保证谐波及无功电流检测方案不受电源频偏的影响。另外，由于电力牵引负荷变化剧烈，所以对谐波及无功电流检测的实时性要求比较高。本文采用图2所示的方案进行谐波及无功电流检测[4]。

图2 谐波及无功电流检测法原理框图

图2中ud(t)为牵引母线电压信号，iS(t)为被测电流信号，LPF为低通滤波器，用于提取信号的直流分量，PLL为锁相环，用于跟踪电压频率及相位，PLL后为正、余弦发生器，其输出为与其输入信号的基波同相的正弦信号以及滞后90°的正弦信号，iSh(t)为谐波电流信号，I1p、I1q分别为基波有功、无功电流的有效值。以下分析图2所示检测方案的工作原理，设

式(5)和式(6)的直流分量分别为被测电流的基波有功电流的有效值I1p和无功电流的有效值I1q，即

用低通滤波器提取I1p和I1q就能合成被测电流的基波分量，再用被测电流信号减去此基波分量即得到谐波电流ish(t)，即

图2所示的方案的特点是:构造正交相时电流信号不移相，电压信号仅有90°的相移。因此，谐波检测具有很好的实时性。

3 可调无功补偿装置的控制策略

可调无功补偿装置以系统的功率因数和无功功率为综合判据，实行模糊控制。当母线电压过大或过小时，无论当前系统的功率因数如何都切除混合补偿器。在母线电压正常的情况下，以cosφ=0.92为补偿目标值。当功率因数低于补偿目标值时，以系统当前的无功功率为判据，查模糊控制表决定可调无功补偿装置动作的力度和速度。

为了保证混合补偿系统稳定并具有良好的动态响应和最佳的谐波抑制效果，前馈控制以电力机车中的谐波成分ILh为输入。设电力系统背景谐波电压所产生的谐波电流成分为iSh1，其传递函数用GS(s)描述，电力机车负荷所产生的谐波电流成分为iSh2，其传递函数用GL(s)描述，APF电压所补偿的谐波电流成分为Ish3，其传递函数用GAPF(s)描述。系统总谐波电流Ish=Ish1+Ish2－Ish3。GPWM(s)为PWM放大器的传递函数，GaL(s)，Gag(s)和Gas(s)为控制器的传递函数[5]。于是可以得出如图3控制系统原理框图。