【正文】 幕。在內(nèi)（燃）電（力）并舉，以電為主以及大力發(fā)展電力牽引方針的指導(dǎo)下，到1990年底，我國已建成16條電氣化鐵路，里程達(dá)7000公里。電氣化鐵路的牽引動(dòng)力是電力機(jī)車，機(jī)車本身不帶能源，所需能源由電力牽引供電系統(tǒng)提供。牽引供電系統(tǒng)主要是指牽引變電所和接觸網(wǎng)兩大部分。變電所設(shè)在鐵道附近，它將從發(fā)電廠經(jīng)高壓輸電線送來的電流，送到鐵路上空的接觸網(wǎng)上。接觸網(wǎng)是向電力機(jī)車直接輸送電能的設(shè)備。沿著鐵路線的兩旁，架設(shè)著一排支柱，上面懸掛著金屬線，即為接觸網(wǎng)，它也可以被看作是電氣化鐵路的動(dòng)脈。電力機(jī)車?yán)密図數(shù)氖茈姽瓘慕佑|網(wǎng)獲得電能，牽引列車運(yùn)行。牽引供電制式按接觸網(wǎng)的電流制有直流制和交流制兩種。直流制是將高壓、三相電力在牽引變電所降壓和整流后，向接觸網(wǎng)供直流電，這是發(fā)展最早的一種電流制，到20世紀(jì)50年代以后已較少使用。交流制是將高壓、三相電力在變電所降壓和變成單相后，向接觸網(wǎng)供交流電。交流制供電電壓較高，發(fā)展很快。我國電氣化鐵路的牽引供電制式從一開始就采用單相工頻（50赫茲）25千伏交流制，這一選擇有利于今后電氣化鐵路的發(fā)展。隨著新技術(shù)、新材料的應(yīng)用，電氣化鐵路在數(shù)量上和質(zhì)量上都得到了很大的發(fā)展，電氣化鐵路已成為世界各國鐵路現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。 無功功率補(bǔ)償簡介功率因數(shù)，是對電能進(jìn)行安全有效利用的衡量標(biāo)準(zhǔn)之一。從最初的因?yàn)榇罅扛行载?fù)載投入電網(wǎng)帶來的無功損耗，到后來由于各種非線性整流裝置投入電網(wǎng)帶來的諧波污染，再到現(xiàn)在的電力電子裝置尤其是開關(guān)電源、變頻器等功率變換裝置的廣泛使用而帶來的大量諧波對電網(wǎng)的危害。無功功率補(bǔ)償裝置的主要作用是：提高負(fù)載和系統(tǒng)的功率因數(shù)，減少設(shè)備的功率損耗，穩(wěn)定電壓，提高供電質(zhì)量。在長距離輸電中，提高系統(tǒng)輸電穩(wěn)定性和輸電能力，平衡三相負(fù)載的有功和無功功率等。目前，國內(nèi)電網(wǎng)采用的電容補(bǔ)償技術(shù)主要是集中補(bǔ)償與就地補(bǔ)償技術(shù)。就地補(bǔ)償技術(shù)主要適用于負(fù)荷穩(wěn)定，不可逆且容量較大的異步電動(dòng)機(jī)補(bǔ)償(如風(fēng)機(jī)、水泵等)，其它各種場合仍主要采用集中補(bǔ)償技術(shù)。下面是幾種常用的補(bǔ)償裝置。（1）同步調(diào)相機(jī)；（2）靜止補(bǔ)償裝置，目前來看，有發(fā)展前途的主要有直流助磁飽和電抗器型、可控硅控制電抗器型和自飽和電抗器型3種。上述第二種又可分為：固定連接電容器加可控硅控制的電抗器(fixed capacitor＆thyristor controlled reactor，F(xiàn)C－TCR)；可控硅開關(guān)操作的電容器加可控硅控制的電抗器(thyristor switched capacitor＆thyristor controlled reactor，TSC－TCR)[3]。 幾種常見的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償方式 SVG(靜止無功發(fā)生器)目前我國電氣化鐵路牽引變電所無功補(bǔ)償裝置絕大部分采用并聯(lián)電容器固定補(bǔ)償模式。由于牽引負(fù)荷的劇烈變化,便造成輕載無功的過補(bǔ)償和重載無功的欠補(bǔ)償,其結(jié)果均造成牽引供電系統(tǒng)功率因數(shù)偏低。為解決上述問題人們進(jìn)行了多方面的研究。研究用可關(guān)斷晶閘管(GTO)構(gòu)成無功補(bǔ)償電源(SVG)對牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)脑砗蛯?shí)現(xiàn)方法。在直流輸電系統(tǒng)中,可以通過調(diào)節(jié)換流器的控制角來調(diào)節(jié)無功功率, 由于用SCR構(gòu)成的換流器沒有斷流能力, 只能在控制角D為正的狀態(tài)下運(yùn)行,所以這樣的換流器只能消耗感性無功功率。當(dāng)用GTO 取代SCR 構(gòu)成換流器時(shí),就可以使換流器在D 角為正或?yàn)樨?fù)的狀態(tài)下都能運(yùn)行, 這樣換流器既能發(fā)出無功功率,也能吸收無功功率, 而成為雙向可調(diào)的無功電源。由于電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)是一種三相不平衡負(fù)荷,其在三相系統(tǒng)中所產(chǎn)生的不平衡一般只在各相電壓的幅值上有些不同,而不會(huì)引起各相電壓相位的變化通過調(diào)節(jié)逆變器觸發(fā)角,可實(shí)現(xiàn)與間的相位角差的調(diào)節(jié),使SVG輸出或吸收感性無功功率, 從而有效解決了并聯(lián)電容器固定補(bǔ)償?shù)谋锥恕VG的平衡調(diào)節(jié)特性可使?fàn)恳?fù)荷的不平衡效應(yīng)得到改善,并可提高牽引變壓器的容量利用率。若以并聯(lián)電容器固定補(bǔ)償為基礎(chǔ),用SVG來調(diào)節(jié)無功補(bǔ)償容量的峰谷差,這樣不僅能實(shí)現(xiàn)無功功率的平滑、連續(xù)地調(diào)節(jié),而且可減小SVG的容量,從而使設(shè)備投資減小。 SVC（靜止型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置）隨著電力電子器件的迅速發(fā)展,大功率交交變頻裝置在交流調(diào)速中得到了廣泛的應(yīng)用,但同時(shí)也出現(xiàn)了新的問題,即對電網(wǎng)造成的污染日益嚴(yán)重,產(chǎn)生這種污染的主要原因是用電負(fù)荷的電流波形中含有沖擊無功分量和高次諧波分量。迄今為止,國內(nèi)外已研究開發(fā)了多種使用于不同場合的改善電壓波形、抑制沖擊無功的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置。濟(jì)鋼中厚板廠原有2套粗軋機(jī)裝置, 沒有有效的功率補(bǔ)償裝置。因此,電網(wǎng)質(zhì)量比較差,現(xiàn)在濟(jì)鋼中厚板廠二期工程中,新上精軋機(jī)2 套交交變頻裝置,電機(jī)功率27000kW,與2套粗軋機(jī)裝置同時(shí)連接到35kV母線上,因此,若不投建無功補(bǔ)償系統(tǒng),生產(chǎn)時(shí),系統(tǒng)對電網(wǎng)的沖擊和污染是可想而知的。根據(jù)濟(jì)鋼電網(wǎng)的實(shí)際,對軋機(jī)負(fù)荷交交變頻對電網(wǎng)產(chǎn)生的無功與諧波進(jìn)行了分析,并據(jù)此提出電網(wǎng)靜止型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置(SVC)的技術(shù)方案,利用國外先進(jìn)技術(shù),由德國西門子設(shè)計(jì)、制造SVC靜止型動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置。SVC 系統(tǒng)的晶閘管功率模塊采用世界先進(jìn)的直接光觸發(fā)晶閘管(LTT)。LTT使用的技術(shù)類似于電觸發(fā)的晶閘管(ETT),與電觸發(fā)晶閘管不同之處在于LTT晶閘管的陶瓷不是由門套管填充,觸發(fā)的光脈沖通過金屬接點(diǎn)直接施加到硅片的中心。LTT不需要高電勢的輔助能源或邏輯電路,因此一個(gè)晶閘管模塊的元件數(shù)量減少了90%。LTT沒有內(nèi)部門接點(diǎn),特別是晶閘管故障無需機(jī)械彈簧。而長年操作后彈簧會(huì)出現(xiàn)疲勞,通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)操作10多年后在某些情況下,會(huì)發(fā)生晶閘管爆炸事故,門接點(diǎn)是此類故障的原因。取消了晶閘管電勢門驅(qū)動(dòng)單元也就取消了部分放電的電勢源和電磁干擾(EMI)。全部單個(gè)晶閘管的保護(hù)集成在LTT本身,使用過電壓保護(hù)預(yù)觸發(fā)控制,產(chǎn)生觸發(fā)功率的激光二極管的壽命經(jīng)實(shí)驗(yàn)超過40年。 TCR（晶閘管相控電抗型無功補(bǔ)償裝置）隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,大功率變流裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用日益廣泛，這些裝置給電力變換帶來方便,但同時(shí)造成系統(tǒng)功率因數(shù)降低,電壓波形畸變嚴(yán)重,成為電網(wǎng)“公害”。為此,各國專家在無功功率補(bǔ)償、功率因數(shù)改善、濾除諧波、提高供電質(zhì)量等方面作了許多研究1近年來發(fā)展并成功應(yīng)用的TCR(Thyristo r Con t ro lled Reacto rs, 晶閘管控制電抗器)。目前，在國內(nèi)許多超高壓輸電系統(tǒng)以及使用電弧爐、軋鋼機(jī)等無功功率波動(dòng)較大的場合，經(jīng)常采用SVC裝置。用以改善供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，抑制電壓閃變，抑制系統(tǒng)的過電壓和諧波，改善其動(dòng)態(tài)特性，提高負(fù)荷的功率因數(shù)。為了保證SVC裝置正常工作，則需監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測靜補(bǔ)償裝置特別是TCR閥的運(yùn)行狀態(tài)。TCR動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償器包括三個(gè)組成部分：（1）濾波器組由5套單頻調(diào)諧濾波器H2～H6和1套高通濾波器H7組成1每套為三線制Y接線，其作用為提供恒定的超前基波無功(容性無功),并吸收負(fù)載和補(bǔ)償器本身所產(chǎn)生的諧波。（2)TCR即晶閘管控制的線性電抗器TCR起著穩(wěn)定器的作用, 產(chǎn)生可調(diào)的滯后基波無功(感性無功),與濾波器組的恒定超前無功一起輸出可控的超前無功以補(bǔ)償負(fù)載動(dòng)態(tài)無功的需求與電抗器串聯(lián)的2個(gè)反并聯(lián)晶閘管組來控制電抗器中的電流,當(dāng)它的相位控制角最大時(shí)為全關(guān)斷狀態(tài),補(bǔ)償器輸出最大容性無功；當(dāng)相位控制角最小時(shí),由于電抗器的滯后無功和濾波器組的超前無功相互抵削。(3)調(diào)節(jié)控制單元這個(gè)單元的功能是依據(jù)一定的調(diào)節(jié)方式,檢測負(fù)荷、電壓、功率因數(shù)等參數(shù)作為輸入信號,用以改變晶閘管的相位角,從而控制補(bǔ)償器向系統(tǒng)提供的容性無功。TCR由于電網(wǎng)電壓較高，因此每個(gè)晶閘管串聯(lián)而成。監(jiān)控系統(tǒng)主要是在運(yùn)行實(shí)時(shí)檢測六相閥上晶閘管元件的狀態(tài)，以確保無功補(bǔ)償裝置安全可靠的運(yùn)行。目前，無功靜止補(bǔ)償裝置的市場形式很好，所以監(jiān)控系統(tǒng)的微機(jī)變化是很有意義的，由于微控系統(tǒng)占有性能價(jià)格比的優(yōu)勢，可以大大的提高產(chǎn)品的競爭力[8]。 TCT型SVC現(xiàn)代超高功率和高功率電爐，由于容量大，給電網(wǎng)造成很大影響：①注入電網(wǎng)的諧波電流超過允許值；②無功負(fù)荷的強(qiáng)大沖擊引起電網(wǎng)電壓劇烈波動(dòng)；③影響企業(yè)功率因數(shù)等。這些不良影響使電網(wǎng)電能質(zhì)量惡化,不僅危害電氣設(shè)備的安全運(yùn)行，而且使電弧爐煉鋼的產(chǎn)量下降，成為電網(wǎng)的主要公害。為了抑制這些公害,改善電網(wǎng)電能質(zhì)量，國外廣泛采用SVC。我國從80 年代開始對SVC進(jìn)行研究,并先后試制出SVC產(chǎn)品。我廠煉鋼分廠就應(yīng)用了國產(chǎn)的第一套TCT型SVC裝置，取得了良好的效果。TCT型SVC裝置由高阻抗變壓器、濾波器和晶閘管功率調(diào)節(jié)器三部分組成。高阻抗變壓器在SVC裝置中作為感性元件，用來吸收無功功率，它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與通常的變壓器基本相同,不同之處是短路阻抗很大,=75%,高阻抗變壓器的一次線圈接成“△”形,是為了消除三次諧波等,二次線圈接成“Y”,晶閘管按三相交流調(diào)功器接線,實(shí)際上是一個(gè)負(fù)載短路了的三相反并聯(lián)接線。三相各自經(jīng)過零線形成回路,各相晶閘管獨(dú)立換流,避免了相間的相互干擾,具備分相調(diào)節(jié)的功能。濾波器在TCT 型SVC裝置中作為容性元件,有HHHH5四組諧波濾波器,它對于基波是容性無功發(fā)生源,提高功率因數(shù),同時(shí)兼作高次諧波電流的濾波器,用以吸收電弧爐和晶閘管功率調(diào)節(jié)器本身產(chǎn)生的高次諧波等。經(jīng)過對TCT型SVC裝置抑制諧波電流、消除電壓波動(dòng)理論等方面分析后,從實(shí)際投運(yùn)2年多時(shí)間看,TCT型SVC裝置減少了電弧爐煉鋼對供電電網(wǎng)的影響。本設(shè)備在以下幾方面有顯著作用。(1)減少了電網(wǎng)的電壓波動(dòng)，補(bǔ)償后電弧爐煉鋼的220kV系統(tǒng)電壓和35kV系統(tǒng)電壓基本不變。(2)提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)。目前的運(yùn)行統(tǒng)計(jì)報(bào)表表明,。(3)濾波后,35kV 母線在電弧爐煉鋼時(shí)綜合電壓總畸變小于2%,HHH4 、H5四組濾波器注入電網(wǎng)系統(tǒng)的諧波電流從I2(2次諧波電流)～I(xiàn)5(5次諧波電流)95%、8A,均在允許值內(nèi),濾波效果非常明顯。綜上所述,TCT型SVC裝置在抑制諧波電流和消除電壓波動(dòng)及提高功率因數(shù)等方面的效果非常顯著,發(fā)揮了各自的作用，各項(xiàng)綜合技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。 TSC(晶閘管投切電容器)電氣化鐵道負(fù)荷變化劇烈，無功功率和電流隨機(jī)波動(dòng)。由于電容器組耐受沖擊次數(shù)及機(jī)械開關(guān)自身特性等限制，可調(diào)無功補(bǔ)償不會(huì)選用機(jī)械開關(guān)(如真空斷路器等)。目前，國外一些國家開始采用晶閘管交流開關(guān)來改變補(bǔ)償裝置的無功出力,同時(shí)濾出一定量的諧波。其中在電力系統(tǒng)中使用最多、最著名的便是靜止無功補(bǔ)償器(SVC),它有可調(diào)電抗器和晶閘管投切電容器(TCR+TSC)方式和晶閘管投切電容(TSC)。TCR+TSC方式投資較大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且TCR有損耗，產(chǎn)生一定量諧波。TSC是SVC的簡化方式，按單調(diào)諧設(shè)計(jì)多組某次或某幾次濾波器，基波下各支路呈容性，由晶閘管投切電容器組，分級改變補(bǔ)償裝置的無功出力；某次諧波下偏調(diào)諧，兼濾該次諧波。因其裝置壽命與投切次數(shù)無關(guān)，且投切的暫態(tài)過程很小，結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)速度快，不產(chǎn)生諧波。所以它是適用于電氣化鐵道特點(diǎn)和要求,最具應(yīng)用前景的經(jīng)濟(jì)實(shí)用裝置。帶有降壓變壓器的TSC及補(bǔ)償支路單調(diào)諧濾波器設(shè)計(jì)方法：正常網(wǎng)壓范圍內(nèi), 由于機(jī)車自身的調(diào)節(jié)功能，兩條饋線之間的相互影響甚微，可認(rèn)為牽引變電所各供電臂的取流具有單相獨(dú)立性，可分別對兩負(fù)荷端口進(jìn)行n次單調(diào)諧濾波器的設(shè)計(jì)。在牽引變電所的負(fù)荷端口設(shè)置的單調(diào)諧濾波補(bǔ)償支路由C2L串聯(lián)而成，通常對n 次諧波從感性區(qū)域接近串聯(lián)諧振，使該次諧波下支路阻抗呈感性，以至不會(huì)出現(xiàn)濾波支路與系統(tǒng)的感性阻抗發(fā)生諧振，導(dǎo)致諧波放大；但在基波下呈容性，可用于基波下無功、負(fù)序的補(bǔ)償；考慮到工程上簡單可行，兩臂每組TSC采用相同結(jié)構(gòu)；另外，由于降壓變壓器漏抗的影響，隨著投入TSC的組數(shù)增加，包括降壓變壓器在內(nèi)的補(bǔ)償支路(7)次諧波容抗降低。因此,為了避免補(bǔ)償支路在(7)次諧波下出現(xiàn)容性，而導(dǎo)致與系統(tǒng)發(fā)生諧振引起諧波放大，補(bǔ)償支路濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)以一組為基礎(chǔ)。無功“返送正計(jì)”的計(jì)量方式下，當(dāng)饋線負(fù)荷空載概率較高時(shí)，應(yīng)放棄使用原有固定補(bǔ)償模式，完全采用TSC可調(diào)電容補(bǔ)償，根據(jù)無功大小動(dòng)態(tài)投入或切除一定組數(shù)的補(bǔ)償支路，避免FIX長期投入而造成的空載下大量無功返送；如果空載概率不高，在原有固定補(bǔ)償模式下，過補(bǔ)償不嚴(yán)重，則從投資和更好地兼顧濾波起見，應(yīng)考慮采用FIX+TSC方式。要解決目前電氣化鐵道牽引變電所功率因數(shù)過低的問題,必須采用可調(diào)補(bǔ)償。 幾種常見的補(bǔ)償方式的比較名稱可控飽和電抗器TSCTCRTCT響應(yīng)方式(ms)6020〈10〈10調(diào)節(jié)方式連續(xù)階梯連續(xù)連續(xù)諧波大（5次25%，7次10%）無?。?次5%，%）同左損耗大（4～6%）小小（1～2%）小噪音大小小小設(shè)計(jì)方式需降壓變壓器同左需降壓變壓器 本課題研究的目的及意義隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，以及各種用電設(shè)備接入電網(wǎng)消耗大量的無功，無功不足和電壓波動(dòng)大的問題日益突出。這時(shí)僅靠調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的手段已經(jīng)不能滿足要求。從20世紀(jì)初開始，人們就對無功補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，為改善負(fù)荷功率因素，逐步采用了同步調(diào)相機(jī)、并聯(lián)電容器、并聯(lián)電抗器、串聯(lián)電容器、現(xiàn)代靜止補(bǔ)償器等無功補(bǔ)償手段。控制方式也有集中式控制、分散控制和關(guān)聯(lián)控制等方式，控制策略更是從經(jīng)典控制轉(zhuǎn)入了智能控制。電氣化鐵路是重要的電力用戶，其無功問題也一直很嚴(yán)重。提高電氣化鐵路功率因數(shù)有兩種方法：一是提高負(fù)荷（電力機(jī)車）的功率因數(shù)，這可通過改造原有電力機(jī)車或研制高功率因數(shù)的電力機(jī)車來實(shí)現(xiàn)；二是實(shí)時(shí)監(jiān)測、調(diào)節(jié)系統(tǒng)的無功功率，使功率因數(shù)始終保持較高值。前一種方式由于需要大量的資金，短時(shí)間內(nèi)還不能實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在比較常用的無功補(bǔ)償裝置有兩種：一是開關(guān)投切電容器組；二是使用晶閘管控制電抗器（TCR）諧波含量大。本課題的主要目的是：對無功補(bǔ)償裝置的控制方案進(jìn)行研究，確定一種更有效的、對電網(wǎng)更有利的控制方式；用晶閘管投切電容器（TSC）對電氣化鐵道的無功功率補(bǔ)償進(jìn)行研究。