【正文】 幕。在內（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下，到1990年底，我國已建成16條電氣化鐵路，里程達7000公里。電氣化鐵路的牽引動力是電力機車，機車本身不帶能源，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兩大部分。變電所設在鐵道附近，它將從發(fā)電廠經高壓輸電線送來的電流，送到鐵路上空的接觸網上。接觸網是向電力機車直接輸送電能的設備。沿著鐵路線的兩旁，架設著一排支柱，上面懸掛著金屬線，即為接觸網，它也可以被看作是電氣化鐵路的動脈。電力機車利用車頂的受電弓從接觸網獲得電能，牽引列車運行。牽引供電制式按接觸網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，向接觸網供直流電，這是發(fā)展最早的一種電流制，到20世紀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、新材料的應用，電氣化鐵路在數量上和質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)代化的重要標志。 無功功率補償簡介功率因數，是對電能進行安全有效利用的衡量標準之一。從最初的因為大量感性負載投入電網帶來的無功損耗，到后來由于各種非線性整流裝置投入電網帶來的諧波污染，再到現(xiàn)在的電力電子裝置尤其是開關電源、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的危害。無功功率補償裝置的主要作用是：提高負載和系統(tǒng)的功率因數，減少設備的功率損耗，穩(wěn)定電壓，提高供電質量。在長距離輸電中，提高系統(tǒng)輸電穩(wěn)定性和輸電能力，平衡三相負載的有功和無功功率等。目前，國內電網采用的電容補償技術主要是集中補償與就地補償技術。就地補償技術主要適用于負荷穩(wěn)定，不可逆且容量較大的異步電動機補償(如風機、水泵等)，其它各種場合仍主要采用集中補償技術。下面是幾種常用的補償裝置。（1）同步調相機；（2）靜止補償裝置，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]。 幾種常見的動態(tài)無功補償方式 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償裝置絕大部分采用并聯(lián)電容器固定補償模式。由于牽引負荷的劇烈變化,便造成輕載無功的過補償和重載無功的欠補償,其結果均造成牽引供電系統(tǒng)功率因數偏低。為解決上述問題人們進行了多方面的研究。研究用可關斷晶閘管(GTO)構成無功補償電源(SVG)對牽引供電系統(tǒng)進行無功補償的原理和實現(xiàn)方法。在直流輸電系統(tǒng)中,可以通過調節(jié)換流器的控制角來調節(jié)無功功率, 由于用SCR構成的換流器沒有斷流能力, 只能在控制角D為正的狀態(tài)下運行,所以這樣的換流器只能消耗感性無功功率。當用GTO 取代SCR 構成換流器時,就可以使換流器在D 角為正或為負的狀態(tài)下都能運行, 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荷,其在三相系統(tǒng)中所產生的不平衡一般只在各相電壓的幅值上有些不同,而不會引起各相電壓相位的變化通過調節(jié)逆變器觸發(fā)角,可實現(xiàn)與間的相位角差的調節(jié),使SVG輸出或吸收感性無功功率, 從而有效解決了并聯(lián)電容器固定補償的弊端。SVG的平衡調節(jié)特性可使牽引負荷的不平衡效應得到改善,并可提高牽引變壓器的容量利用率。若以并聯(lián)電容器固定補償為基礎,用SVG來調節(jié)無功補償容量的峰谷差,這樣不僅能實現(xiàn)無功功率的平滑、連續(xù)地調節(jié),而且可減小SVG的容量,從而使設備投資減小。 SVC（靜止型動態(tài)無功補償裝置）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速中得到了廣泛的應用,但同時也出現(xiàn)了新的問題,即對電網造成的污染日益嚴重,產生這種污染的主要原因是用電負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、抑制沖擊無功的動態(tài)無功補償裝置。濟鋼中厚板廠原有2套粗軋機裝置, 沒有有效的功率補償裝置。因此,電網質量比較差,現(xiàn)在濟鋼中厚板廠二期工程中,新上精軋機2 套交交變頻裝置,電機功率27000kW,與2套粗軋機裝置同時連接到35kV母線上,因此,若不投建無功補償系統(tǒng),生產時,系統(tǒng)對電網的沖擊和污染是可想而知的。根據濟鋼電網的實際,對軋機負荷交交變頻對電網產生的無功與諧波進行了分析,并據此提出電網靜止型動態(tài)無功補償裝置(SVC)的技術方案,利用國外先進技術,由德國西門子設計、制造SVC靜止型動態(tài)無功補償裝置。SVC 系統(tǒng)的晶閘管功率模塊采用世界先進的直接光觸發(fā)晶閘管(LTT)。LTT使用的技術類似于電觸發(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,因此一個晶閘管模塊的元件數量減少了90%。LTT沒有內部門接點,特別是晶閘管故障無需機械彈簧。而長年操作后彈簧會出現(xiàn)疲勞,通過調查發(fā)現(xiàn)操作10多年后在某些情況下,會發(fā)生晶閘管爆炸事故,門接點是此類故障的原因。取消了晶閘管電勢門驅動單元也就取消了部分放電的電勢源和電磁干擾(EMI)。全部單個晶閘管的保護集成在LTT本身,使用過電壓保護預觸發(fā)控制,產生觸發(fā)功率的激光二極管的壽命經實驗超過40年。 TCR（晶閘管相控電抗型無功補償裝置）隨著電力電子技術的發(fā)展,大功率變流裝置在電力系統(tǒng)中的應用日益廣泛，這些裝置給電力變換帶來方便,但同時造成系統(tǒng)功率因數降低,電壓波形畸變嚴重,成為電網“公害”。為此,各國專家在無功功率補償、功率因數改善、濾除諧波、提高供電質量等方面作了許多研究1近年來發(fā)展并成功應用的TCR(Thyristo r Con t ro lled Reacto rs, 晶閘管控制電抗器)。目前，在國內許多超高壓輸電系統(tǒng)以及使用電弧爐、軋鋼機等無功功率波動較大的場合，經常采用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，改善其動態(tài)特性，提高負荷的功率因數。為了保證SVC裝置正常工作，則需監(jiān)控系統(tǒng)實時檢測靜補償裝置特別是TCR閥的運行狀態(tài)。TCR動態(tài)無功補償器包括三個組成部分：（1）濾波器組由5套單頻調諧濾波器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),并吸收負載和補償器本身所產生的諧波。（2)TCR即晶閘管控制的線性電抗器TCR起著穩(wěn)定器的作用, 產生可調的滯后基波無功(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償負載動態(tài)無功的需求與電抗器串聯(lián)的2個反并聯(lián)晶閘管組來控制電抗器中的電流,當它的相位控制角最大時為全關斷狀態(tài),補償器輸出最大容性無功；當相位控制角最小時,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)調節(jié)控制單元這個單元的功能是依據一定的調節(jié)方式,檢測負荷、電壓、功率因數等參數作為輸入信號,用以改變晶閘管的相位角,從而控制補償器向系統(tǒng)提供的容性無功。TCR由于電網電壓較高，因此每個晶閘管串聯(lián)而成。監(jiān)控系統(tǒng)主要是在運行實時檢測六相閥上晶閘管元件的狀態(tài)，以確保無功補償裝置安全可靠的運行。目前，無功靜止補償裝置的市場形式很好，所以監(jiān)控系統(tǒng)的微機變化是很有意義的，由于微控系統(tǒng)占有性能價格比的優(yōu)勢，可以大大的提高產品的競爭力[8]。 TCT型SVC現(xiàn)代超高功率和高功率電爐，由于容量大，給電網造成很大影響：①注入電網的諧波電流超過允許值；②無功負荷的強大沖擊引起電網電壓劇烈波動；③影響企業(yè)功率因數等。這些不良影響使電網電能質量惡化,不僅危害電氣設備的安全運行，而且使電弧爐煉鋼的產量下降，成為電網的主要公害。為了抑制這些公害,改善電網電能質量，國外廣泛采用SVC。我國從80 年代開始對SVC進行研究,并先后試制出SVC產品。我廠煉鋼分廠就應用了國產的第一套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，它的內部結構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功器接線,實際上是一個負載短路了的三相反并聯(lián)接線。三相各自經過零線形成回路,各相晶閘管獨立換流,避免了相間的相互干擾,具備分相調節(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,同時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節(jié)器本身產生的高次諧波等。經過對TCT型SVC裝置抑制諧波電流、消除電壓波動理論等方面分析后,從實際投運2年多時間看,TCT型SVC裝置減少了電弧爐煉鋼對供電電網的影響。本設備在以下幾方面有顯著作用。(1)減少了電網的電壓波動，補償后電弧爐煉鋼的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。目前的運行統(tǒng)計報表表明,。(3)濾波后,35kV 母線在電弧爐煉鋼時綜合電壓總畸變小于2%,HHH4 、H5四組濾波器注入電網系統(tǒng)的諧波電流從I2(2次諧波電流)～I5(5次諧波電流)95%、8A,均在允許值內,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及提高功率因數等方面的效果非常顯著,發(fā)揮了各自的作用，各項綜合技術指標達到了設計要求。 TSC(晶閘管投切電容器)電氣化鐵道負荷變化劇烈，無功功率和電流隨機波動。由于電容器組耐受沖擊次數及機械開關自身特性等限制，可調無功補償不會選用機械開關(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來改變補償裝置的無功出力,同時濾出一定量的諧波。其中在電力系統(tǒng)中使用最多、最著名的便是靜止無功補償器(SVC),它有可調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，結構復雜，且TCR有損耗，產生一定量諧波。TSC是SVC的簡化方式，按單調諧設計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，分級改變補償裝置的無功出力；某次諧波下偏調諧，兼濾該次諧波。因其裝置壽命與投切次數無關，且投切的暫態(tài)過程很小，結構簡單，響應速度快，不產生諧波。所以它是適用于電氣化鐵道特點和要求,最具應用前景的經濟實用裝置。帶有降壓變壓器的TSC及補償支路單調諧濾波器設計方法：正常網壓范圍內, 由于機車自身的調節(jié)功能，兩條饋線之間的相互影響甚微，可認為牽引變電所各供電臂的取流具有單相獨立性，可分別對兩負荷端口進行n次單調諧濾波器的設計。在牽引變電所的負荷端口設置的單調諧濾波補償支路由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，以至不會出現(xiàn)濾波支路與系統(tǒng)的感性阻抗發(fā)生諧振，導致諧波放大；但在基波下呈容性，可用于基波下無功、負序的補償；考慮到工程上簡單可行，兩臂每組TSC采用相同結構；另外，由于降壓變壓器漏抗的影響，隨著投入TSC的組數增加，包括降壓變壓器在內的補償支路(7)次諧波容抗降低。因此,為了避免補償支路在(7)次諧波下出現(xiàn)容性，而導致與系統(tǒng)發(fā)生諧振引起諧波放大，補償支路濾波器參數設計以一組為基礎。無功“返送正計”的計量方式下，當饋線負荷空載概率較高時，應放棄使用原有固定補償模式，完全采用TSC可調電容補償，根據無功大小動態(tài)投入或切除一定組數的補償支路，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，在原有固定補償模式下，過補償不嚴重，則從投資和更好地兼顧濾波起見，應考慮采用FIX+TSC方式。要解決目前電氣化鐵道牽引變電所功率因數過低的問題,必須采用可調補償。 幾種常見的補償方式的比較名稱可控飽和電抗器TSCTCRTCT響應方式(ms)6020〈10〈10調節(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?。?～2%）小噪音大小小小設計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規(guī)模的不斷擴大，以及各種用電設備接入電網消耗大量的無功，無功不足和電壓波動大的問題日益突出。這時僅靠調節(jié)發(fā)電機勵磁電流的手段已經不能滿足要求。從20世紀初開始，人們就對無功補償技術進行了大量的研究，為改善負荷功率因素，逐步采用了同步調相機、并聯(lián)電容器、并聯(lián)電抗器、串聯(lián)電容器、現(xiàn)代靜止補償器等無功補償手段。控制方式也有集中式控制、分散控制和關聯(lián)控制等方式，控制策略更是從經典控制轉入了智能控制。電氣化鐵路是重要的電力用戶，其無功問題也一直很嚴重。提高電氣化鐵路功率因數有兩種方法：一是提高負荷（電力機車）的功率因數，這可通過改造原有電力機車或研制高功率因數的電力機車來實現(xiàn)；二是實時監(jiān)測、調節(jié)系統(tǒng)的無功功率，使功率因數始終保持較高值。前一種方式由于需要大量的資金，短時間內還不能實現(xiàn)?，F(xiàn)在比較常用的無功補償裝置有兩種：一是開關投切電容器組；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：對無功補償裝置的控制方案進行研究，確定一種更有效的、對電網更有利的控制方式；用晶閘管投切電容器（TSC）對電氣化鐵道的無功功率補償進行研究。