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交流牽引供電系統諧波消除裝置的應用

發(fā)布時(shí)間:2022-04-26 作者:新風(fēng)光

序言

車(chē)輛生產(chǎn)廠(chǎng)作為生產(chǎn)廠(chǎng)家牽引供電線(xiàn)路眾多,試驗及維修車(chē)型號不一,用電設備多種多樣。車(chē)輛生產(chǎn)廠(chǎng)牽引供電為110kV/10kV變壓器降壓到10kV,再由一臺10MVA牽引用單相升壓變壓器提供25kV單相電源供車(chē)輛試驗使用。這種供電方式存在的主要問(wèn)題是:在車(chē)輛試驗時(shí),10kV母線(xiàn)存在大量諧波電流。中車(chē)青島四方機車(chē)車(chē)輛股份有限公司曾對10kV供電電源諧波進(jìn)行過(guò)測試,結果10kV母線(xiàn)中電流畸變率約50%(THD),諧波次數主要有3次、5次、7次、41次、43次等諧波。車(chē)輛試驗時(shí)經(jīng)常造成廠(chǎng)內開(kāi)關(guān)電源、數控機車(chē)等設備器件損壞,10kV側配置的容電感諧振諧波吸收裝置效果不明顯。

另外,牽引供電電源直接從電網(wǎng)的A,B相取電,C相處在空載狀態(tài),會(huì )造成電網(wǎng)的三相負載不平衡。

鑒于上述情況,需對交流牽引供電電源進(jìn)行改造,來(lái)達到真正的三相平衡補償,并且運行時(shí)注入電網(wǎng)的諧波滿(mǎn)足電網(wǎng)的電磁兼容中規定的諧波限值。

目前,對電氣化鐵路電能質(zhì)量治理的思路,主要從兩個(gè)方面:一是從電源供電改進(jìn),另外一種思路就是增加補償裝置,如無(wú)功補償裝置、電力濾波器。

機車(chē)生產(chǎn)廠(chǎng)供電系統運行方式非常靈活,系統參數復雜。取諧波消除電源方案,將復雜的問(wèn)題簡(jiǎn)單化處理,將微網(wǎng)技術(shù)理念應用到治理中,使得牽引供電與系統既隔離又聯(lián)系,使微網(wǎng)內的問(wèn)題不上傳不擴大,同時(shí)共享系統保護,可靠穩定運行。

1基于諧波消除裝置的供電系統組成

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如圖1電源系統示意圖

本方案利用原有系統的三相10kV電網(wǎng)及單相10kV變25kV升壓變壓器,增加軌道交通單相電源。三相10kV電網(wǎng)作為電源多繞組變壓器的輸入側電源;變壓器的二次側輸出18組單相660V交流電源,變壓器二次側輸出給功率單元進(jìn)行三相全橋整流濾波及單相逆變。18個(gè)功率單元輸出串聯(lián)疊加后形成10kV單相交流電源,經(jīng)輸出濾波器后輸出高品質(zhì)的正弦交流電源供用戶(hù)使用。電源系統結構組成如圖2所示。

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圖2系統結構組成

該裝置利用城市供電線(xiàn)路的三相電源作為輸入,變頻功率單元為成熟的交-直-交整流電路-逆變電路。整流側為二極管整流,逆變側為基本的IGBT模塊H橋單相逆變。通過(guò)對IGBT逆變橋進(jìn)行正弦SPWM控制,可以得到正弦單相交流輸出。

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圖3功率單元主回路圖

2控制系統

         電壓環(huán)與電流環(huán)雙閉環(huán)反饋控制方法,用參考的]電壓給定值與輸出電壓反饋有效值進(jìn)行比較得出電壓誤差,電壓誤差信號經(jīng)過(guò)PID調節器后的輸出量作為電流控制的給定量;電流最大值給定與輸出電流瞬時(shí)反饋值進(jìn)行比較得到電流的誤差量,電流誤差信號經(jīng)過(guò)PID調節器,該調節器輸出的信號與電壓調節器輸出信號乘積與三角波比較產(chǎn)生各單元的PWM脈沖信號。系統控制框圖如圖所示。

         采用這種控制方式的電源具體控制系統簡(jiǎn)單、輸出電壓失真度小、動(dòng)調響應速度快等優(yōu)點(diǎn)。電壓外環(huán)監控輸出電壓,解決由于電網(wǎng)電壓波動(dòng)、直流母線(xiàn)電壓波動(dòng)和輸出電流波動(dòng)對輸出電壓的影響,提高了逆變電源的動(dòng)調性能。電流閉環(huán)可以限制電源最大允許電流輸出,可以限制電源輸出電流,防止因負載波動(dòng)導致的故障停機及功率器件損壞。

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圖4:閉環(huán)控制框圖

3關(guān)鍵技術(shù)

因牽引電源的負載全部為交流整流型負載,在整流設備中加入了儲能元件(濾波電容和濾波電感),從而使閥電壓提高,加重了諧波的產(chǎn)生量,電流畸變嚴重。電源裝置輸入變壓器采喲多重化模塊設計,以達到降低輸入諧波電流的目的。變壓器的18個(gè)二次繞組采喲延邊三角形連結。分為6個(gè)不同的相位,形成36脈沖二極管整流電流結構,理論上可以消除35次以下的所有諧波。輸出電流波形接線(xiàn)正弦波,總諧波失真度低于2%.變壓器同一相位的二次繞組給三個(gè)功率單元供電。這種變壓器不用加任何濾波器就可以滿(mǎn)足供電部分對電壓和電流諧波失真的要求。由于采用二極管整流負載側的無(wú)功功率有單元直流母線(xiàn)電容提供,輸入側功率因數穩定,基本可以保持在0.98以上。

逆變輸出采用多電平移相式SPWM技術(shù),功率單元可以采用較低的開(kāi)關(guān)頻率,降低開(kāi)關(guān)損耗,而等效的總輸出載波很高,輸出電平數多,大大改善了輸出波形,降低輸出諧波。功率單元具有自動(dòng)旁路功能,在某個(gè)單元故障后,自動(dòng)進(jìn)行旁路。

輸出載波移相不連續后,會(huì )造成相鄰單元母線(xiàn)電壓異常,控制中加入載波自動(dòng)重新分配功能。當某個(gè)單元故障旁路后,更改載波的移相角度使單元間的相位差增大,達到載波平均分配的目的。

為進(jìn)一步降低由于負載功率波動(dòng)造成的電源輸入側諧波增大,單元直流母線(xiàn)加入穩壓儲能元件,使在負載快速變化時(shí),單元直流母線(xiàn)的波動(dòng)不大于10V,增加該環(huán)節能夠有效改善輸入側的電流不平衡和電流失真度。同時(shí)在輸入電壓善變時(shí),直流儲能能夠保證功率單元正常工作,不會(huì )降低牽引供電的品質(zhì)。

4電源的主要技術(shù)參數

1)額定容量10MVA

2)輸入電源電壓:輸入三相10kV±10%

3)輸出電壓:?jiǎn)蜗?0kV±5%

4)輸出頻率穩定度:頻率變化率小于0.1%

5)電源效率:大于96%

6)工作方式:連續

7)過(guò)載能力:150%   60S

8)輸出電壓諧波小于2%

9)輸入功率因數 不小于0.96

10)輸入電流不平衡小于 5%

5改造效果測量

改造后,對10kV側電源質(zhì)量進(jìn)行監測,數據為輸入側電流諧波在3%,輸入電流平衡度為0.97,輸入功率因數0.99。滿(mǎn)足系統設計要求,應用電源裝置后電網(wǎng)諧波電壓諧波電流降低明顯,不再影響同一電源供電的先進(jìn)機床等設備的使用。

結束語(yǔ)

諧波吸收裝置電源在機車(chē)單相供電應用中,屬于全隔離型電源設備。該技術(shù)可以應用于直接輸出27.5kV的系統中,解決供電電源不平衡及諧波問(wèn)題,具有廣泛的推廣應用前景。

 

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