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交流牵引供电系统谐波消除装置的应用

发布时间:2020-05-17 作者:新风光

序言

车辆生产厂作为生产厂家牵引供电线路众多,试验及维修车型号不一,用电设备多种多样。车辆生产厂牵引供电为110kV/10kV变压器降压到10kV,再由一台10MVA牵引用单相升压变压器提供25kV单相电源供车辆试验使用。这种供电方式存在的主要问题是:在车辆试验时,10kV母线存在大量谐波电流。中车青岛四方机车车辆股份有限公司曾对10kV供电电源谐波进行过测试,结果10kV母线中电流畸变率约50%(THD),谐波次数主要有3次、5次、7次、41次、43次等谐波。车辆试验时经常造成厂内开关电源、数控机车等设备器件损坏,10kV侧配置的容电感谐振谐波吸收装置效果不明显。

另外,牵引供电电源直接从电网的A,B相取电,C相处在空载状态,会造成电网的三相负载不平衡。

鉴于上述情况,需对交流牵引供电电源进行改造,来达到真正的三相平衡补偿,并且运行时注入电网的谐波满足电网的电磁兼容中规定的谐波限值。

目前,对电气化铁路电能质量治理的思路,主要从两个方面:一是从电源供电改进,另外一种思路就是增加补偿装置,如无功补偿装置、电力滤波器。

机车生产厂供电系统运行方式非常灵活,系统参数复杂。取谐波消除电源方案,将复杂的问题简单化处理,将微网技术理念应用到治理中,使得牵引供电与系统既隔离又联系,使微网内的问题不上传不扩大,同时共享系统保护,可靠稳定运行。

1基于谐波消除装置的供电系统组成

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如图1电源系统示意图

本方案利用原有系统的三相10kV电网及单相10kV变25kV升压变压器,增加轨道交通单相电源。三相10kV电网作为电源多绕组变压器的输入侧电源;变压器的二次侧输出18组单相660V交流电源,变压器二次侧输出给功率单元进行三相全桥整流滤波及单相逆变。18个功率单元输出串联叠加后形成10kV单相交流电源,经输出滤波器后输出高品质的正弦交流电源供用户使用。电源系统结构组成如图2所示。

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图2系统结构组成

该装置利用城市供电线路的三相电源作为输入,变频功率单元为成熟的交-直-交整流电路-逆变电路。整流侧为二极管整流,逆变侧为基本的IGBT模块H桥单相逆变。通过对IGBT逆变桥进行正弦SPWM控制,可以得到正弦单相交流输出。

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图3功率单元主回路图

2控制系统

         电压环与电流环双闭环反馈控制方法,用参考的]电压给定值与输出电压反馈有效值进行比较得出电压误差,电压误差信号经过PID调节器后的输出量作为电流控制的给定量;电流最大值给定与输出电流瞬时反馈值进行比较得到电流的误差量,电流误差信号经过PID调节器,该调节器输出的信号与电压调节器输出信号乘积与三角波比较产生各单元的PWM脉冲信号。系统控制框图如图所示。

         采用这种控制方式的电源具体控制系统简单、输出电压失真度小、动调响应速度快等优点。电压外环监控输出电压,解决由于电网电压波动、直流母线电压波动和输出电流波动对输出电压的影响,提高了逆变电源的动调性能。电流闭环可以限制电源最大允许电流输出,可以限制电源输出电流,防止因负载波动导致的故障停机及功率器件损坏。

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图4:闭环控制框图

3关键技术

因牵引电源的负载全部为交流整流型负载,在整流设备中加入了储能元件(滤波电容和滤波电感),从而使阀电压提高,加重了谐波的产生量,电流畸变严重。电源装置输入变压器采哟多重化模块设计,以达到降低输入谐波电流的目的。变压器的18个二次绕组采哟延边三角形连结。分为6个不同的相位,形成36脉冲二极管整流电流结构,理论上可以消除35次以下的所有谐波。输出电流波形接线正弦波,总谐波失真度低于2%.变压器同一相位的二次绕组给三个功率单元供电。这种变压器不用加任何滤波器就可以满足供电部分对电压和电流谐波失真的要求。由于采用二极管整流负载侧的无功功率有单元直流母线电容提供,输入侧功率因数稳定,基本可以保持在0.98以上。

逆变输出采用多电平移相式SPWM技术,功率单元可以采用较低的开关频率,降低开关损耗,而等效的总输出载波很高,输出电平数多,大大改善了输出波形,降低输出谐波。功率单元具有自动旁路功能,在某个单元故障后,自动进行旁路。

输出载波移相不连续后,会造成相邻单元母线电压异常,控制中加入载波自动重新分配功能。当某个单元故障旁路后,更改载波的移相角度使单元间的相位差增大,达到载波平均分配的目的。

为进一步降低由于负载功率波动造成的电源输入侧谐波增大,单元直流母线加入稳压储能元件,使在负载快速变化时,单元直流母线的波动不大于10V,增加该环节能够有效改善输入侧的电流不平衡和电流失真度。同时在输入电压善变时,直流储能能够保证功率单元正常工作,不会降低牵引供电的品质。

4电源的主要技术参数

1)额定容量10MVA

2)输入电源电压:输入三相10kV±10%

3)输出电压:单相10kV±5%

4)输出频率稳定度:频率变化率小于0.1%

5)电源效率:大于96%

6)工作方式:连续

7)过载能力:150%   60S

8)输出电压谐波小于2%

9)输入功率因数 不小于0.96

10)输入电流不平衡小于 5%

5改造效果测量

改造后,对10kV侧电源质量进行监测,数据为输入侧电流谐波在3%,输入电流平衡度为0.97,输入功率因数0.99。满足系统设计要求,应用电源装置后电网谐波电压谐波电流降低明显,不再影响同一电源供电的先进机床等设备的使用。

结束语

谐波吸收装置电源在机车单相供电应用中,属于全隔离型电源设备。该技术可以应用于直接输出27.5kV的系统中,解决供电电源不平衡及谐波问题,具有广泛的推广应用前景。