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序言

車輛生產(chǎn)廠作為生產(chǎn)廠家牽引供電線路眾多，試驗(yàn)及維修車型號(hào)不一，用電設(shè)備多種多樣。車輛生產(chǎn)廠牽引供電為110kV/10kV變壓器降壓到10kV，再由一臺(tái)10MVA牽引用單相升壓變壓器提供25kV單相電源供車輛試驗(yàn)使用。這種供電方式存在的主要問題是：在車輛試驗(yàn)時(shí)，10kV母線存在大量諧波電流。中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司曾對(duì)10kV供電電源諧波進(jìn)行過測(cè)試，結(jié)果10kV母線中電流畸變率約50%（THD），諧波次數(shù)主要有3次、5次、7次、41次、43次等諧波。車輛試驗(yàn)時(shí)經(jīng)常造成廠內(nèi)開關(guān)電源、數(shù)控機(jī)車等設(shè)備器件損壞，10kV側(cè)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(fù)載不平衡。

鑒于上述情況，需對(duì)交流牽引供電電源進(jìn)行改造，來(lái)達(dá)到真正的三相平衡補(bǔ)償，并且運(yùn)行時(shí)注入電網(wǎng)的諧波滿足電網(wǎng)的電磁兼容中規(guī)定的諧波限值。

目前，對(duì)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(bǔ)償裝置，如無(wú)功補(bǔ)償裝置、電力濾波器。

機(jī)車生產(chǎn)廠供電系統(tǒng)運(yùn)行方式非常靈活，系統(tǒng)參數(shù)復(fù)雜。取諧波消除電源方案，將復(fù)雜的問題簡(jiǎn)單化處理，將微網(wǎng)技術(shù)理念應(yīng)用到治理中，使得牽引供電與系統(tǒng)既隔離又聯(lián)系，使微網(wǎng)內(nèi)的問題不上傳不擴(kuò)大，同時(shí)共享系統(tǒng)保護(hù)，可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

1基于諧波消除裝置的供電系統(tǒng)組成

如圖1電源系統(tǒng)示意圖

本方案利用原有系統(tǒng)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(cè)電源；變壓器的二次側(cè)輸出18組單相660V交流電源，變壓器二次側(cè)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使用。電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

該裝置利用城市供電線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(cè)為二極管整流，逆變側(cè)為基本的IGBT模塊H橋單相逆變。通過對(duì)IGBT逆變橋進(jìn)行正弦SPWM控制，可以得到正弦單相交流輸出。

圖3功率單元主回路圖

2控制系統(tǒng)

         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(hào)經(jīng)過PID調(diào)節(jié)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(hào)經(jīng)過PID調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器輸出的信號(hào)與電壓調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)乘積與三角波比較產(chǎn)生各單元的PWM脈沖信號(hào)。系統(tǒng)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(tǒng)簡(jiǎn)單、輸出電壓失真度小、動(dòng)調(diào)響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。電壓外環(huán)監(jiān)控輸出電壓，解決由于電網(wǎng)電壓波動(dòng)、直流母線電壓波動(dòng)和輸出電流波動(dòng)對(duì)輸出電壓的影響，提高了逆變電源的動(dòng)調(diào)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(fù)載波動(dòng)導(dǎo)致的故障停機(jī)及功率器件損壞。

圖4：閉環(huán)控制框圖

3關(guān)鍵技術(shù)

因牽引電源的負(fù)載全部為交流整流型負(fù)載，在整流設(shè)備中加入了儲(chǔ)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(yán)重。電源裝置輸入變壓器采喲多重化模塊設(shè)計(jì)，以達(dá)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(jié)。分為6個(gè)不同的相位，形成36脈沖二極管整流電流結(jié)構(gòu)，理論上可以消除35次以下的所有諧波。輸出電流波形接線正弦波，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足供電部分對(duì)電壓和電流諧波失真的要求。由于采用二極管整流負(fù)載側(cè)的無(wú)功功率有單元直流母線電容提供，輸入側(cè)功率因數(shù)穩(wěn)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關(guān)頻率，降低開關(guān)損耗，而等效的總輸出載波很高，輸出電平數(shù)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(xù)后，會(huì)造成相鄰單元母線電壓異常，控制中加入載波自動(dòng)重新分配功能。當(dāng)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(dá)到載波平均分配的目的。

為進(jìn)一步降低由于負(fù)載功率波動(dòng)造成的電源輸入側(cè)諧波增大，單元直流母線加入穩(wěn)壓儲(chǔ)能元件，使在負(fù)載快速變化時(shí)，單元直流母線的波動(dòng)不大于10V，增加該環(huán)節(jié)能夠有效改善輸入側(cè)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(chǔ)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(shù)

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(wěn)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(xù)

7）過載能力：150%   60S

8）輸出電壓諧波小于2%

9）輸入功率因數(shù) 不小于0.96

10）輸入電流不平衡小于 5%

5改造效果測(cè)量

改造后，對(duì)10kV側(cè)電源質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，數(shù)據(jù)為輸入側(cè)電流諧波在3%，輸入電流平衡度為0.97，輸入功率因數(shù)0.99。滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，應(yīng)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(jī)床等設(shè)備的使用。

結(jié)束語(yǔ)

諧波吸收裝置電源在機(jī)車單相供電應(yīng)用中，屬于全隔離型電源設(shè)備。該技術(shù)可以應(yīng)用于直接輸出27.5kV的系統(tǒng)中，解決供電電源不平衡及諧波問題，具有廣泛的推廣應(yīng)用前景。