（电气工程专业论文）新型高速铁路电能质量综合补偿系统.pdf

an o v e lp o w e r q u a l i t yc o m p r e h e n s i v ec o m p e n s a t i o ns y s t e mf o r h i g h s p e e dr a il w a y b y z e n gc a nl i n b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o ra nl u o m a y , 2 0 1 1 5m 9 眦3吣609_y 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：留z 以捌 日期：硼1 年j 坪日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名：一 导师签名： 日期：v | 1 年x - n 砷日 日期：wf | 年j 月b 日 新型高速铁路电能质量综合补偿系统 摘要 高速电气化铁路由于独特的供电模式和电力机车复杂的运行工况，成为电力 系统中一个特殊的负载。这个负载工作时会通过牵引网向其接入的公用电网注入 负序和谐波电流。负序和谐波电流在电网中扩散，不仅会增加系统损耗、干扰线 路附近的通信、危害铁路沿线工业企业正常生产运行，甚至还会引发电力系统谐 振以及引起继电保护装置误动作。在高速铁路大步向前发展的同时，保证公用电 网供电的安全性和可靠性是一个极大挑战。因此，研究电气化铁路供电网电能质 量问题产生机理和相应的治理设备显得日趋重要。 本文首先讨论了国内外常见的高速电气化铁路牵引网几种交流供电模式、高 速电力机车的负荷特性以及高速铁路供电网存在的电能质量问题和一些治理方 法，这些治理方法包括从运营角度和从装置角度。然后对电气化铁路电能质量治 理方面极具发展潜力的铁路功率调节器( r p c ) 做了比较详细地介绍和分析，并 建立了铁路功率调节器在v v 牵引变压器下等效电气模型。 在对r p c 进行详细分析的基础上提出了一种由r p c 和晶闸管投切电抗器 ( t s r ) 、晶闸管投切滤波器( t s l f ) 相结合的新型电气化铁路电能质量补偿系 统，该新型系统能有效降低r p c 有源部分的容量。重点分析了新型系统的拓扑结 构、补偿原理和等效电气模型。并在m a t l a b 7 0 中将它与r p c 做了有源补偿容量 对比分析。 接下来对新型系统各部分进行参数设计，包括输出r p c 滤波器参数设计、直 流侧电容值选择、低通滤波器设计以及晶闸管控制电抗器选择，并根据京沪高速 铁路将采用的供电方式，在p s i m 仿真软件中搭建高速铁路牵引供电系统以及新 型系统的仿真模型，仿真模拟了电力机车常见的几种运行工况，仿真结果证明了 新型系统在原理上的正确性和主电路参数设计的合理性。 为了进一步验证新型系统，搭建了一个实验平台进行模拟实验。重点对实验 平台中的控制部分、主电路功率模块以及驱动器的选型和保护电路进行了详细地 分析和设计。文章最后进行了一组模拟实验，实验结果验证了本章研究内容的正 确性和可靠性。 关键词：负序电流；谐波电流；铁路功率调节器；i g b t ；d s p l i 硕l 二学位论文 、 a b s t r a c t h i g h - s p e e de l e c t r i cr a i l w a yi sas p e c i a ll o a dt op o w e rg r i dd u et ot h eu n i q u e p o w e rs u p p l ym o d ea n dc o m p l i c a t eo p e r a t i o nc o n d i t i o n t h ee l e c t r i cl o c o m o t i v e b r i n g si na b u n d a n c eh a r m o n i cc u r r e n ta n dn e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n tt op o w e rg r i d h a r m o n i cc u r r e n ta n dn e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n tw i l li n c r e a s et h es y s t e mp o w e rl o s e a n dd i s t u r bn e a r b yc o m m u n i c a t i o nl i n e i ns o m ec a s e ，i tm a yc a u s ep o w e rs y s t e m r e s o n a n ta n dm a l f u n c t i o no f p r o t e c t i v e r e l a y i n ge q u i p m e n t s w i t h t h e r a p i d c o n s t r u c t i o ns p e e do f h i g h s p e e de l e c t r i cr a i l w a y ，t h ep o w e rq u a li t yb e c o m e sab i g t h r e a tt ot h es a f e t ya n dr e l i a b l eo fp o w e rs y s t e m t h e r e f o r e ，s t u d y i n go nt h e g e n e r a t i n gm e c h a n i s mo fe l e c t r i cr a i l w a yp o w e rq u a l i t ya n dc o r r e s p o n d i n gc o n t r o l e q u i p m e n t sb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t f i r s t l y ，s e v e r a lu s u a la ce l e c t r i cr a i l w a yp o w e rs u p p l ym o d e sh o m ea n da b r o a d a n dt h ec o r r e s p o n d i n gm e r i t sa n dd e m e r i t so ft h e ma r ei n t r o d u c e d a n dt h el o a d c h a r a c t e r i s t i co fe l e c t r i cr a i l w a ya n ds e v e r a lw a yo f a l l e v i a t i n ge l e c t r i cr a i l w a yp o w e r q u a l i t yp r o b l e m sw e r ea n a l y z e d t h e n ，r a i l w a yp o w e rc o n d i t i o n e r ( r p c ) ，ag r e a t p o t e n t i a lp o w e re n e r g yc o n d i t i o n e rf o rt h ee l e c t r i f i e dr a i l w a y ，i sd e t a i l e da n a l y s e d ， i n c l u d i n g t h eo p e r a t i n gp r i n c i p a la n d e q u i v a l e n t e l e c t r i c a lm o d e lu n d e rv v t r a n s f o r m e r s e c o n d l y ，an o v e lp o w e rq u a l i t yc o m p e n s a t i o n s y s t e mc o n s i s t e do fr p ci n p a r a l l e lw i t ht h y r i s t o rs w i t c h e dr e a c t o r ( t s r ) a n dt h y r i s t o rs w i t c h e dl o w p a s s f i l t e r ( t s l f ) i sp r o p o s e do nt h eb a s i so fm a t u r ea n a l y s i so fr p c t h et o p o l o g y ， c o m p e n s a t i o np r i n c i p l ea n de q u i v a l e n te l e c t r i c a lm o d e lo ft h en e ws y s t e ma r e e m p h a t i c a l l ya n a l y z e d a n di t sr e l a t i v ea n a l y s i sw i t hr p co nt h ea c t i v ec a p a c i t yi s e x p e r i m e n t e du n d e rt h ep l a t f o r mm a t l a b c o m p a r e dw i t hs i n g l er p c ，t h en o v e l s y s t e mb e a r sr e l a t i v e l yl e s sa c t i v ec a p a c i t y t h i r d l y , t h ep a r a m e t e r sd e s i g no fm a i np a r to ft h en o v e ls y s t e m ，i n c l u d i n gt h e l o w - p a s sf i l t e r ，o u t p u tf i l t e r ，d cs i d ec a p a c i t a n c ea n dt h et s ra r ed i s c u s s e d t h e n ， a c c o r d i n gt ot h ea c t u a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n ，t h en o v e ls y s t e ms i m u l a t i o nm o d ei sb u i l t i np s i ma n ds e v e r a ls i m u l a t i o n sa r et a k e no u t r e s u l t si n d i c a t et h a tt h ep r i n c i p a lo f t h en o v e ls y s t e ma n dt h ep a r a m e t e r sd e s i g no ft h em a i nc i r c u i ta r ev a l i d f i n a l l y ，a ne x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi s s e tu pt of u r t h e rv a l i d a t et h en e ws y s t e m i n t h i ss e c t i o n ，t h ec o n t r o lp a r to ft h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，p o w e rm o d u l es e l e c t i o no f i i i 新型高速铁路 乜能质量综合补偿系统 t h em a i nc i r c u i ta n di g b td r i v e ra n dr e l e v a n tp r o t e c t i v ec i r c u i to ft h e ma r ed e t a i l e d a n a l y s i s e d a tl a s t ，as e to fe x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u t ，t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s v e r i f yt h ec o r r e c t n e s sa n dr e l i a b i l i t yo ft h er e s e a r c hc o n t e n t k e yw o r d s ：n e g a t i v e s e q u e n c ec u r r e n t ；h a r m o n i cc u r r e n t ；r p c ；i g b t ；d s p i v 硕+ 学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘：要i i a b s t r a c t i i i 插图索引j v i i 附表索引一x 第l 章绪论1 1 1 电气化铁路交流供电制式l 1 2 高速铁路的负荷特性4 1 3 我国高速铁路电能质量现状。5 1 4 电气化铁路的电能质量治理方法6 1 5 课题来源及研究内容1 1 第2 章高速铁路电能质量综合补偿系统研究1 2 2 1 电气化铁路补偿装置特点分析1 2 2 2r p c 的基本原理分析1 4 2 2 1r p c 与牵引网拓扑结构1 4 2 2 2r p c 和牵引系统的电气模型1 5 2 3r p c 的补偿原理16 2 3 1 铁路供电网负序电流产生机理1 6 2 3 2r p c 负序电流的补偿原理一1 8 2 3 3r p c 谐波电流的补偿原理2 1 2 4 新型高速铁路电能质量补偿系统一2 l 2 4 1 新型系统的拓扑结构2 2 2 4 2 新型系统工作原理2 3 2 4 3 新型系统等效电路分析一2 4 2 5 容量节约分析一2 7 2 6 本章小结3l 第3 章主电路参数工程应用设计及系统仿真一3 2 3 1 系统设计3 2 3 1 1 低通滤波器参数设计3 2 3 1 2 输出滤波器设计一3 4 3 1 3t s r 的设计3 7 v 、 新型高速铁路电能质量综合补偿系统 3 1 4 直流侧电容设计4 1 3 2 仿真分析4 2 3 3 本章小结4 7 第4 章新型系统实验装置开发4 8 4 1 实验平台的搭建4 8 4 2 控制平台的设计5 0 4 2 1 中央处理器5 0 4 2 2 信号调理电路5 2 4 3 功率模块和驱动电路5 8 4 3 1 功率模块选型5 8 4 3 2 驱动器选型与保护电路设计6 0 4 4 模拟实验6 7 4 5 本章小结6 9 总结和展望。7 0 参考文献7 2 至炙谢7 6 附录a 攻读学位期间主要研究成果7 7 硕士学位论文 插图索引 图1 1 直接供电模式2 图1 2b t 供电模式2 图1 3c c 供电方式：3 图1 4a t 供电模式。3 图1 5 电气化铁路常用的牵引变压器一8 图1 6s c o t t 变压器原副边电压向量图一9 图1 7s v c 接入方式。l o 图1 8 三相侧s n 盯c o m 基本结构图1 0 图1 9r p c 及牵引供系统1 0 图2 1s v c 负序补偿13 图2 2s t a t c o m 结构原理图l3 图2 3 无源滤波器+ a p f 1 3 图2 4r p c 和牵引系统拓扑结构15 图2 5v v 变压器下的两供电臂电压向量图1 5 图2 6r p c 与牵引网的电气模型1 6 图2 7 高速电力机车c r h 2 交流传动原理：1 7 图2 8a ，b 供电臂负载电流与电网电流不平衡度关系1 8 图2 9 补偿前的三相电流相量图1 9 图2 1 0r p c 调节两供电臂有功功率后的三相电流相量图1 9 图2 1 1r p c 调节两供电臂的有功和无功后三相电流相量图2 0 图2 1 2 新型高速铁路电能质量综合补偿器结构图2 2 图2 1 3 只有a 供电臂有机车时电网电流矢量图2 3 图2 1 4r p c 从b 供电臂转移一半有功时电网电流矢量2 3 图2 1 5 投入t c r 和t s l f 的补偿矢量图2 4 图2 1 6 综合补偿系统基波域等效电气模型2 5 图2 17 投入t s r + t s l f 后电网电流向量图一2 6 图2 1 8 新型装置在谐波域下的等效电路2 7 图2 1 9 综合补偿系统投入时的三相电流向量图( 仅a 供电臂有机车负载时) 2 8 图2 2 0 电网电流不平衡度与功率因数角和有功补偿度关系图2 9 图2 2 l 典型功率因数角下r p c 补偿容量与三相电流不平衡度曲线2 9 图2 2 2 容量节约系数三维图3l 新型高速铁路电能质量综合补偿系统 图3 1r p c 与系统等效图3 5 图3 2 变流器单相等效电路一3 6 图3 3 电流过零附近一个p w m 开关周期中的电流跟踪波形3 7 图3 4 晶闸管静态和动态均压电路4 0 图3 5 晶闸管阀组动态均压4 0 图3 6 新型系统在p s i m 中的仿真模型4 3 图3 7 单臂有机车工况4 4 图3 8 两臂都有机车4 5 图3 9 一供电臂有机车另一供电臂再生制动4 7 图4 1 综合实验平台4 8 图4 2 晶闸管4 9 图4 3 铁芯电抗器4 9 图4 4 低通滤波器4 9 图4 5 控制平台基本硬件结构图5 0 图4 6t m s 3 2 0 f 2 8 3 3 5 功能结构图5 2 图4 7 过零信号调理电路一5 2 图4 8 电网电压与过零点5 3 图4 9r t l 8 0 1 9 a s 以太网卡5 4 图4 1 02 0 f 0 0 1 nt 型滤波器的内部结构图5 4 图4 1 12 0 f 0 0 1 nt 型滤波器外部接线图一5 4 图4 12t c p i p 协议族5 4 图4 1 3u d p 的封! 装5 5 图4 1 4u d p 首部5 5 图4 1 5 光电传输原理图5 6 图4 1 6h f b r l 4 1 4 电流与传输距离关系5 6 图4 1 7l m l l l 7 一a d j 芯片5 7 图4 1 8l m l l1 7 3 3 接线图5 7 图4 1 9f f 4 5 0 r 1 2 m e 4 和内部电路结构图5 8 图4 2 0f f 4 5 0 r 1 2 m e 4 技术指标之间关系曲线5 8 图4 21i g b t 分布电容一6l 图4 2 2i g b t 栅极等效电路6 l 图4 2 3p w m 开关周期61 图4 2 4 栅极驱动电流波形6 2 图4 2 5i g b t 内部结构图6 3 图4 2 6i g b t 栅极箝位6 3 v i l l 硕十学位论文 图4 2 7 有源米勒筘位6 4 图4 2 8 e 监视原理6 4 图4 2 9i g b t 开通特性6 4 图4 3 02 s p 0 11 5 t 2 a 电气接口6 5 图4 3 12 s p 0 1 1 5 t 2 a 不同工作模式下的栅极输出一6 6 图4 3 2p w m 信号隔离放大6 6 图4 3 3 复位电路：6 6 图4 3 4 接口保护电路板故障锁存与故障处理6 7 图4 3 5 输出电抗器和v v 变压器6 8 图4 3 6d s p 控制板6 8 图4 3 7 实验结果6 8 新型高速铁路电能质量综合补偿系统 附表索引 表1 1 电网短路容量分布范围4 表1 2 电能质量国家标准5 表2 1 典型功率因数角与不平衡度3 0 表3 1r p c 系统仿真参数4 2 表4 1 实验样机参数4 9 表4 2l m1l17 a d j 与l m1 117 3 3 5 7 表4 3f f 4 5 0 r 1 2 m e 4 主要技术参数5 9 表4 42 s p 0 11 5 t 部分技术指标6 0 x 硕士学位论文 第1 章绪论 根据中国铁路中长期发展规划，到2 0 2 0 年，为满足快速增长的旅客运输 需求，将建立省会城市及大中城市间的快速客运通道，各个省会城市和其余主要 大中型城市之间将建成专门为客运服务的高速铁路，规划了京沪、京港、京哈、 沿海、徐州兰州、沪昆、青岛太原、沪汉蓉“四纵四横 高速铁路以及环渤海 湾、东北地区、长株潭地区等六个城际客运高速铁路。预计建设总里程将达到1 2 万公里。2 0 0 8 年3 月，时速3 5 0 公里的首列国产化c r h 3 高速动车组在“唐车”下 线，进入测试运行。2 0 0 8 年8 月中国第一条具有完全自主知识产权、世界一流水 平的高速铁路一京津城际高铁通车运营。京津城际铁路的开通，拉开了中国高速 铁路建设和运营的序幕。速度是高速铁路技术水平的最主要标志，各国都在不断 提高列车的运行速度，法国、日本、德国、西班牙和意大利高速列车的最高运行 时速分别达到了3 0 0 公里、3 0 0 公里、2 8 0 公里、2 7 0 公里和2 5 0 公里。京沪高速 铁路将在世界上率先实现运营时速3 5 0 公里以上，必将对中国经济的发展，促进 产业结构优化和城市化进程产生积极而深远的影响。 高速电气化铁路给人们日常生活带来极大便利的同时也给电气化铁路供电网 带来比较严重的电能质量污染。高速电气列车主要采用脉宽调制( p l u s ew i d t h m o d u l a t i o n ，p w m ) 整流的交直交方式来驱动异步电动机，功率因数很高l l 】， 一般无需无功补偿，含有奇次的低频谐波电流较丰富的高频谐波。但是由于电气 化铁路牵引网独特的供电方式造成供电网负序电流很大1 2 。3 j 。大量的负序和谐波电 流直接威胁着电力机车以及公用电网的安全运行【4 】，随着高速铁路的大规模建设 和已运行的高速列车发车密度增大，高速铁路牵引系统给公用电网带来的电能质 量问题越来越突出，必须采取有效的治理措施，实现高速铁路牵引供电系统高质、 安全和经济供电同时保证公用电网自身的安全经济运行。 1 1 电气化铁路交流供电制式 电气化铁路供电系统由电力供电系统与牵引供电系统组成。其中，电力供电 系统是指给电气化铁路提供电源的公用电网；牵引供电系统是指电气化铁路从公 用电网引入牵引变电所的三相电源，降压转换后给电力机车供电的电力网络，牵 引供电系统主要由牵引变电所和接触网组成。牵引变电所将从公用电网的高压输 电线送来的电能，经过特殊的牵引变压器，将高电压转换为适合电力机车运行的 牵引电压，然后输送给沿铁路线上空架设的接触网，以供给沿线路行驶的电力机 车。在电铁的牵引供电系统发展历史上，共出现了四种主要的供电制式，分别为 新型高速铁路电能质量综合补偿系统 直流制式、工频三相交流制式、低频单相交流制式和工频交流制式。前面三种供 电制式随着铁路运输负载加大或者结构复杂的原因而逐渐被淘汰。而工频交流制 式成为世界上电铁牵引供电系统的主流制式。目前国内外常见的交流供电方式【5 j 主要有：直接供电模式、a t 供电模式、b t 供电模式和c c 供电模式。 1 直接供电模式 直接供电方式如下图1 1 所示( 虚线表示回流线) 。 ( a ) 基本型 ：似们绥 i ，jl 、 牵 j 接触yr 引 b 土面一一| _ 变 电 c 站 ( b ) 带吸流线的基本型 图1 1 直接供电模式 直接供电方式分为基本型和带吸流线两种。直供方式基本型如图1 1 ( a ) 的 主要优点就是结构简单、成本经济。运行维护也方便。由于牵引网电压等级较低 和线路阻抗大的缘故，牵引网末端电压较低，直接供电方式基本型供电能力有限， 而且牵引电流需流经铁轨流入大地，对地下埋设的金属管道产生严重的电解腐蚀 作用，并对铁路沿线的通讯线路产生干扰。直接供电方式的带有吸流线方式如图 1 1 ( b ) 所示，吸流线一般沿铁路线铺设与钢轨并联，从而承担部分经钢轨回流 到变电所的电流。回流线靠近接触网，电流方向与接触网电流相反，可以起到电 磁屏蔽作用，从而降低对铁路沿线通信弱电系统的干扰【6 l ，减少钢轨漏电流，并 降低对地电位。 2 b t 供电模式 b t 供电模式就是牵引网带吸流变压器( b o o s t e rt r a n s f o r m e r ，b t ) 的供电模 式，如下图1 2 所示( 虚线表示回流线) 。 图1 2b t 供电模式 硕七学位论文 b t 供电方式与直供方式中带回流线方式不同之处在于接触网和回流线中串 接了吸流变压器。与直供方式相比，该供电方式优势在于，吸流变压器使本应经 铁轨回流的负载电流绝大部分转入吸流线，可以减轻钢轨的电化学腐蚀，同时由 于增大了接触网和吸流线的互感，b t 供电方式对通讯线路干扰小，我国从7 0 年 代中期开始采用b t 供电方式【7 j 。b t 供电方式在回流线中串联吸流变压器，从而 增大了牵引网线路等效阻抗和网络损耗增加并使得线路末端电压过低。由于安装 吸流变压器形成的接触网开口，使得接触网产生电分段绝缘间隙，不适合高速电 力机车运行。所以现在建设的铁路牵引网中很少采用b t 供电方式。 3 c c 供电方式 采用同轴电力电缆( c o a x i a l c a b l e ，c c ) 沿铁路线埋设，同轴电缆内芯与接 触网并联形成辅助接线网，外部导体做为钢轨的并联回流线的供电方式称为c c 供电方式。如下图1 3 所示( 虚线表示回流线) 。 i- - 一 接触网 牵 引 变 l 电力机车i 电 钢轨 站 当一一名 五 图1 3c c 供电方式 同轴电缆一般五到十公里作为一个分段。c c 供电方式的优点是馈电线与回 流线在同一同轴电缆内，互感系数大，而且同轴电缆阻抗比接触网和铁轨的阻抗 小得多，几乎全部牵引电流和回流都从中流过，因此电磁兼容性很好，同时也很 好的防止了钢轨以及埋在地下的金属管道的电化学腐蚀。缺点是同轴电力电缆造 价高，投资大，实际工程应用不经济，因此c c 供电方式没能成为主流供电方式。 4 a t 供电方式 a t 供电方式的基本结构是，在接触网和正馈线处接入l ：1 的自耦变压器， 自耦变压器的上下绕组之间与钢轨连接。如图1 4 所示( 虚线表示回流线) 。 接触网 牵 一5 奎5 k 遗一一 a bc 、ij 引 变 电 站 - - - - _ 图1 4a t 供电模式 新型高速铁路电能质量综合补偿系统 相比以上几种供电方式，a t 供电方式的特点如下： ( 1 ) 牵引网电压等级提高到5 5 k v ，通常牵引变电所的电压等级可达到 2 2 0 k v ，供电可靠性高，短路容量大( 如表1 1 所示) 、因此对牵引网引起的负序 和谐波电流承受能力强【8 j ( 2 ) 牵引网绝缘水平不变的前提下，电压等级提高一倍，带负荷能力加强， 供电距离远。 ( 3 ) 可减少牵引变电所数量。 ( 4 ) 减少电分相数目，特别适用于高速和重载电气化铁路。 ( 5 ) 有效降低对通讯线路的干扰。 表1 1 电网短路容量分布范围 电压等级短路容量分布范围( m v a ) 1 l o k v 电网 2 2 0 k v 电网 4 4 0 6 0 0 0 3 7 0 0 2 4 0 0 0 由于a t 供电方式优势明显，许多国家电气化铁路牵引网供电制式开始逐步 向a t 供电方式倾斜。在法国，在客流高峰的时候高速列车t v g 的发车密度高达 五分钟一趟。为了提高牵引网带负荷能力，除t v g 东南线部分采用直供方式， 其余线路都采用：l ：2 5 k v 的a t 供电方式，日本1 9 7 2 年在山阳新干线第一次采用 a t 供电方式，a t 供电方式已经成为新干线的标准供电方式，1 9 8 2 年我国首次在 在京秦线首次引进a t 供电方式，到现在我国已经有数条电气化线路采用a t 供 电方式，如，北京一秦皇岛、大同一秦皇岛、郑州一武昌等。已经开通的武广高 速铁路和即将开通运行的京沪高速铁路也是采用这种供电方式【9 】，并且牵引变电 站直接接入2 2 0 k v 大电网。a t 供电方式的缺点就是接触网结构较为复杂，供变 电设施较多，运营维护难度较大。 上述四种供电方式中，a t 供电方式以其牵引网阻抗很小和供电能力大的优势 成为我国高速铁路供电系统首选的供电方式。 1 2 高速铁路的负荷特性 高速铁路电力接车是一个特殊的负载，由于牵引网一般都是采用单相供电， 相对牵引网，它是一个大功率的单相负载，相对三相电网它又是一个非对称性的 负载，同时列车运行中从牵引网吸收的功率具有波动性、非线性的特点。 1 大功率单相负载 单相性，高速铁路牵引网的两供电臂即使在负载平衡的情况下，从三相供电 网来看都是等效的一个三相不平衡负载，牵引网使用s c o t t 变压器【1 0 j 1 】除外。大 功率负荷，由于电力机车处于高速运行状态，空气阻力很大，几乎与运行速度呈 硕上学位论文 指数曲线关系增加。在牵引质量，运行坡度相同的情况下，运行速度越高，牵引 功率越大，据测算，在列车高速运行速度超过3 5 0 k m h 时，列车动力的9 0 用于 克服空气阻力，坡度对牵引负荷影响较小。相反，运行速度较低时，空气阻力小， 线路坡度对牵引负荷的影响大。由于高速铁路电力机车是一个大功率单相负荷， 因此高速列车的运行会给公用电网注入负序电流。负序电流的大小取决于牵引变 压器的接线方式以及牵引网两供电臂负载电流大小和负载平衡状况。 2 短时负荷效应明显 高速电力机车运行速度快，牵引功率大。由于列车在运行中的加速、惰行、 制动等各种状态以及线路坡度、弯道及气候条件等因素影响，且客流量分布在不 同地区、不同时段也千差万别。所以，牵引变电所接触网上的列车数量及每一列 车的负荷状态随时都在变化，导致负荷波动大。电铁运行特点往往是供电臂出现 短时集中负荷，故障出现时要求牵引变电所能越区供电【l2 1 ，因此牵引负荷的波动 范围一般在变压器容量的0 - 2 5 倍范围内，这要求牵引变具有较强的过载能力， 短时过载能力能达到3 0 0 。 3 非线性负荷 高速电力机车的取电过程是，牵引网单相工频交流电经过四象限p w m 整流 方式整流成直流电，这个直流电压再经过一个三相逆变环节，得到一个三相交流 电供给电力机车电机。虽然交流变直流环节采用四象限p w m 整流方式，但是整 流环节仍然会有一些谐波电流的产生，其中低频以3 次为主，开关频率附近的高 次谐波含量丰富。谐波电流不仅引起牵引网附加损耗，增大牵引变压器容量，而 且还会干扰通信。一般情况下，5 4 0 h z 1 2 0 0 h z 对通讯线路干扰最大【l3 1 。 1 3 我国高速铁路电能质量现状 目前高速铁路牵引供电系统主要遵循等我国现行的电能质量国家标准如表 1 2 所示。 表1 2 电能质量国家标准 我国新建武广高速和京沪高速电气化铁路大部分都是采用a t 供电方式。以 京沪高速铁路为例进行说明。高速正馈线牵引网采用5 0 k v 电压等级的a t 供电方 新型高速铁路电能质量综合补偿系统 式，对于枢纽地区高中速联络线、动车组走行线和动车段( 所) 等采用1 2 5 k v 带回流线的直接供电方式。牵引变电所接入互为热备用的独立的两路2 2 0 k v 电网。 牵引变压器采用v v 变压器，a t 牵引网的自耦变压器和牵引变压器都有热备用， 用来防止运行设备故障时候导致整个牵引网受到影响。v v 牵引变压器原边和副 边额定电压分别为2 2 0 k v 和2 2 7 5 k v ，接触网额定电压为2 5 k v ，长期最高电压 为2 7 5 k v ，短时( 5 m i n ) 最高电压为2 9 k v ，高速电力机车最低工作电压为2 0 k v 。 京沪高速铁路运行着不同速度等级的客运列车，速度为3 5 0 3 8 0 k m h 的高速列车 组和2 0 0 k m h 及以上的跨线列车都是交直交的动车组。当以额定速度运行时， 机车采用双弓牵引，每个受电弓平均电流范围在8 2 0 a 9 4 0 a 之间，可以进行再生 制动，牵引网功率因数很高接近于1 ，不需要无功补偿，但是机车运行会产生较 大的3 次谐波电流，低次谐波主要是奇数次谐波，并且含有较多的高次谐波。 由于牵引变压器是v v 变压器，当牵引网一供电臂有机车，而另一供电臂空 载的时候，电网三相电流不平衡度达到1 0 0 ，即使牵引网两供电臂负载平衡， 三相公网电流不平衡度也有5 0 ，负序电流大量流入公用电网，不仅增加线路损 耗、增加牵引变压器容量、危害接入公用电网的电动机的，而且会危害供电网的 安全稳定运行1 1 4 】，当供电网短路容量较小的时候，负序电流甚至会引发安装有按 负序电流整定的继电保护装置误动作，造成铁路供电网与大系统解列。 电力机车整流带来的谐波电流会增加网络损耗、引起电能计量装置失灵、变 压器局部严重过热从而导致绝缘老化和使用寿命缩短、危害周边精密电子厂家的 高效经济生产。如果铁路供电网接有补偿电容器，若与线路电抗发生谐振，就会 造成谐波电流的放大，烧毁电容器，从而导致严重的电力安全事故。同时，谐波 电流还会干扰铁路沿线的正常通信l l 引。 1 4 电气化铁路的电能质量治理方法 从上节分析可以看出高速电气化铁路会给公用电网带来谐波和负序电流的污 染。近些年各国兴起了高速铁路的建设热潮，随着高速铁路网建设进程的加快和 发车密度的加大。高速铁路电力机车牵引网给其接入点的