（电力系统及其自动化专业论文）同相牵引变电所补偿优化方案研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文 第1i 页 a b s tr a c t c o n s i d e r i n gt h ep r o b l e m se x i s t e di n t h ee l e c t r i ct r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mo f e l e c t r i f i e dr a i l w a y , s u c ha sa b u n d a n tr e a c t i v ep o w e r , n e g a t i v es e q u e n c ea n dh a r m o n i c s ，a n d t h el o s to ft r a c t i o ns p e e da n dp o w e rw h i c ha r er e s t r i c t e db yp h a s es p l i t t i n gi n f l u e n c et h ep o w e r q u a l i t ya n dr e s t r i c tt h ei m p r o v e m e n to fr a i l w a yh i g hs p e e da n do v e rl o a d i n g al o wc o s t h y b r i dc o m p e n s a t i o nc o - p h a s e dt r a c t i o np o w e rs y s t e m c o n s i s t e do fy n v db a l a n c e d t r a n s f o r m e r , a c t i v ec o m p e n s a t i o na n dp a s s i v es y m m e t r i c a lc o m p e n s a t i o ni sp r e s e n t e da n d c o m p a r e di nt h i sp a p e r w h i c hs o l v e st h ep r o b l e m so f b o t hp o w e r q u a l i t ya n dp h a s es p l i t t i n g i no r d e rt os a v et h ec a p a c i t yi n v e s t m e n ta n di m p r o v et h ee c o n o m i ce f f i c i e n c yo f t r a c t i o ns u b s t a t i o n c o m p l e t ec o m p e n s a t i o ni sa l w a y sn o tn e e d e di np r a c t i c e t h em o d e lo f s a t i s f a c t o r yo p t i m i z a t i o nw i t hh y b r i dc o m p e n s a t i o nc o - p h a s e dt r a c t i o np o w e rs y s t e m c a p a c i t yi sp r e s e n t e di nt h i sd i s s e r t a t i o n i nt h i sp a p e r , t h es t r u c t u r eo fc o p h a s et r a c t i o n p o w e rs u p p l ys y s t e m a n dt h e p e r f o r m a n c eo ft h ey n v db a l a n t et r a n s f o r m e ra r ed i s c u s s e d t h es t r u c t u r eo ft h ei n t e g r a t e d p o w e rf l o wc o n t r o l l e r ( i p f c ) ，t h ep r i n c i p l eo fb a l a n c e dt r a n s f o r m a t i o na n dt h ep a s s i v e s y m m e t r i c a lc o m p e n s a t i o na r ea n a l y z e d a n d t h ep a p e rp u tu pt h eh y b r i dc o m p e n s a t i o nc o - p h a s e t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e ms i m u l a t i o np l a t f o r mb a s e do n r l a b p r o v et h a tt h i s s t y l e i s f e a s i b l e n l er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o m p e n s a t i o nd e g r e ea n dc o m p e n s a t i o nc a p a c i t yo ft h e p a s s i v es y m m e t r i c a lc o m p e n s a t o ra n dt h ei p f cb a s e do nt h ey n v db a l a n c et r a n s f c l r m e ri s p r e s e n t e d t h r o u g ha n a l y z i n gt r a c t i o nb u sc u r r e n t ，t r a c t i o nb u sv o l t a g eb e f o r ea n da f t e r c o m p e n s a t i o n ，t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h r e e p h a s ec u r r e n tu n b a l a n c ed e g r e e ，t r a c t i o n c u r r e n tt o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o nr a t ea n dc o m p e n s a t i o nd e g r e ei sp r e s e n t e d s a t i s f a c t o r y o p t i m i z a t i o nc a l c u l a t i o no fc o m p e n s a t o rc a p a c i t yi sp r e s e n t e d i nt h ee n d ，h ep a p e rp u tu pt h eh y b r i dc o m p e n s a t i o nc o - p h a s et r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m s a t i s f a c t o r yo p t i m i z a t i o ns i m u l a t i o np l a t f o r mb a s e do nm a t l a b c o m et ot h ec o n c l u s i o nt h a t i p f cc a p a c i t yc a l lb er e d u c e d ，v i as a t i s f a c t o r yo p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：h y b r i dc o m p e n s a t i o n ；b a l a n c et r a n s f o r m e r ；s y m m e t r i c a lc o m p e n s a t i o n ； i n t e g r a t e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r ；c o - p h a s e dt r a c t i o np o w e r ；p h a s es p l i t t i n g ；s a t i s f a c t o r y o p t i m i z a t i o no fc a p a c i t y 西南交通大学曲南爻逋大字 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 权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密区使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“v ”) 学位论文作者签名： 红懈 日期：加f o i 占 指导老师签名： 日期： 砂d 、占 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 通过对混合补偿式同相供电系统的研究，对混合补偿容量计算公式进行了推导， 通过电能质量标准与混合补偿容量的关系，得出了混合补偿容量的满意优化计算方法。 并对混合补偿中无源补偿容量的设置作了一定的优化。 通过利用m a t l a b 软件搭建了混合补偿式同相供电系统完全补偿和满意优化仿 真平台，仿真验证了该供电系统得可行性，并得出满意优化可以在满足国标要求时， 降低潮流控制器容量，达到降低投入成本的目的。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰 写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 叫商苣 日期：即f o 6 莎 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 页 1 1 研究背景 第1 章绪论 截至2 0 0 9 年底，我国铁路营业里程达到8 6 万公里，跃居世界第二位。目前，在 建新线规模达到3 3 万公里，投资规模达到2 1 万亿元。上海一杭州、南京一杭州、 杭州一宁波、南京一安庆、西安一宝鸡等客运专线，兰新铁路第二双线、山西中南部 铁路通道等区际干线，以及贵阳市域快速铁路网，武汉城市圈、中原城市群城际铁路 等相继开工建设。根据中长期铁路网规划( 2 0 0 8 调整) 到2 0 1 0 年全国铁路营业里程 达到9 万公里以上，到2 0 2 0 年，中国铁路将形成以高快速客运专线为主干网络的客 运系统。这给国民经济带来了巨大的经济效益。 但是，由于电力机车单相独立性，相对三相系统而言，牵引负荷具有不对称性， 产生负序电流；同时牵引负荷产生的谐波和普遍较低的功率因数，都使得电能质量下 降，严重时还会威胁到电力系统的安全运行。因此，减少牵引负荷对电网的影响将是 一个很有意义的研究课题。 1 2 研究意义 1 2 1 现有牵引供电系统概述 现代电力牵引都从公用电网取电，实质上是取用经变换的单相电。在我国，矿山 电力牵引、城市电车和地下铁道或轻轨交通都采用直流制，电气化铁路都采用工频 ( 5 0 h z ) 的单相交流制。相对牵引变电所而言，通常把为其供电的电力系统称为外部电 源或一次系统。根据不同牵引负荷的用电等级和电力系统情况，外部电源主要采有环 形供电、双侧供电、单侧供电及放射供电等几种供电方式。无论何种供电都要以保证 供电可靠性为原则，同时注意电源容量及经济性n 1 4 1 。 牵引供电系统由牵引变电所和牵引网组成，如图i - i 所示。牵引变电所核心元件 是提供牵引用电的牵引变压器，是将电力系统供应的电能转变为适于电力牵引及其供 电方式的电能。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第2 页 图卜1 犟引供电系统 牵引网由馈线、接触网、轨道及回流线等组成牵引供电回路，完成对电力机车的 送电任务；馈线是接在牵引变电所牵引母线和接触网之间的导线，它将电能由牵引变 电所引向电气化铁路；接触网是一种特殊的输电线，架设在铁路上方，机车受电弓与 其摩擦受电；钢轨既支持列车运行，又是导线，由于轨与地都是非绝缘的，故通常轨、 地一起接受机车的牵引电流；回流线是指牵引变电所处的横向回流线，它将轨或与轨 平行的其他导线与牵引变压器指定端子相连，与馈线一起组成牵引端口的端子线。 1 2 2 现有牵引供电系统存在的问题及解决方案 从无功角度分析，感性负载占有很大的比例，在电力机车不同工况下，牵引负荷 电流相位角( 相对于牵引网电压) 的变化幅度较大，这些都致使功率因数偏低，需进行无 功功率补偿；从谐波角度分析，我国的高速列车一般为大功率整流型电力机车，这将 引起大量高次谐波注入电力系统，对电网及设备产生不利影响；由于单相工频交流电 气化铁道牵引负荷是波动剧烈、变化频繁的单相负荷，当三相电力系统向其供电时， 将会在电力系统中引起负序电流，导致电力系统三相不平衡；同时由于牵引变电所各 供电臂之间存在分相绝缘器，影响电力机车的受流质量及列车的平稳运行，限制列车 运行速度的提高。目前国内外已针对以上牵引供电系统中存在的突出问题提出了相应 的解决方案。 1 、无功功率、谐波对电力系统的影响及解决方案 我国电气化铁道牵引负荷是一种非线性、低功率因数的负荷，作为牵引供电系统 和电力系统的一种谐波源，对电力系统及电气设备造成很大影响。 无功功率对公用电网的不良影响主要有以下三个方面：增加设备容量。无功功率 的增加，会使发电机、变压器及其它电气设备容量和导线的容量增大。同时，电力用 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3 页 户的起动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大；设备及线路损耗增加； 无功功率的变化会引起电网电压的波动，使一些用电设备无法正常工作，降低供电质 量。 谐波的存在使发、输、供和用电设备的附加损耗增加，设备过热，设备的效率和 利用率降低；使电源电压波形畸变，引起继电保护及自动保护装置的误动或拒动，对 电力系统的安全运行造成隐患；使电力测量和计量仪器的指示和计量误差增大；同时， 引起电力系统内的并联谐振和串联谐振，使谐波电压放大，损坏设备或引起过电流。 根据我国电力牵引供电制式、电力机车类型及牵引负荷具有间断波动的特点，并 参考世界上其他国家已制定的限制谐波的国家标准或全国性规定，我国电气化铁道谐 波允许值是以电力系统的地区变电站1 1 0 k v 母线为谐波电压检测点，检测点处，由电 气化铁道谐波电流相电压正弦波形畸变率应低于3 。 目前，解决电力系统的谐波问题主要从减少谐波的发射水平和提高设备自身的抗 谐波干扰能力，两个方面考虑，同时兼顾无功功率的补偿。主要方法有：采用多脉 冲化的整流器电力机车以减少谐波的次数及谐波电流含有量。在牵引变压器侧装设 并联无功谐波补偿装置。在电力机车上安装并联无功谐波补偿装置。通过增加电 力系统的容量，选择合理的供电电压及调整列车的运行方式来减小谐波电流影响。 装设无功谐波补偿装置的传统方法是采用l c 调谐滤波器。这种方法既可补偿谐波， 又可补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用。这种方法的缺点是补偿特性受 电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使l c 滤波器过载 甚至烧毁。它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。 谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器( a p f ) 。其原理是从补偿对象中检 测出谐波电流，并以此为参考控制有源滤波器产生一个与该谐波电流大小相等而极性 相反的补偿电流，从而消除电网的谐波电流。这种方法的优点是滤波性能不受电网阻 抗的影响，可动态跟踪谐波电流频率和幅值的变化，目前己在日本等国获得广泛应用。 2 、负序电流对电力系统的影响及解决方案 由于单相牵引负荷的随机性和剧烈波动性，无论采用那一种接线方式，都将导致 三相电力系统不对称而产生负序电流。负序电流对电力系统有着相当严重的危害和影 响，其表现为：一是造成系统网络节点电压不对称，降低三相电动机出力；二是负序电 流在电网中产生负序功率损失，降低了电网的运行效益；三是负序电流在发电机定子 西南交通大学硕士研究生学位论文 第4 页 中产生和转子旋转方向相反的空间旋转磁场，它以二倍同步转速切割转子导体，在其 中产生感应电势，致使转子附加发热，严重时导致转子绕组烧损。为了防止对电力系 统和电力设备带来严重影响，各国对负序电流都有严格的限制标准。当前主要采取以 下几种措施使系统不平衡程度符合规定的标准n 4 3 ： ( 1 ) 平衡变压器 采用三相一两相平衡牵引变压器，如阻抗匹配平衡变压器、s c o t t 变压器、变形 w o o d - b r i d g e 变压器等。这些变压器的优点是，当两个端口负荷完全相同时，变压器原 边三相电流对称。即使两个端口负荷不相同，也能使不平衡度有所减弱。在日本广泛 采用s c o t t 变压器和变形w o o d - b r i d g e 变压器。我国主要采用了阻抗匹配平衡变压器 和s c o t t 变压器。 ( 2 ) 采用换相联接 牵引供电系统采用换相联接，如图2 2 所示。也就是各牵引变电所变压器原边轮 换接入电力系统不同相，这样可以减小系统总负序电流。 图1 - 2 牵引供电系统换相联接示意图 当两个端口的接线角相差9 0 0 、三个端口的接线角分别相差6 0 0 或1 2 0 0 时，端口负 荷作用的结果，将使三相总负序电流减小。但为了实现相序轮换，牵引网被分割成一 个个属于不同相的区段，各区段之间用分相绝缘器隔开，这种结构增加了机车操作的 复杂性，带来了安全隐患，并制约了机车牵引力的发挥。 ( 3 ) 接入大容量高电压电源系统 高电压、大容量电源系统具有较强的承受不平衡负荷的能力。如日本采用1 5 4 k v 、 2 2 0 k v 和2 7 5 k v 三种电压等级，法国采用2 3 5 k v 电压等级，意大利采用1 3 0 k v 等级，西 西南交通大学硕士研究生学位论文 第5 页 班牙采用13 2 k v 、2 2 0 k v 两种电压等级。 3 、“电分相 的危害及解决方案 我国电气化铁道接触网采用换相连接的供电方式改善系统的三相不平衡，这就要 求在接触网上装设分相绝缘器。目前我国的接触网每隔2 0 k m 2 5 k m 装设一个分相绝缘 器，并存在一段3 0 m 的供电死区。高速铁路在“电分相 处一般有1 0 0 m 左右的无电 区。 分相绝缘器对电力机车的安全运行构成了威胁，成为制约我国高速铁路快速发展 的一个主要因素。首先，分相绝缘器的存在会对机车受电弓产生巨大冲击，严重时将 引发弓网故障，直接影响到机车的安全运行。其次，电力机车依靠惯性通过“电分相”， 中间存在退级、断电和重新供电、行驶的过程，增加了列车司机的工作强度，同时限 制了列车的运行速度。再次，当分相绝缘器进行停电检修时，与之相邻的两供电臂需 同时断电。 目前，国内外解决“过分相”问题时通常是在“电分相”处装设自动过分相装置。 现在自动过分相装置主要有地面开关自动切换方案、柱上开关自动断电方案和车上自 动控制断电方案三种。也可采用几种方法来减少分相绝缘器的数目。如，采用a t 供电 方式，可减少分相点；采用单相牵引变压器的牵引变电所，可以取消变电所出口处的 分相绝缘器；采用同相牵引供电方式等。采用同相牵引供电方式能从根本上取消牵引 变电所出口处及相邻变电所之间的分相绝缘器，同时能有效解决电力系统三相不平衡、 谐波等问题。 1 2 - 3 同相牵引供电系统的研究意义 电气化铁道牵引负荷的非正弦性、非对称性等特点，对三相电力系统产生负序、 无功及谐波等诸多不良影响。而高速、重载铁路的牵引负荷进一步恶化了这些不利影 响，增加了列车“过分相”的难度。目前，我国现行的牵引供电系统仍无法满足高速、 重载铁路的需求，供电质量不高。采用牵引变电所单相供电的同相供电系统从根本上 解决了这些问题，具有重要的研究价值。 同相供电系统是指线路上不同变电所供电的区段接触网电压相位相同，线路上无 电分相环节的牵引供电系统。同相供电系统目的是为实现三相单相系统的对称变换， 有效补偿牵引变电所的负序，同时使无功及谐波补偿得到了最优兼顾，改善供电质量。 同相供电系统主要有以下几部分组成：牵引变电所、断路器、分段绝缘器、分区 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 所等。其结构如图1 3 所示。 同相供电系统中的牵引变电所由主变压器和对称补偿装置构成，实现对单相负荷 的理想对称补偿，消除引入系统的负序电流，有效补偿无功和滤除谐波。目前国内外 最合理、先进的技术是采用平衡变压器和综合潮流控制器( i n t e g r a t e dp o w e rf l o w c o n t r o l l e r ) 。分区所( s p ) 的作用是通过控制其中的断路器开断、闭合，可实现同相 供电系统的单边、双边及多边供电方式。 图卜3 同相牵引供电系统示意图 同相供电技术很好的满足了铁路部门和电力系统双方面的要求，无论在技术方面 还是经济方面都展现出很大的优势，为高速、重载铁路的发展提供了切实可行的理论 基础，具有重要的研究意义。 同相牵引供电系统采用装有平衡变换装置的牵引变电所，实现了不对称单相牵引 负荷的三相对称变化，取消了负序电流对电力系统的影响，并能有效补偿无功并滤除 部分谐波。对电力系统而言，牵引负荷相当于一个纯阻性三相对称负荷，满足电能质 量要求。由于各变电所结构和接线完全相同，全线供电臂的电压相同，从而取消了各 牵引变电所馈线出口处及牵引侧各供电臂之间的分相绝缘器，解决了列车过分相问题， 提高了线路的通过能力和运输能力，节省了在电分相上的投资和运营维护费用。电分 相的取消同时可实现在同一供电系统内列车的全线不断电运行，有利于提高列车运行 速度，保证运行安全。由于单相牵引负荷达到了理想补偿状态，其功率因数始终近似 为1 ，提高了变压器容量的利用率，节省了安装容量，减少了固定容量电费的开支。 同相牵引供电系统的平衡补偿装置对无功功率有补偿作用，减小了电网电压的波动， 使牵引网电压损失和功率损失降低。由于全线各牵引变电所结构及接线方式相同，有 西南交通大学硕士研究生学位论文 第7 页 利于维护和检修。同相牵引供电系统的运行方式灵活多变，可实现供电系统的单边、 双边及多边供电。分区所内设断路器，能够分段保护接触网，将故障缩小在尽可能小 的范围内。 1 - 3 同相牵引供电系统的发展现状 同相牵引供电系统从根本上解决了高速、重载牵引负荷对电力系统造成的不良影 响，有利于推动高速铁路的发展，同相供电技术也成为今后高速铁路的一个重要研究 方向。从国际现状来看，目前的理论研究和实践较为成熟，先后提出了可调无功补偿 及滤波、三相单相对称变换系统等理论。 目前，国内外关于同相供电系统的研究主要有三类：一类是基于无源对称补偿技 术的同相供电系统；一类是基于有源补偿的同相供电系统；第三类是基于无源对称补 偿、有源补偿相结合构成的混合式补偿装置的同相供电系统。 l 、基于无源对称补偿技术的同相供电系统( 三相单相对称变换) n 卜1 7 3 无源对称补偿技术是以可调并联电抗器、电容器为依托，通过并联无功补偿( p r c ) 或并联电容补偿( p c c ) 来消除或削弱单相牵引负荷引起的系统不平衡，同时兼备无功补 偿，从而实现同相供电。 从理论上看，任何一种牵引变压器均可构造出三相单相对称变换系统，实现同相 供电。在实现常规接线的牵引变压器的对称补偿时，如y - n d l l 变压器、v v 变压器， 必须在三个端口均安装可调补偿器，这使补偿装置的总安装容量大于牵引负荷容量， 增大了投资，补偿设备容量利用率偏低，补偿协调的控制手段和设备较为复杂。 采用特殊接线，如不等边s c o t t 接线、组合接线等的对称补偿技术，只需在指定两 端口设置补偿装置，使补偿装置总安装容量小于牵引负荷容量，简化了系统结构，并 能实现与单相牵引变压器相配合。 2 、基于综合潮流控制器的同相供电系统u 8 2 4 1 随着现代电力电子技术的不断发展，采用功率半导体器件构成的综合潮流控制器 ( i n t e g r a t e dp o w e rf l o wc o n t r o ll e r ) 为同相供电系统实现综合补偿提供了一种新 的选择。综合潮流控制器提供负载所需的基波无功电流、负序电流和谐波电流，电源 仅提供负载所需的基波有功电流，该电流与电源各相的电压同相位且三相对称。此时， 电源仅提供负载所需的有功功率，系统达到了三相单相平衡变换的目的，实现同相供 申。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 3 、混合式补偿装置的同相供电系统晗5 3 它的同相供电装置则是由无源对称补偿、有源补偿( 综合潮流控制器) 相结合构 成的混合式补偿装置，有源部分用来动态补偿负荷变化引起的负序，同时可补偿无功 和谐波。有源补偿应该建立在尽量用好无源对称补偿的条件下，这样可以减小有源系 统的容量，简化有源控制，节约了成本。这就是本文所研究的对象。 1 4 主要研究内容 本文主要研究的是：通过无源和有源的组合使用，实现混合补偿式同相供电；同 时当无功、负序和谐波达到满意补偿时，实现混合补偿容量的满意优化。论文的主要 内容包括以下几个方面： 第l 章：绪论介绍了课题的研究背景，同相牵引供电系统的研究意义和国内外的 发展现状。 第2 章：介绍了同相供电系统的结构，同相供电系统中平衡变压器的选择，无源 对称补偿原理，潮流控制器结构及其平衡原理和混合补偿式同相供电系统的实现原理。 第3 章：对混合补偿式同相供电系统进行了研究，得出了其中的无源对称补偿装 置和潮流控制器的补偿容量与补偿度之间的关系，并仿真验证了该系统的可行性。 第4 章：结合电能质量标准，得出电能质量标准与补偿度之间的关系。得出满意 优化容量计算方法，并通过实例计算验证。并对混合补偿中无源和有源部分的容量设 置作了一定的优化。 第5 章：搭建混合补偿式同相供电系统满意优化仿真模型，考虑完全补偿和不完 全补偿两种情况，进行仿真分析，得出在满足要求时，不完全补偿可以减少补偿容量 的投入，降低成本，达到满意优化目的的结论。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 第2 章同相牵引供电系统 2 1 同相牵引供电系统的结构 由于高速铁路牵引负荷的功率因数一般较高，各牵引变电所在系统中产生的负序 电流几乎为同向叠加，使电力系统难以承受，故实现同相供电的关键在于强有力的负 序补偿，同时达到无功和谐波补偿的最优兼顾。若各牵引变电所均能实现三相负载平 衡，即可完全消除负序电流的影响。 同相供电系统是在原有牵引供电系统结构基础上在各牵引变电所中引入平衡变压 器和潮流控制器，使现有变电所的两供电臂合并，实现单相供电，接触网各区段电压 相位相同。为了防止电力系统经多个变电所及牵引网构成环路，线路上的分相绝缘器 以分段绝缘器替代。 同相牵引供电系统主要由同相牵引变电所和接触网组成。直接供电方式下的同相 牵引供电系统结构如图2 1 所示引。 o c ： 平衡变压器； 00、，0 一l i 。= i p f c = 二； t 。s 。+。-“。“。“”“11“。”。“。一。 r 一： - - - - - - - _ _ - _ ，_ h - 1 _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。- _ ，_ _ h _ 。，k _ - h 。_ _ 。_ - 。_ - - _ _ ，- 。_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ 。- 1 - - _ _ - - - _ _ _ _ - _ - _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ 。_ _ _ _ _ 一 图2 1 直接供电方式下同相牵引供电系统结构 其中i p f c 为综合潮流控制器，艘为分段绝缘器，t 为接触网，r 为轨道。平衡变 压器两端子只有一端接入供电臂，另一端子通过综合潮流控制器i p f c 与同一供电臂相 连。变电所内安装的综合潮流控制器i p f c 主要功能是实现三相负载平衡，兼顾补偿无 功和谐波，使变压器仅提供负载的基波有功电流分量，从而实现平衡补偿。 a t 供电方式下的同相供电系统结构如图2 - 2 所示n9 1 。 其中f 代表正馈线。其实现平衡变换的结构和原理与直接供电方式基本相同。 霹一 殛 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 0 页 i 堕匪囹 ! ：- i 1：i ! ：= l p f c 己；i _ ：= i p f c = t i1 ，。，_ j s p 一 ， r j o 一 0 、一 之 f i 图2 2a t 供电方式下同相牵引供电系统结构 这种同相供电系统与现行牵引供电系统相比具有的显著特点： 首先，变电所两供电臂合并，取消了馈线出口处的分相绝缘器。由于各变电所输 入侧的接线方式相同，输出侧电压相位相同，当分区所两端的电压差不足以产生影响 时，可用分段绝缘器代替原分区所内的分相绝缘器，从而保证了列车全线贯通供电运 行，有利于高速、重载铁路发展。 其次，通过无源对称补偿和综合潮流控制器，可实现对负序、无功和谐波电流进 行综合补偿，使其分别满足系统设计的技术指标要求。 此外，当综合潮流控制器出现故障切除时，整个系统仅相当于工作在现有系统的 不平衡状态，不会造成停电事故，保障了系统的安全性。同相供电系统中的各变电所 结构完全相同，便于进行维护和管理。同时，对现有供电系统的变电所只需进行适当 改造即可实现同相供电，便于工程实现。 因此，在变电所内引入平衡变压器、无源对称补偿和潮流控制器i p f c ，能够满足 电力系统对负载的要求。当通过调节潮流控制器，使变压器两副边端口仅输出与各自 电压同相位的、幅值相同的基波电流时，对电力系统而言，在与牵引供电系统的任一 接入点处，均相当于一个三相对称的纯阻性网络，对电力机车和电力系统都是最佳状 态。 直接供电和a t 供电方式下的同相供电系统均能实现同相供电，区别仅在于其供电 方式的不同。相对于直接供电方式，a t 供电方式有较明显的优势。a t 供电方式将供电 电压提高了一倍。在牵引负荷相同的情况下，接触悬挂和正馈线中的电流可减少约1 2 ， 大大提高了牵引网的供电能力，减少了电能损失和电压损失。在a t 处接触悬挂不需要 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11 页 设置电分段，故当高速、重载列车通过a t 处时，接触悬挂和受电弓之间不会拉出强烈 电弧，烧伤受电弓和接触网，保证了高速列车的安全、可靠运行。a t 供电方式下的牵 引变电所间的距离可增大，相同距离内变电所数量减少，相应的外部高压输电线的数 量减少，降低了投资，并有利于合理设置既方便运营管理又缩短外部高压输电线长度 的变电所位置。另外从对邻近通信线路的综合防护效果来看，a t 供电方式优于直接供 电方式。 2 2 同相供电系统平衡变压器的选取 目前，我国牵引变电所变压器的结线型式很多，主要应用到的有单相结线变压器、 三相v v 结线变压器、三相y n d l l 结线变压器、s c o t t 结线变压器和阻抗匹配平衡变压 器等。 为提高供电系统的经济技术指标及电力系统的安全性和稳定性，在电气化铁道的 供电系统中一般采用三相变两相的专用平衡变压器。就目前已有的平衡变压器来看， s c o t t 结线变压器和阻抗匹配平衡变压器的牵引负荷对电力系统产生的负序影响最小， 因而被我国电气化铁路大量采用。下面对这两种变压器的优缺点进行简要分析。 1 、s c o t t 结线变压器8 。24 | ： s c o t t 结线变压器的优点是当两供电臂的负荷电流大小相等、功率因数相同时，变 压器原边电流三相对称。但这种牵引变压器制造难度很大，造价较高。由于s c o t t 结线 变压器的原边t 接点电位会随负载变化产生漂移，使牵引变压器各相绕组电压不再平 衡，增加了绕组的绝缘难度。同时原边中性点不宜接地。 2 、阻抗匹配平衡变压器【1 8 吨制： 阻抗匹配平衡变压器的优点是当变压器两副边负荷电流大小相等、功率因数相同 时，原边三相电流对称，电力系统中不存在负序电流。由于阻抗匹配平衡变压器原边 中性点接地，方便与高压中性点接地电力系统匹配。副边绕组采用接线形式，可使 三次谐波电流顺利流通，使主磁通和电势波形的正弦度较好。其缺点主要是设计计算 及制造工艺复杂，造价较高。由于低压两相之间存在电气联系，该变压器不能用于电 气化铁路的a t 供电方式。此外，变压器不能输出与电力系统线电压或相电压同相位的 电压值。 基于以上的分析，我国电气化铁路供电系统对新型平衡变压器提出了以下需求： 技术性能优良、经济指标好、设计制造简便；便于与1 1 0 k v 及以上输电系统中性点运 西南交通大学硕士研究生学位论文 第】2 页 行方式相配合；能实现电压三相到两相的平衡变换，电压高，容量大。为满足以上需 求，本文选用的牵引变压器为y n v d 结线平衡变压器协副恤1 ( 如图2 3 ) 。 厶、_ j 、 、1 ，一，7 、7 一、 二，-i b ，毛_ j l c a 、卜、 晓1 工2 a b 一 l 、一 ，一 v c 图2 - 3y n v d 平衡变压器 其两侧的电流变换关系为 2 2 2 3 1 其中 由对称分量法可得 i2 i c 爿 ib c k 4 3 压一1 o2 撕一1 小击 、l3 lj 瓜k 6 矗+ jo + j 怕 婀一jo j 矗 oo ( 2 1 ) ( 2 2 ) 上式表明，y n v d 平衡变压器使得电力系统侧无零序分量，但其实现对称变换是有 条件的：当且仅当t = 。，即负荷电流对称时，平衡变压器才能完全消除负序对电力系 统侧的影响，从而使原边三相电流对称。 y n v d 结线平衡变压器集合了s c o t t 和阻抗匹配平衡变压器的优点于一身，能够很 好满足电气化铁道供电系统对牵引变压器的要求。该平衡变压器的高压侧中性点可以 直接接地，能与1 1 0 k v 及以上高压输电系统中性点运行方式相配合，降低了绝缘制造 成本。而且它能实现低压侧两输出相之间的等效解耦，适用于高电压、大容量、远距 西南交通大学硕士研究生学位论文 第13 页 离的电气化铁路a t 供电方式。由于低压侧绕组采用接线形式，为三次谐波电流提供 了流通路径，有利于改善主磁通和电势的波形。变压器绕组数目少，阻抗匹配关系容 易实现，制造工艺简单，低压侧接线绕组便于引出分接头，抽出所需的三相对称电 压，作为变电所所用电源或接滤波器及功率因数补偿电容，以实现平衡变压器的特殊 功能。 2 3 同相供电无源对称补偿原理 一般情形，牵引变压器次边共有三个端口，为了便于区分牵引端口和补偿端口， 令端口1 、2 、3 为牵引端口，端口4 、5 、6 为补偿端口，其中端口1 与4 、2 与5 、3 与6 为同一个端口。当牵引变电采用同相供电时，由端口1 向负荷供电，端口4 、5 、6 设置补偿装置。对于任意的无功补偿度k c 和负序补偿度k ，把各电流归算到指定的 端口电压下，总有以下的无功，负序补偿方程式成立3 ： 6 = k 。f ls i n 够o ( 2 3 ) i = 4 6 么= 一k 一么 i = 4 ( 2 - 4 ) 式中：、毛、乇为端口4 、5 、6 的补偿电流，容性取正值，感性取负值； 绲为端口1 的功率因素角( 参考对应的端口电压，为滞后角) ； 一、仍卜分别为端口i 产生的负序电流及其功率因素角； 负序补偿度瓦定义为负序补偿量( 下降量) 与原有负序的比值，即 一么 k 2 专砀丁 ( 2 - 5 ) 无功补偿度k c 定义为补偿器的基波容量与牵引负荷无功容量的比值，即 疋= _ 詈一= l 一( c o s 2 织一1 ) ( c o s 。2 吼一1 ) ( 2 6 ) s i l l 其中c o s a o 、c o s ( p c 为补偿前后的功率因数。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 4 页 通过公式( 2 3 ) ( 2 4 ) 可以求解f 4 、毛、乇，即从理论上来说，任何牵引变电所 都可构成三相一单相对称变换系统，实现同相供电。 2 4 综合潮流控制器结构及补偿原理 综合潮流控制器即为同相供电系统中牵引变电所内的平衡补偿装置，其主要目的 是为了实现单相到三相的平衡变换，使系统达到三相负载平衡，并最大限度的补偿无 功和谐波电流。由于同相供电系统牵引变压器接线方式的不同，潮流控制器的结构也 有所不同。针对y n v d 结线平衡变压器，由于其两端口接线角相差+ 9 0 。，综合潮流控 制器采用两个四象限电压型单相变流器，通过直流电容“背对背”耦合连接在一起。 其结构如图2 4 所示。其中c 表示变流器桥臂直流侧耦合电容。 s l _ s 3j s 5 一s 7 j 泰jj 灭 7 |j 、l两、l “： h ， 一 _ 一 丝皇l 【：l 、毛。一 一 上 + 、i ， 一一c 二，。1 l ， 一 t 1 一 ( 广j & 一 凶一 j j - l f - 二了- _ 7 f r - ， j 、 _ 图2 4 综合潮流控制器结构 综合潮流控制器i p f c 的两端口通过降压变压器t 1 、t 2 分别与牵引平衡变压器副 边的两相相连。当对系统进行完全补偿时，其中一个变流器端口输出一半的负载基波 有功电流、全部无功电流和谐波电流，另一个端口输入一半的负载基波有功电流，这 样从牵引变压器侧来看，它仅仅提供了负载全部的基波有功电流，传递有功功率，原 边三相电流完全对称，单相负载对电力系统而言，仅为一个纯阻性三相对称负载。在 综合潮流控制器的结构中，直流耦合电容c 实现了两端口有功功率的交换，在系统中 担当能量交换的角色。由于平衡变压器副边电压为2 7 5 k v ，远远超过变流器中的电力 电子器件的承受能力，因此采用降压变压器t 1 、t 2 以满足潮流控制器开关器件的电压 需求。 设平衡变压器两次边绕组的端口电压分别为u 口、u 口，端口电流分别为么、锄，机 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 5 页 车电流为。设端口电压“口、为： 机车电流为t 为： ( 2 7 ) i l ( t ) = 西，s i n ( w t 一仍) + 西。s i n ( n w t 一9 。) ( 2 8 ) 其中：u 一电源电压幅值； l 一机车电流1 1 次谐波的幅值； 纸一机车电流1 1 次谐波电流的初相角。 则负载的瞬时功率为： p l ( t ) = u 口( t ) i z ( t ) = d ( 1 一c o s 2 w t ) 一gs i i l 2 w + ( f ) ( f ) ( 2 - 9 ) 其中t = 五0 0 s 仍为基波有功电流有效值，毛( t ) = i 。s i n 9 t 为基波无功电流有效值， 厶= 弘s 衄，z 们+ ) 为负载电流中谐波成分。 欲使平衡变压器次边两端口输出幅值相同且与各自端口电压同相位的纯有功电 流，则设变压器两端口电流期望值为： 可知变压器两端口电流期望值为： 式中，l 是电源指令电流的幅值。 故电源需输出的瞬时功率为： ( 2 1 0 ) p ，( f ) = u a ( f ) 幺，( f ) + ( f ) b ( f ) = 2 呸， ( 2 1 1 ) 由于通过i p f c 的平衡补偿作用，负载所需的有功功率全部由电源提供，在一个电源 周期t 内，电源提供的能量应等于负载消耗的能量，即 1广 j op ；( t ) d t2 j op z ( t ) d t 由式( 2 - 9 ) 和式( 2 - 1 1 ) 可得 ( 2 - 1 2 ) 矿 一 们 g 洫西西 = = o 。 w 一 口风啪 卜压 o 1 1 k 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 6 页 = 面1 - j 0 1r 以魄( f ) a t = 竽 ( 2 - 1 3 ) 通过以上分析推导，可以发现当系统达到完全补偿状态时，综合潮流控制器的口端 口将输出负载基波有功电流的1 2 ，同时提供补偿负载所需的无功电流和谐波电流， 端口则只输入负载基波有功电流的1 2 。i p f c 在整个补偿系统中担当了能量的传输通 道，使平衡变压器一端口输出的1 2 负载有功功率传递到另一端口，变压器两端口共同 提供负载全部的有功电流，并由i p f c 的口端口完全补偿无功和谐波电流。 2 5 混合补偿式同相供电系统的实现原理 混合补偿式同相供电系统如图1 所示呛引，主要由y n v d 平衡变压器、无源对称补偿、 有源补偿三部分构成。另外，t 1 ，t 2 为变比为n 的降压变压器，将高电压变成适合于 电力电子器件能够承受的电压，并兼作隔离变压器使用。 无源对称补偿在负荷容量、功率因数相对稳定、负载无谐波畸变下能实现三相单 相的同相供电。当负载含有谐波，或负载的功率因