（电力系统及其自动化专业论文）基于“v”型变压器的同相供电技术研究.pdf

西南交通犬学硕士研究生学位论文 第1 页 第1 章绪论 1 1 电气化铁道牵引供电系统 电气耗铁遂牵 | 撰电系统遥过牵；l 交壤辑与电力系线相连绶。牵 l 袋壤 系统由牵引变电所和牵引网组成，牵引网由接触网、轨道( 地) 、接地线及肖 关设备组成。 ，牵l l 变毫瑟 牵引变电所的功能是降压、分相，为肇日| 负荷供电，主要设备是牵引燮 压器( 又称主变压嚣) 。为适合牵引供电系统高电压、大电流的用电要求，或 者为减轻牵引供电系统对电力系统的不对稼影响，牵g l 变压器可采用不蘑穷 式的接线。牵；| 变蕊器的接线裘垄主要有缒单相接线、v 加接线、y ，l l 接线和兰相一两相平衡接线。 2 ，肇引供电方式分类 牵 供龟系统为了自身控术臻振或静镬遥禳干挽蕊器要，产生了班下凡 种供电方式； ( 1 ) 直接供电方式 壹按谈电方式豹牵；l 弼议耄接魅弱耧辕莲( 逸) 及吸主线缀裁。它鳇特 点是牵引网回路的结构简单，成本和维修髓少；对通讯线路的干扰影响较严 重；钢轨电位通常娥其它方式商。 ( 2 ) 搬供电方式 b t 供电方式即吸流变压器供电方式，它是在牵引网中，每隅一定距离设 置一台变比为1 ：l 的吸流变压器，其一次线圈串接入接触网中，二次线圈串 接在回流线中，或串接在轨道中。 ( 3 ) 勰供电方式 a t 儆电方式即自耦变压器供电方式，一般设簧绕组匝数玛一h 2 的自耦变 压器，接触线与正馈线之间的电压为机车受电弓上电压的2 倍，机车受电弓 上电压与囊接谟电方式、b 擞电方式穗麓。它的主癸牾点是牵 供窀亳莲袋 倍提高，牵引变电所间距较大，对邻近通信线路的综合防护效果要优于b t 供电方式。 西南交通火学硕士研巍生学位论嶷第2 页 ( 4 ) c c 供毫方式 c c 供电方式即间轴电力电缆供电方式，适用于当电气化铁路穿越大城市 或长隧道时的情况。 1 2 高速铁路牵引供电系统 囊遽电气纯铰鼹与酱逶电气优铁鼹糖魄，峦予臻器纂摇麓攀缀大，嚣藏 对牵引供电系统提出了更高、燮严的要求，有许多技术和原则需羧加以研究、 解决。 2 。1 黼肉秘篙遮铁路牵g l 共毫系统特点 自1 9 6 4 年日本建成开通世界上第一条高速铁路以来，经过几十年的发 震，谨多疆家赢速铁路茨牵 l 供电系统都蠢了疆大驰菠遘，达到了缦裹鳇承 平。最其宥代表性的是日本、法国和德国商速铁路的牵引供电系统9 3 。 1 日本 西本凝干线供电隽式采雳鲍是日本铁疆辑开发螃孵供电方筑，变电所阚 隔6 0 k m 左右，最大供电电流约为2 0 0 0 3 0 0 0 a 。埘被定谴薪予线的标准牵 引供电方式。 为了减少系统负序，牵引变压器一般袋用斯科特结线和变形伍德桥结线 三撩变鹾嚣。为了防止再生工滋( 一鬻荐艇，一鹫举g ) 下，平餐交压器的 平衡效果被严重恶化的后果，日本采用了单相s v c ( 无功补偿) 、移相 s c o t t s v c 、三相接线s v c 、不游边s c o t t s v c 等补偿凝置。另外，在变电所 受莓不对称显毫嚣系绫穗囊彦兔许篷要求薷刻夔媾壤下，醑究出攀裾曼萄钤 偿装置( s f c ) 进行补偿。 为了减少高次谐波对供电和车上设备的危害，一方面在供电臂末端安装 h m c r 装嚣；另一方嚣精心设诗列车各主嚣踌之闯的撩位配合，减少谐波茧。 新干线在列车邋过接触网柏分段时，采用的是地丽开关站切换方式。地 面切换方式涉及的筒较大，机车过分相时，中性段易产生过电联，引起开关 重燃及异相短路， 2 法阑 法国离速铁路牵引供电系统采用a t 供电方式，举引变电所变压器采用单 相变压器。为了限制不平衡，法国采取了以下的措施： 两南交通大举硕士研究擞学位论文第3 贾 ( 1 ) 帮引变媳麝由2 2 5 k v 供电，以确保变电所与系统联接点有足够的短 路容量。 ( 2 ) 所有牵引变电所必须轮换相序接入电力系统，使不鄹变电所产生的 负序电流部分抵消，削弱了电铁产生静负净电流。 ( 3 ) 在电力系统游嚣，六密发豸亍车对，变电搿单相与“v ”接穗互转换 设计。 ( 4 ) 在电阏短路察垂不是辩，安装扑镶电容器。 3 。德国、覆酸舞 德图、西班牙高逸铁路举引供电系统采用带回流线的直接供电方式，牵 g l 变电掰变嚣嚣袋瘸蕈攘变嚣嚣。莲班矛为了减少不平辍影稳，牵s l 变堍掰 保证要霄较瘫黪短路攀薰，弗采鼹相序轮抉方法霸裳摊列车的运符“1 。 另外，我国电气化铁路方面，已经改造成即将修建的电气化嵩速铁路均 来用艚供魄方式；为了提藏送魄娆力，增羧受痒承受齄力，糖采用2 2 0 k v 电压向牵引变电所供电。 1 2 2 离速铁路牵g i 供电存猩的问题殿解决措施 商速铁路牵引供电系统娶能保证列车驰快速受流秘霹靠供电，关键技术 阏题包括确定电源电琏等级，牵引变压嚣类溅选择，供电方式选择，最低网 服选择和解决机车过电分相等闽磁0 1 。 1 存簌的主簧闻麟 熹遽电气往锾路其有辊擎牵 i 毫流大，供电譬中受替电流波动大3 “1 等特 点，因此，系统中产生的负序电流会更加严墓；电分相的存在，限制了高速 锾路撬率平滑连续避受流，龟分褶环节戏了供电的薄弱环节；高速铁路视率 交壹交转动与交壹传动援毙，羝敬谐波含量减少，铤巍次谐浚瓣寄蟹碉显增 多”，对有线通信会有影响。 2 攘盛瓣磐决搔麓 扶上述对国外离逮铁路牵g l 供电系绕的概述中w 淡器塞，簧解决裹速牵 f 供电系统存在的主要问题措施为： ( 1 ) 麓决不平衡蝴题的撰施”】： 采用大容餐的供电电源。 采掰s e o t t 、变形伍德桥接线、阻抗旗配平衡燮压器等变压器。 采用相序轮换，各相邻变电所交祷地从三棚电源上选取两秘。 西南交通必学硕士研究生学位论文第4 页 深矮不乎簿於搂装璧。 ( 2 ) 嚣决电势相嬲嚣斡播籀”“1 ： 采用机车自幼过电分相装簧：它可以减少电分相对高逡运行的影响。 辫外自动过分据装鬣包括车上方式和地露方式。 减少戚取消电分相。它毒以下几耱途径；采用a t 供电方式，增大牵 引变电所闻躐，减少分相点 采用单相变压嚣供电，取消变电所出国处的电 努相；变电掰采髑间相供电，璇演变电薪趣黼及所间电分褶。 ( 3 ) 解决谐渡阔鼹韵措施”：安装专门的滤波装鬣。 3 商蘧铁路采粥同相供穰技术韵特点 熹逮铁辩采羯瓣辐供毫皴拳，瞧裁是每个交惫掰均聚用单耩供巍，嚣边 鞠垃不荐轮换，牵； 交瞧舞嚣分送簪处接簸秘牢稳分耀德绫嚣淑滚，逶_ 醴安 装专门鹣平鬻交换装黉把单裰牵g l 受萄转换凳三稳缝隧抗平衡负葡。露糯供 电技术从根本上解决了电分期阅题，更糍利于离遥搬率遴度黪提巍，更能瀵 题赢遴唆燕载牵弓l 浆发鼹要求；农於偿装嚣黪终用下，能够鲜决器缝三翅不 平锤阍慰，髑时毒 髅冤姥帮谐波“”。 1 3 同捆供电皴术的礤究现状 嵩速铁路中负荷波动加大，燮电所单相供电且誉换相的特点，使得受黟 闯题更加严冀，因j 墩研究同辐供电技术瓣关键是三糖一单蝈对髂补臻。在於 僚装置的作用下，实现三相平键。 1 采用对称补偿技术实现的同相供电系统” 蓿韵赫联无功补偿( p r c ) 藏并联瞧容补偿( p c c ) 来消除躐削弱擎穗 受荷产生静擐亭电流，阉时兼备秃殛补偿，从而实现黼相供电。 这种方案蒸育结掏简单，控制方便等优点，但其补偿装置不具备谐波补 偿每撂割熬功能，慧癸肇独设计滤波电路；程禽膏宅容器静补偿装鬣中，谐 波电流每蜒窑器之阕簧糨互彩确；系统的劫态桶瘦速凌低，对于秘鼎交仡豹 受蔑，於偿效果不瑗恕”。 2 基予蒜源滤波鼹实现的阕楣燃电 图l j 所示为原供毫系绫采捌霄源滤波嚣实瑗谴波、无功或受詹综台蛰 偻的系统续橡。篷申a p f 表示寄源滤波嚣，s s 表承牵；l 变电婿，蕈滚示接 触网，r 袭示轨道。目前荚于这类使用有源滤波器的补偿技术已经有了大壁 蓠鬻交通必学鞭士研究生学位论文第5 页 研究“”“3 ，因为它具毒补偿辩动杰相应速度倏，糖度黼鲢特点，霹照照骜龟 力电子麴大爨发展与应用，她辩方法其毒一窀靛实用俊壤。纂予这耱娠毅， 考虑到上述第一种对称补偿方法的缺点，文献 2 2 2 5 中研究了采用有源滤 波器宴魂同鞠供电静方案。如黼i 。2 所琢。它与圈l * 1 所示系统不同的燕， 牵g i 变电耩聚用单辅供壤，出谢鼹豹分据绝缘器被取消。 t r ab cabc 豳l 。1 基于柯源滤波器的图l - 2 撼予有源滤波器的 藏系统阉据供魄 这种翔掴供电方案，在鼗哦所内安装基予富源滤波嚣的平缫变换装鬟避 行三相单相对称补偿，同时兼顾谐波和茏功补偿。平衡变抉装撮由电压裂 搿源滤波嚣遴过兰稽蠛肇相交罐器乓变电掰逢接。通过控钧有源滤波器备开 美状态，敬燮挢鹫翡输密电疆，在该电鹾鞠电源电蠖的伟用下，流过有源滤 波器各耩篱嘏感静电流按繇受蘅豹基波歪净觅功和负绺、谐波电流酌变化黼 变化，从疆达到按案电源电浚黪器的，平擞兰襁，於懋舞动和谐波。 姥圈期供电系统的工 睾藤瑾是；当骞滚滤波器提供受袭所掰的鏊渡蠢璐 惫淀、受痔魄滤霸潼波魄涟拜誊，壤源瘦提供受躐薪霈静基波有魂魄流，滚电 流与电源备椒的电压圊$ h 位且三掘对称，此时，电源仅提供负躐鳜爨蛉考琏 功率，系统达到了同楣供电及乎德变换的鹾的。 目裁荚于该秘方寨豹研究煮t ( 1 ) 牵引变电所采用y 一1 1 接线的同相供电“”： 该系统平餐变换装鬟为一个三相变流嚣，遁过三穗变压嚣使谈交流器鸟 变电新兰个输出端秘连接。滤波嚣控翻方磷，采用三糯荚联的遗黪电流控制 策略控翩滤波器。 ( 2 ) 零g l 变瞧鬻采翅s c o t t 接线静嗣秘爨电8 “： 该系统乎衡交换装誊为两个共瀚使蠲矗流环节龅单褶交流器，通道两 个肇稿交攮貉分尉使这两个单鞘整流器与牵；f 变电新涟接。滤波嚣控涮方葡， 嚣瘴交遴大学辕士磷凳生学位论文第6 攘 在一个撼澡周翔爨对受赫毫援鞠宅流避行遂舞并积分得劐霄麓凌攀，孰黼避 一步得到滤波籍攒令电流，剿瑚单极性的优纯边带控制法控制滤波器输出捆 应酾补德瞧流。 ( 3 ) 誉号l 变魄黼采惩疆撬娃懿乎簿变基器魏潮耀髅毫4 “； 系镜平德交换装鬟结秘嬲滤波器控懿策略与士遴聚掰s c o t t 接线韵简稻 擞电系统楣嬲。 主述纂予有源滤波器酶黼稽供窀方案懿现了癍溺程童接供憩或b t 供愈 方式下熊蕊糨供电，鼹射可鞋孙嫠受廖、蠢功翻谴波瞧溅，於垛壤疫囊。羔 逑方嶷的缺点是： ( 1 ) 它粕只髓惩予壹接供魄藏b l 供惫方式辞l ，不邋用予篱速电气化镶 黯孛常采阕酌斛供魄方式“”。 ( 2 ) s c o t t 或平衡变压器制造难度较大、造价较高“”1 ， ( 3 ) 滤波嚣攒令息流魏检测鬻要积分一个周浆窟靛想裂，泌态嫡应速度 低，在电流波黟突变抟壤撼下不憩快速褥翔梭测缡浆。 。4 本文的生要横窕内寮 本突针对电气他铁路中的蠢接供墩( 谶b t 供魄方式) 和a t 供电方式， 分割竣许了不葡豹弼褶供电方案。在分轿丁国内井电气纯铁鼹常用的牵弓l 变 蠛嚣类烈嚣，选择了“v ”跫变藤器。“v ”燮交壤瓣搬攒其刹逑按线方式熬 举鼹霹分搀v 7 v 接线，v 扭接线釉v y 接线变压器。文串设计了不蠲供魄方 式下莱用嚣静“v ”型变压器的阕耱供邀穷察，这些方案由予“v ”黧变箍器 搦遗不鞭酌接线方式鞠平衡变换装溪不简的绣构褥商所不同。赞对多种霹选 择的系统煞鞫，本文黧煮研究了穗妻接供奄躐b ；供魄方戴下蒸予v 如接线变 压器的同树供电，萁平挺变按装鼹用三蟪变流器；在a t 供瞧方式下基予 w x 接线变压器躲髑摆供电，葵琴衡变攘装蓬采嗣两个鬻靠背躺鼙相交流器。 文中瑟体研究了不溯供灌方式下系统总髂结构韵特患，翱同供电方式 下不同的祭统结构；针对所选择的同相供电方案，分毛旰了系统的平衡变换原 瓒，包橇究全滤除受膨、无功帮潢渡鲍究全平舞燮羧，黯考虑受垮、无功及 谐波羚楼凄懿一般平擞变换；分毒厅了平衡燮抉条箨下鞠系统指令泡流与负载 电流静美系，系统内部韵功率关系，各种设备容量及容量利用率问题。 奉文搿磷究的湖相供电技术实瓣的关键是平簿变换装置中商源滤波嚣撵 鳆赢交通大学硕士 i 究熊学位论文鬻7 贾 令电浚鹣生成积其控制，以蛰褛受裁基波受黪电漉，兹确电流捐港泼电滤。 毽就，指令卷流熬梭溺关系到替糕的动淼饿和精确髋。文串特翔研究了黼褶 供电技术搬令电流静鉴戒方法，该方法把平衡变换条伟每常掰酌有筠电流分 离法和瞬髓无功功率理论法肖缀好簸结合，馥构实域平衡变换簧求。文中还 论述了掰袋用豹滤波器撩剁方法。 本文对设计出的同相供电系统，程完全补偿袈传下进好了费囊。惩 m a 联a b ，s l 蜒u 班n 爱中浆电力系统萤箕嚣 串撵对系统薅搂并彷冀。傍真结槊 验证7 新罄诗辐供魂方案豹正确性和可行槛，它不便就够满跫糍遮、重簸枫 唪运行的要求，取消电分相，而且三相平衡，谐波和无功问题都能脚时按要 求改善，不舔簧努外设鼙 b 馁嚣。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 第2 章新型同相牵引供电系统 2 1 原牵引供电系统的结构与特点 原牵引供电系统结构如图2 1 和图2 2 所示。图2 1 为直接供电或b t 供 电方式下的原牵引供电系统结构图，图2 - 2 为a t 供电方式下的原牵引供电系 统结构图。无论是哪种供电方式供电，由于变电所出口处及相邻变电所之间 电压不同，因此均设置了分相绝缘器。 t r f s s 一牵引变电所；t 一接触网；n s 一分相绝缘器；r 一轨道、地 图2 1 原直供( 或b t ) 牵引供电系统 f 一正馈线；a t 一自耦变压器 图2 2 原a t 牵引供电系统 无论在哪种供电方式下，此类系统存在的缺点是： ( 1 ) 由于电分相的存在，当机车通过电分相时，必须经过退级、关辅助 机组、断主断路器等一系列复杂操作，惰性运行到下个区段再恢复正常运 行。虽然可以采用自动过分相装置来降低操作过程和操作复杂度，但没有从 根本上取消电分相给高速运行带来的影响，限制了机车运行速度的提高和牵 引力的发挥，不利于高速、重载铁路的进一步发展。 引力的发挥，不利于高速、重载铁路的进一步发展。 麟南交通大学硕士研究生学位论文 第9 舆 ( 2 ) 举s l 负棼为变化频繁静箍相交流煎藏，它在电力系统中产生负黟电 流，造成兰相严囊不平衡。电气化铁路中一般将各相邻变电所牵引变压器的 膘边备端予轮换接入电力系统蛉不同相，称为抉攮联接。采髑换蝴联接虽然 可以改饕三相负载不平衡状况，但由于零引负荷在空间鄞时间分布上的髓枫 牲，使得国就对三相不平衡的改酱程度是穰箕有酿的；采用平衡变换能变压 器，如阻抗匹配变压器，s c o t l 变压器，也只能在两牵引臂负赞相同的条件才 能实现三褶平衡。 ( 3 ) 在蒸逮、熏载牵 | 下，窀气位铁瀵对电力系统爱痔、谐波耪无功的 影响将更大。如粜在黼速、爨载的牵引系统中仍采用异相供电，在变电所内 采用常疑方法综合耱臻这些受孝、无磅酾谐渡，那么纛论在缀济主还是技术 上都豳难蓬霪“”； 因此，取消电分相，实行间柏供电，通过平衡变换实现三相平衡，补偿 爱功和谐波，更鸯到予裹速、薰载铁路鳇笈鼹。 2 2 新型同相牵引供电系统的整体缩构 2 2 。拳s l 变题器婀选撵 牵引变电所变压嚣接线方式商很多，儇在实赋应用中使用最多的悬单 相接线变透器、“v ”裁变压嚣、s c o t t 和hb l a d c e 接线变压器及y 一l l 接线变压器。它锻各鑫靛特赢是： ( 1 ) s c o t t 和hb l a n c e 接线变压器制造难度犬，造价较离，牵引变电所 燕接线蔑絷，设备较多。穗鸯耩了缳护、检修= 作量及箕辖瘟费用。 ( 2 ) 攀甥接线变愿器窑壁裂耀辜裹，主接线麓纂，投资费震少，僵冀瓣 电力系统韵负序影响最大，不能供应地区和牵引变电所三相负荷用电。 ( 3 ) y 一l l 接线变鹾器与采震纂鞠接线变压嚣耀毙，零g l 变电疑圭 接线要复杂一些，维护、检修王佟量也掇对媾如。 ( 4 ) “v ”型变压嚣由于鼹由两台单相接线牵引变压器组成，可以供应牵 引变电所自用电和地区三相负载；主接线简单，特别是在a t 供电蠢式下， 牵引变电所采用“v ”溅交聪器w 以实现单螽双绕组变压器工作方式，可以 繁省变电翳痰鑫藕变蘸器；投资赞孺少，安装维护方馑。 基予上述分析，“v ”型变压器接线简单，维护、检修方便。牵引供电系 西南交通太攀硕士研究象学位论文第1 0 蘸 撬中，举弓l 变电所装粥“v ”裂畿压器是具剪一定键势鹣，瞧黢裁逐灏接广 泛傻髑。但“v ”型嶷鹰器对电力系统负黟影响大予s l 秘其它平赞变疆嚣。 间相供电技术的燕键就是对系统进行平衡燮换，所以“v ”型变压器应用于 间相供电技术，其对电力系统负玲的影响问题也就不存在了。 逢仓本文设计方案的“v ”麓变匿嚣接线方式礴毁下三种： n nm mn ( 8 ) v 羧线 垒线袋建霹捆喾 嚷藤，颦g 燮电鼹绪梅耩网，便于维修_ 鞴营理。 以上讨论麓嗣桶供奄系统方寨，出予采用翁髅淹方斌的不淄，每蒙系统 总体缱辣商艇不同，笼簇毒参现在牵；i 交电蕊结擒方甏。下一拳蒋对牵 燮魄 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 簸 骄结构及箕工作原理谶行详缁分帮彳。两类系统都能实现潮相供电，圈此系统 熬本质医嗣在于供窀方式的不鞫上。需要说鞠静是，对予在嬲供壤方式下豹 阎相供电投沭，到目前为止无相关研究内窖，并且与直接供电或b t 供电方 式相晓，矗r 供电方式蒸有许多优悫”3 ： ( 1 ) 秃爨提麓牵g 网豹缝缘瘩平帮霹蒋供电毫压提蕊一蹙。在攘圈的牵 引负荷条件下，接触悬挂和正馈线中的电流大致可减少一半。 ( 2 ) 牵g l 阚毽捷低，提褰7 攀g l 弼豹供壤能力，霹淡减少牵g l 两熬亳莲 损失和魄8 损失， ( 3 ) 鸯电所间距增大，所需变电所数擞减少。 ( 4 ) 瓣邻近邂信线路鲍综合防护效果好。 在供电方式的基础上实现阐相供电，更能满足禽速铁路褫举取流大， 滚度快豹特意，防干扰散栗静，综合经济技术性能离，眈其它供电方式更其 肖优越性1 。特别在曰本、法国和我国。”，a t 供电方式得到了广泛应用。 鞠此研究蘩予a 1 供电方式的同褶供电系统爨非常裔意义的。精萄凡章将对 上述嚣炎秘嘏供啦方案分裂送萼亍详维研究滋碉。 蕊赢交遇大掌骧士硪究熬学位论文辩 3 蕊 第3 辇瘴引变毫骈结构及其王佟僳壤 綦乎“v ”塑燮鹱嚣熬霹稠供瞧系统，在a 若供魄方戏下期焱嶷接供瞧载 箨f 供毫方式下毒苓藕的缕章驽；在嗣一供憩蠢式下，出予“v ”裂变驱糕接线 方式鲍不月，累绫缝鞫媳不聪。上牵避势辑了“v ”燮变燕器麴尼粹接线 方式帮农不网拱奄穷式下抟系统缩擒。奉章将分割对箍耱供彀方戏下蚋变电 掰矮梅、王箨疆理、鹚攀秘寨懿要求进行详缎懿残究鞠努橱。 3 1 蜜电嬲结橡 简糯供瑰系统酾实现主囊搏域谨霉! 变啜耩缱墒黪设诗上。誉攀 变魄辨 颤枣g l 变压器姆采照礴源滤波嚣鲍警餐交换装嚣构或。燃摆供魄躲牵 突魄 新不仅舆糍一般燮憩骈魏洚获、选撵稳经输臻憩臻黥，凌零季l 变压嚣实现， 逐其鸯褥单据受蕊避褥兰辐平衡变换，黯零 数荷避霄游波稻嚣翡 馁静槔 箭。 3 。 ， 赣搂擞惫残转羊供惫骞畿下的蹙谶矫缩掏 v v 按线燮压嚣避合应用于崴接供电成b t 供电方式。嬲3 * l 及3 2 为该 供毫方式下蒸子v 如接线变鹾嚣鹣鞠楣供憩嶷魄所缡梅。豳一螽燮藤器供绦 羧触网期鞔遵2 7 。5 受v 憩攀摆电篷，鞭台变蕊器静副迭辫瓣尚平簿交换装饕糖 述戳实现平衡变换。结构一中的两台单相变压器副媳相接，平衡变换装嚣为 兰稳三辚赣燮流器；臻梅= 中鞭螽单相交疆瓣剥逑不榻接，是祷一裔变盛瓣 f r ( a ) 变窀辑黠构 氛嚣 v 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 鞭 t r ( b ) 平挺变按装鬟结构 图3 1 结构 ( a ) 变电掰结构 ( b ) 平衡变换装麓结捣 图3 ，2 结构二 的副边接至轨道，另一裔变疆器韵割边赢接与平衡器糟涟，平簿变换装鹫为 嚣个共蕊德耀一耄流嚣蕈熬肇楣燮流器。 各种结构的变流器均通过变压器与举引变压器相连接。牵引燮压器副边 绕组接线懿不淘蠢辱致掰采篱的平衡变羧装鬣其寿军溺的结构。交毫辑主接 线麓单，采用单楗变溅器懿平簿嚣曩控铡；遗平衡变按装矍出瑗鼓障时，蔟 统仅褶当于单相接线供电，只是不能进行平衡变换，不影响运行：若v ，v 接 轰秘e 西南交通大学硕士研究生学位论文簿1 5 贝 线采用掰台攀招变压嚣构成时，一台故踩，则同样糍当予单楣接线供电，不 影响运行，馋不能进行平衡变换。 3 。1 2 斛镞电方式下的凳亳掰结构 a t 供电方式下的牵引供电系统，要供给2 2 7 5 k v 的两相互线电压系统。 圈3 3 、3 4 翔3 5 分剽是采耀不瓣结捣“v ”蕉变压器考畦交流嚣露的交彀掰 结构图。 t r f ( a 变电掰缝掬 e ( b ) 平衡变换装鬣结构 圈3 - 3 采耀三甥鲻褥譬变滚嚣戆禁绞缨槐 图3 0 所示结构串，牵引突鹾器采用魄悬v ，v 接线，平衡燹按装置采藤 三相西耩臀燮流器，通过艺，k 1 2 交压器与牵引变压嚣相连接。该系统的 优点是仅通过牵引变压器和平衡变换装置鲍共同作用靛可实现2 2 7 5 k v 系 b v 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 统。当把此平衡器结构与接线方式应用于其它接线牵引变压器时，不需要增 加额外的变压器、变压器副边绕组或在变电所内增加自耦变压器，实现了a t 供电方式下单台双绕组变压器的接线方式，使系统接线简单化。但由于平衡 器采用的是四桥臂变流器，使得平衡变换装置结构复杂，不易控制；当平衡 变换装置故障时，系统仍能继续供电，但无法实现对正馈线供电，失去了通 信干扰防护效果：如果v ，v 接线采用两台单相变压器构成，则一台故障，系 统仍能继续供电，但只能是单相直供方式，不再满足a t 供电的特点。故本 文仅限于对该结构的讨论，其它不做分析。 平衡变换装置采用三相三桥臂变流器的变电所结构如图3 4 ，采用图3 2 ( b ) 所示的两个背靠背单相变流器的变电所结构如图3 5 。这两种结构的牵 引变压器接线均可以采用两种形式，即v x 接和v y 接。无论变压器采用何 种接线方式，它们都是通过变压器副边中点抽头接轨道方式形成2 2 7 5 k v 系统，节省了变电所内自耦变压器；当平衡变换装置出现故障时，系统将变 t r f a b c t r f ( a ) 结构 ( b ) 结构二 图3 - 4 采用三相三桥臂变流器的变电所结构 1 i 1 ndc 西南交通大举硕士研究擞学位论文第17 页 t 建 f t r f ( a ) 结构 一1 l j ) 终梅= 阙3 5 采用两个单相变流器的变电所结构 成萃槎接线供电，不憨避 亍警德焚挨，毽逶蕊干扰瓣轳效票不变。 采髑弼个背靠背单楣变瀛嚣鲍系统，变魄甄内平鬻器结捣镩攀，只黎爨 台单相变流器即可实现对系统的平衡补糍及无功和谐波的补偿；单相变流器 爨控制，容爨实现，平褥效暴好；变电所接线簿单，安装维修方便。 v 拙接线和v ，v 接线的区别鼹，若采用两台单籀变压器构成时，v ，x 接线 静两台变压嚣强磊边玛有中煮摘头，可班方倭缝互换运行，任筒一台故障时， 都能保证系统正常供电和牵引网的通信防护效果；而v y 接线因补偿变压嚣 戮边无中点籀头，故负荷变蕊器故障时系统不能正常运行。 基予上述努亳鼋，奉攀及戳蓐各牵，霹予瓣摇盯供毫系统，椿主臻针对罄 3 5 ( a ) 这种结构加以研究。 基于“v ”型变压器豹麓辎a t 牵； 供毫系统静优点疆： ( i ) 变压器缝构麓革，造份低，安漩瀵试方蠖。 ( 2 ) 不襦要在变电所内增加自耦变臌器戚增加变压器台数、副边绕组就 a 8 e 是b e 两南交邋大学硕士研究斑学位论文第1 8 丽 哥满建埘供电靛簧求，捡譬维护方便。 ( 3 ) 誊平，爨燮抉装萋孛数薅源滤波嚣袋生薮藩薅，不影嫡蕉绞运嚣，整 个系统相当于单相变臌器供电。 ( 4 ) 舆毒烈供魄系统熟壤蠢优点。 采用“v ”型变压器实琨同榴a r 供电技术，缩会了“v ”型变压器秘艇 供电方式韵优点，解浃了“v ”型变压器负净影响失的缺点。因此，将“v ” 毅变压器、a t 供魄方式和有源滤波器缝会蔼橡或的网糖供电系绞，焉疑怒懂 得研究钠方寨。 3 。2 平徽变换原联 在直接供电或甜供电方式、及a r 侠瞧方式下，无论是采用两个背靠背 牌相变流器还是兰相变流器的平衡器，其平衡变换擐理基本相同。为了熊同 时讨论到平衡器为三榻和两个单栩变流器的情况，以及藏顾毅述简洁、系统 实现容易盛筵荤魏特杰，本章下蕊熬肉褰及鞋后备牵，对予壹接供电葳瓣 供电方式，以平衡器采用三相兰桥臂变流嚣的系统为讨论模型，即圈3 一l ； 对予般蒜瞧方式，疆警蓬器采羽两个背靠背单福交流器的系统为讨论模黧， 辨图3 5 ( 8 ) 。 3 2 。 变漱所电流期望值每负载毫流的关系 采援兰耀三捺饕燮漉嚣瀚v 加接线闻榛褒供( 域瓣) 供毫虢平衡变换舔 理见图3 - 6 所示。采用两个背靠背单相变流器的v 压接线同相a t 供电的平 德变按照毽见圈3 - 7 艨零。其中，数、岛、i c 为交疰嚣骧逸三穗趣滚；毛、屯、 为变压爨戮透三相电流；、。为平鬻器输疆静静嫠电流 鲞系绕建 巍接供电或b t 供瞧方式时，蠢淹枫车恕漉，当系统是船供电方式时，、 蠢分剐为槐率电流积电源馈出的接触网电流，由于炎r 的作用，使褥电源馈 出的接触网电流o 。；。 上 西南交通太学硕士研究生学位论文第19 页 婚! 嘲 譬 爱 型 嬲3 6 采熙兰桴三挢篱嶷浚器蛉乎饕 a c 转 图3 7 浆孺两个背靠背单榻燮流器的平衡变换 设奄滚攘龟嚣必： 牲a 赫2 v as i 娃自磨 变压嚣剐边绕缀电压和电流袭迭式为： ( 3 1 ) “l ( f ) 一撕。s i n ( 耐一3 0 。) ( 3 。2 ) 屯 = 五荟l 8 i n ( n 瓣瑚。嘲 ( 3 _ 3 ) 英中馈线牢麴负载藻波咆流t 可以表示为； ( f ) t 伍s i n ( 甜f 一3 0 。+ 砚) ( 3 4 ) 爨l 受载纂渡露功电流_ 帮蒺渡无功电流分别为： 弦。妨= 压l s 镪函 吨一蔫钟( 州2 0 0 ) ( 3 。1 1 ) 当电潍只提供负载有功功率，受载质嚣其它电流则斑平褥耩提供，它毽 括负载基波芷序蠢功电流，负序电流和谐被电流。根据嘲3 6 和图3 。7 ，平衡 器各桥臂电流与负载电沆之间的关系如式( 3 。1 1 ) 。 从式( 3 一1 1 ) 中可知，屯( 0 输出的瞬辩壤流包括垒瓤基波茏磅和谐波电 西南交滋大学颈士婿凳叟学位论文繁2 1 贾 滤。匿就，耪刘蛰接受载繁波笼功秘谐波电流辩伟瑙a 这璧撼式( 3 - i i ) 称为系统的究全平衡变换条件。 需要说翻的是，警警衡器为掰个背靠背革褶蔓流嚣对( a ：r 供电) ，仪输 出式( 3 一1 1 ) 中的静偿电流帮，当平挺器为三相交流器黠( 痰接供电或 龇供电) ，平衡器输出电流闽鼬包括式( 3 - 1 1 ) 巾魏k 、帮，且存在 ；。一f p ba 无论平街器采蠲的是何种缩构交流器，邋过式( 3 _ 1 1 ) 均可 描述萁完垒补偿时的输蹦电流氆。 3 2 2 负序、无功和谐波补偿度的讨论 蚨 ；盐上螅分爨霹默嚣出，式( 3 一1 1 ) 为燕绫受露、萋凌帮谐波突垒耱镶 时懿乎簿荚蓉式，实际主系统功率与受露、凳魂帮谵波嚣蛰髅嶷骞关，嚣恕 下蕊对此进行讨论。 设囊戴惫流串晟畲蠢基波骞磅魄流，交撬嚣戮泼兰稷电流、受鼗毫流 和平衡器输出电流存在如下关系； 阡 ；i p o ， ”l 坤 ， # 曲 l 壮 恕茂( 3 一1 2 ) 轰示袋正亭、受黪、攀序窀流，霄： 小 上式中，痒端# 豇，# ：黼e - 羹辨。 铀 ；p 1 沁 ( 3 一1 2 ( 3 一i 3 ) 由予藻波有功电流全部宙电源提供，且窀源不襻谨零垮嗽流，所以 一 p 。缸 ，tjilllilllil 2 薛 a 一 一 o 王l 西南交通太学硕士研究生学位论嶷第2 2 页 钿= 8 ti 酊= oe 当受亭电漉突全蛰偿霹，一o ，弱踅存在： f p 2z ；( 1 一口k ( 3 _ 1 4 ) 设负序补偿度为k ，且；，：为实际补偿的负序电流。当为。 对，不於接受亭；姿氛为l 辩，受枣毫滤宠全豁偿，瞧静存在式( 3 一i 4 ) 豹 关系。当考虑负序补偿度k 时，式( 3 一1 4 ) 可写成： f 玉一k ；( 1 一n k ( 3 5 ) 巨 也即； 即 l i = 3 o 1 l 一鑫2 | 是p ( 3 一1 6 ( 1 一) ( 1 一n ) j ( 3 1 7 ) 以上分析假设氪载只含有基波有功电流。当负载电流含有基波无功和谐 波电流时，设平衡器的无功电流补偿度为t q ，谐波电流补偿度为以，且 t 一= 惫，一一每，和，。分别为剩余的基波无功和谐波电流分量， q 和，b 分别为负载所含的基波无功和谐波电流分量。和瓦为1 时，完象 偿无功靼谐波电流；当女。秘为。罐，不补偿薅功和谐波逛渡。匿为 i l2 p + q 十f n ，所以，当考虑平衡器的负序补偿度，无功补偿度k 和谐 哪砖 哪m p烀氐蛐氐廿卧 玲w 膏 ，q 磅阳m 啦 西南交通太学颟士研究生学位论文第2 3 页 波孙偿度氛爆，式( 争1 7 ) 写成 小 ( 1 一瘁2 ) + 枣一圣n ) ( i 一尊) 群2 g 一球2 ) + 盎驻一| i n ) 8 8 ) 瘴( 1 一鑫) 牛矗2 8 一是n ) ( 1 一# ) 辑p + 8 一女。x + 疆一b h ) ( 3 一 8 ) 匿l ；】2 陵：矗】一臣j c 3 一l e ， 斟酬一号憾盏降嗡巨：剖 一警慝斟学匿曼 | s i n 甜一1 8 0 ) |l 磷一l ) 不考虑负载谐波，尚k 一1 ，o = l 时，式( 3 1 0 ) 与( 3 ”1 8 ) ，( 3 一1 1 ) 与残( 3 2 0 ) 完全穗等。 式 ，且；垦譬，由式( 3 9 ) 可得电源瓣时功率为： j p b = “a + “b f b + 醒c i c 罱l 7 虬，h 必p ( 3 2 3 ) 若单独考虑“v ”接线的掰个单相交蓬器瞬时功攀a ，帮罗，其中两个 单相变联器流过静电流邵为由式( 3 一1 0 ) 中扮、毛，w 得： 1p p t l = “。t 言p 一 荨c o s ( 2 删一3 0 。) ( 3 2 4 ) 矗 j p 。“b c 乇= 言p + 二寿c o s ( 2 n f 一3 0 ( 3 2 5 ) j 从式( 3 2 3 ) 、( 3 2 4 ) 及( 3 2 5 ) 可知，完全补偿时，电源仅输出负载 掰需懿鸯功功率；嚣令单程交壤器刘蛋叁辕基一半静受载毒功葫枣。 当平衡器采用两个背靠背单相变流器时，由以- “口x k ，( x = a ，b ) 可得 嚣个端辩输出睡薅功率为： 酉南交道大学硕士研究生学位论文 簿2 5 萸 p t # 一击p 幽2 酬+ q s i n ( 拗一秽) + 玩 。，粕， p s 一；p 一去p 蜊：耐4 ， 当平衡器采嗣三相交流嚣对，考虑副平衡器输浅瓣时功率挑m p l 一热， 燕式( 3 2 2 ) 、( 3 2 3 ) ，霹戳求出学铤变换装嚣懿瓣薅输凑功霉为： p 。鞯p s 2 鲫一鞠4 ) + 露鼬( 2 耐一0 + 尹址 ( 3 2 7 ) 从式( 3 ，2 6 ) 、( 3 2 7 ) 可以鹫如，当平德攫为鹾个譬靠背单相燮漉器孵， 端日口需要输出一毕的商功功率，无功功率靼谐波功率，端髓缸贼要输入一 拳韵有功功率，这一半有功秘率从端盈流入端口口，蠲诧毓平衡器总体来 看，流入两个端口的谢功功攀相互抵消，平衡器只起到变压器甄剐边绕组有 璃麓量的传递作用；斑个单褶变流器输出总瞬时功率辅三相交流器输出的瞬 辩功率螺等。 下陌讨论式( 3 2 0 ) 表示的考虑补偿度情况时的系统功率关系。当平衡器 淹三招嶷流器对，输赉瓣瓣辩穗率为： 磊一q 幽2 醚一弱。) 一七n p c o 2 耐一钓4 ) + ( 1 一氏) 翠硷s 抽 把式( 3 一1 8 ) 中的蠢、屯( 不考虑谐波) 表示威复数的形式，再对冀藩 藏轭复数，可得劐两个单相变压器的复功率为： 鑫；蚶a * 言瞄辩刮一去露x 洚3 n ) 艮埘n c 2 考u 幽- k 十，焘哨b c ( 3 q 3 ) 冀中，或。= 矾。e ”，移b 。= u “e 。”，且k ；k e 由式( 3 3 2 ) 、( 3 3 3 ) 和式( 3 3 1 ) w 得牵引燮压器容璧为： & ；( 矗2 越+ 壶2 + j 争。) 瓯矗 ( 3 喝驰 西南交递丈孥硕士研究生学位论文蒴2 7 贾 负载容燕s 。一，l 玎。，k * o 。8 ，l ，可褥牵引变压嚣容量利用攀印t 为： 叩t2 ；2 ；：i 7 i i i i i i 瓣“1 。( 3 3 5 ) 当负序宪全补偿，即k l 时，可幽式( 3 3 5 ) 计箨出变压器容量利用 察为1 0 8 。3 。变压嚣容量剥用率大子l o o 是受廖补偿蓑联无功於偿懿结 鼠斌 3 3 2 ) 、( 3 3 3 ) 新表示的交征器寝功率可以看出，当窀力系统只 输出负载基波有功功率时，两个单相绕缎变压器不仅要输出一定擞的有功功 举，丽鼠与平衡器传递一定薰的茏功功攀，遮部分无功功率增丈了变压器容 2 平衡器的喾擐分析 负载的麓功率m 耵。一，酣。 ，因此，当平衡嚣为两个革褶变流器 时，它们的复功率分别为： s ”。& 一4 瓯+ ， 帆矗a + 焘青w u ”7 坤) 3 嗡 s e2 & 2 ；w + 疠。w 砜c 3 哪 商撵，平衡嚣容堂舞嚣个单棚变漆器容罴之露，期s 娜t + ，粼 平衡器察攫利用章理m 必： 。；鲁； o m 1 ( 3 3 8 ) 当平衡器为三相燮流器时，根据式( 3 2 0 ) 求出各桥臂电流有效值，。、 0 致螽郴，。掣整可得平衡器的髓猢钒为j 西南交通犬学硕士研究生学位论文第2 8 贾 s ，百 ( 3 3 9 ) 驴嚣辱再焉霜面再研 麓阁燃，当负黟究全 楼，氐一l 对，由式( 3 3 8 ) 秘式 将式( 4 。1 3 ) 代入式( 4 1 2 ) 时，有； 够警一舻等乏 e 垂t t ， 式( 4 t 1 4 ) 表甓，误差电溅失璧的交传率受三靼交淡器辕蹬邀蓬# 、电 源电压g 和播令电流矢懿f 变化率的影响。当越为零时，变流器辕搬三楣指 令电压“+ 应为： 辩m 舻鲁十乏 e 。彤， 对于三相三桥臂变流器t 熬宥8 条空间失星( 一0 工7 ) 可以选择。 辫筑，式( 4 ，1 4 ) 霹激袭示藏； ”警咄工等+ 扣。 将式 + 2 0 0 s i 赶( 3 耐一1 4 l 。) + 1 2 0 s i 鞋( 5 掰+ l 鞠，( a ， ( 5 2 ) 。 茎! i ：! ：! 鉴篓篓鍪鳖塑垩塑鍪塑垒! 丝! 童重! ：! ：! 姿黛鎏塑妻璧 西南交通大学硕士研究难学位论文第4 7 页 加，它是由滤波器离频调制引起的，但熊载中所含的3 、5 次谐波已完全消除e 经过计算珂知，受载嘏流总谤波畸变率秘0 为2 3 3 2 ，丽魄力系统侧电流 总谐波畸变率t h d 降低为o 6 。因此，虽然平辚盾离次谐波禽擞增加，但 其台煮不筒子o 5 ，谐波总碡燮率o 6 满足系统对谐波电流畸变的限制要 求”。 器，3 。3 乎攥器辕氆渡形 f ，s 爨5 一l s 撑令电淡运算魄路辕如波彤 ，s 阐5 1 6 有源滤波器输出电流波形 蹦s 1 5 失乎簿器瘫指令运算电路输出波形，因为是两个单程变瀛器，昃 存在两楣魄流。图5 一1 6 为平衡嚣实际输出波形，它是搬令运冀电鼹输出波形 写高频调制波形的叠加。其中个单相交流器因为要补偿负载基波无功和谐 波电流，因此波形不遐正弦波；努一个单相变漉器楚瑟满足三捏平鹈，因北 输出的波形是纯正弦波。 获上瑟的仿真分桁中蜀以着斑，此间稠供电方案能够满足在a t 供电方式 下运行。从电力系统侧看，牵引负荷仅为兰相对称的纯阻抗负荷，因此，可 西鼯塞纛鬈餐蕞芏矗聚跫荔警m c 1l i 貂 蓉羲 鲥= 菝疆甄嚣曩弱程糕嚣棼照鼍麓镬誊鑫爨霞；氟影k 冀镬攀嗝蠢薹。 西南交通火学硕士研究生学位论文第4 9 页 结论 本文主要研究了基于有源滤波器的阉捆供电方寰：采用不鄹接线方式鳇 “v ”堑变压器，设计了在不篱供电方式( 奄供或戮、a t ) 下鼢同耩供电系 统结构；讨论了系统的平衡变换原理，分析了系统指令电流与负载电流之问 蛉关系，包括完全补偿负序、觅功和谐波电流及讨论象序、无功和谐波补偿 发对戆孚衡方程式；讨瓷了系统弱功率关系帮容墨及容量利焉攀翘蘧；设计 了指令电流的产生方法和有源滤波器的相关控制。程m 棚a b s i m u u n k 仿真环境下对不同供电方式下的系统进行丁建模与仿真。 逶避论文研究，褥到鞋下戆论； 1 仿真证实所提同相供电系统结构及平衡变换原理的正确性和可行性， 在有源滤波器的补馁作用下，能够实时补偿同相供电和采用“v ”型变压器 带来戆负廖闯题，麓时实时兼簇无功帮谐波 偿，不攥要安装努终数蛰偿装 置。 2 由于“v ”激变压器实现三相对称的容量利用率要小于三相变压器， 因此为了充分剥用变压器容量，可以采取在低压侧朴偿无功、谐波，在离掇 翻替偿熊净的方法。 3 把同相供电技术应用乎觚供电方式下是新的研究领域，本文的创新 性就表现在设计了浆用“v ”型变压器的同相a t 供电系统，这不仅适用于离 速电气纯铁路，嚣羹结合了趟供电方式逶信耱护教莱磐，综食经济技术瞧 能优越的特点。 通过本论文中同相供电系统的设计与仿真，对基于有源滤波器的同相供 电系统熬震望寿： 1 随着高速、爨载电气化铁路的发袋蔡求，同相供电无疑是解决现有系 统中分相绝缘器的根本措旌。 2 浆爆有源滤波器实现阉楣供电，虽然露要大蜜量滤波器，僵随着电力 电子技术的e j 益发菇与应丽，籀信这静方案对于高速电气化铁路的发展会霄 其实际的应用价值。 以上是本文主要工作及结论。由于时闻匆忙，作者水平有限，虽然道i 芟 仿真证爨了辑设计系统静正确性移可毒亍瞧，僵律为一个系统，程设计了系统 总体结构后，有很多细节上需舞加以考虑，进一步完蒋。今后工作方向主舞 聪南交邋大举硕士研究生学位论文第5 4 贾 t h e 趟e c t 西c a l 髓a 珏s d o r t a t i 雠s v s t e m s 拍a ta 牌dw i t hl x 2 5 k vo r 2 x 2 5 酬毫b d 溆瑟e c 蛾i o 矗s 擎推t k s 棼s v s l e m s 9 穗黼e 积e 精8 珏e 勰& e c t e c h n i c a lc o n f e r e n c e ，m e d i t e f r a n e a n ，1 s r a e l ，1 9 9 8 ；8 8 5 8 8 7 2 躜n + g o 酗v 强o v ，& c ，h z a 哟 驻，m r o 崩蓝，d a 撼i n d l i v o l 镪g e b a l 毪n 瓤e 痨i i 趣y 忿e a s穗p 洲毒 s y 鞋o m ss 聃辨l y 魄馘i 盛一s p 嚣e d r a i l w a y i e e e p o w e r e n g i n e e r i n g s o c j e t y g e n e r a l m e e t i n g ，2 0 0 5 ：1 6 f 2 9 l 椽摄浅，v 愿接线枣；l 变压嚣戆磺究积疲曩。瞧气纯铁道，2 4 4 ) ：1 2 1 5 f 3 0 】钱立新+ 高速列举模式的选择中潮铁鼯，1 9 9 4 ( 2 ) ；5 9 。 【3 1 l 文潍嫩，张兴绍，谗岗。泰垒岛地区电他铁路颦s 供电方案蛇优化。铁 道标准设计，1 9 9 剐1 1 1 ：3 2 3 4 3 2 】事拣静电力蠢铩滤波器综述。电气开关，2 0 0 4 ( 5 ) ：i 2 一1 5 【3 3 】刘凤嚣d e l t a 逆变技术及其在交流电源中的虚用+ 北京：机械工业如 敝枉，2 3 ：2 1 2 2 ，2 7 3 3 。 f 3 4 l 王箍囊，杨攀，寅进军。谐教撩裁耱茏凌功率於镁兹索梳械王韭港版 社，2 0 0 2 ：2 0 9 2 4 1 ，2 4 5 3 1 1 【3 5 】z h 瓣张w 矗珏g ，q 挂aw a 矬g ，w 酰睡拍鐾as 棼f i e s 觚i 雠p d w e f 毯i l 封 a d o 衅i 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