（电力系统及其自动化专业论文）电气化铁路同相供电技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a bs t r a c t t h eu n b a l a n c e dt h r e ep h a s e s ，r e a c t i v ep o w e ra n dh a r m o n i c sa r et h et e c h n i c c h a r a c t e r i s t i c so ft r a c t i o np o w e r s u p p l ys y s t e mb e c a u s eo fs i n g l ep h a s ea cl o a d p h a s er o t a t i o no ft r a c t i o nt r a n s f o r m e r sa r es e tt or e d u c ei n f l u e n c eo fu n b a l a n c e d t h r e ep h a s e s ，w h i c hc a u s e sd i f f e r e n tv o l t a g e so fe a c hs u p p l ys e c t i o n n e u t r a l s e c t i o n sa r en e c e s s a r y , b u ta r et h ew e a kl i n ko fs u p p l y , a n dl i m i tl o c o m o t i v e c u r r e n tg o ts m o o t ha n dc o n t i n u o u s ，r e s t r i c ti m p r o v e m e n to fr a i l w a yh i g hs p e e d a n do v e rl o a d i n g s oi ti sag r e a tm e a n i n gt os t u d yo nn o v e lt r a c t i o np o w e rs u p p l y s y s t e m st or e s o l v et h e s ep r o b l e m so v e r a l la n de s s e n t i a l l y c o p h a s ep o w e rs u p p l yo fs u b s t a t i o nd o e s n tn e e dp h a s er o t a t i o na n dn e u t r a l s e c t i o n s c o m b i n i n ga c t i v ef i l t e r a n dy n v dc o n n e c t e db a l a n c et r a n s f o r m e r c o n s t r u c t sn o v e lt r a c t i o nc o p h a s ep o w e rs u p p l ys y s t e m s ，w h i c hc a nt h o r o u g h r e s o l v ep r o b l e m sa b o v e b yc o n t r o l l i n gf i l t e rw i t hr e a lt i m ed e t e c t i n gm e t h o d s b a l a n c e st h r e ep h a s e s ，f i l t e rr e a c t i v ea n dh a r m o n i cc u r r e n t s d i f f e r e n ts t r u c t u r e so f c o p h a s es u p p l y a r e d e s i g n e dd u e t ob o o s t e r t r a n s f o r m e r ( b t ) s u p p l y ( o rd i r e c ts u p p l y ) ，a n da u t ot r a n s f o r m e r ( a t ) s u p p l y o n es t r u c t u r eo fu s i n gy n v dc o n n e c t i o nb a l a n c et r a n s f o r m e ra n dt w os i n g l e p h a s ec o n v e r t e ru n d e rd i r e c to rb ts u p p l y , o n es t r u c t u r eo fu s i n gt w os i n g l e p h a s ec o n v e r t e ra n dy n v dc o n n e c t i o nu n d e ra ts u p p l ya r eb o t hr e s e a r c h e da n d s i m u l a t e dd e t a i l e d b a l a n c et r a n s f o r m sa r ed i s c u s s e d ；p o w e rr e l a t i o n s ，c a p a c i t y a n dc a p a c i t ya v a i l a b i l i t yo fs y s t e ma r ea n a l y z e d ；m e t h o d so nd e t e c t i n gr e f e r e n c e c u r r e n t sa n dc o n t r o l l i n gf i l t e r sa r er e s e a r c h e d t h e s et w o p r o p o s e ds y s t e m s a r em o d e l e da n ds i m u l a t e du n d e r m a t l a b s i m u l i n ki nt h i sp a p e r t h ep r o p o s e dc o n f i g u r a t i o n so fc o p h a s e p o w e rs u p p l ys y s t e m s ，c u r r e n t sb a l a n c ec o m p e n s a t i o nm e t h o d s ，c o m p r e h e n s i v e d e t e c t i n gr e f e r e n c ea r ep r o v e dt ob et r u ea n df e a s i b l e k e y w o r d s ：t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m ；s u p p l ym o d e ；c o p h a s ep o w e rs u p p l y ； a c t i v ep o w e rf i l t e r ；y n v dc o n n e c t e dt r a n s f o r m e r 西南交通大学 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 不保密口，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名： 日期： 指导老师签名： 日期： 西南交通大学学位论文创新性声明 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的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 本学位论文的主要创新点如下： 针对电气化铁道牵引供电系统三相严重不平衡造成各供电区段需要用分 相绝缘器分断，从而制约了高速、重载铁路的发展，提出将平衡变换装置和 y n v d 接线平衡变压器两者有机结合，构建新型同相牵引供电系统，仿真了 该同相供电系统方案切实可行性。 西南交通大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 牵引供电系统由牵引变电所和牵引网组成，牵引网由接触网、钢轨、接 地线及有关设备组成。电气化铁道供电系统的基本要求是：保证向电气化 铁路安全、可靠、不间断地供电；提高供电质量，保证必需的电压水平； 提高功率因素，减少电能损失，降低工程投资和运营费用；尽量减少单 相牵引负荷在电力系统中引起的负序电流和高次谐波的影响；尽量减少对 邻近的通信线路的干扰影响【。 1 1 1 牵引变电所 牵引供电系统通过牵引变电所与电力系统相连接。工频单相交流制的牵 引变电所的主要功能是从电力系统接受电能，并以不同的电压向牵引负荷、 区域负荷分配供应电能，主要设备是牵引变压器。由于铁路电力牵引属于一 级负荷，所以牵引变电所须由两路高压输电线供电，并且在牵引变电所中设 置两台牵引变压器。 为适合牵引供电系统高电压、大电流的用电要求，或者减轻牵引供电系 统对电力系统的不对称影响，牵引变电所中的牵引变压器可采用不同方式的 接线。其接线方式有：纯单相接线、单相v ，v 接线、三相v v 接线、三相y n d l l 接线和三相不等容量y n d l l 接线、三相y n d l l ，d l 十字交叉接线、斯科特接 线、星形延边三角形接线平衡变压器、l e b l a n c 接线、w o o d b r i d g e 接线等。 1 1 2牵引供电系统 根据供电能力的大小、接触网架设环境以及电磁兼容要求等条件，为了 减轻对通讯线路的干扰，提高供电回路关于大地的电气对称性，产生了以下 几种供电方式： ( 1 ) 直接供电方式 这种方式的牵引网由接触网和钢轨及吸上线组成。它的主要特点是：牵 引网回路的结果最简单，成本和维修量都少；对通讯线路的干扰较严重；钢 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 轨电位较其他供电方式高。 ( 2 ) b t 供电方式 b t 供电方式即吸流变压器供电方式。它的主要特点是：能大大减轻对 通讯线路的干扰；要设置火花间隙。 ( 3 ) 设置回流线的直接供电方式 这种供电方式抑制通讯干扰的能力主要取决于回流线的布置方式、根数， 横联线的间隔及有无串联补偿等，它保持了直接供电方式结构简单的特点， 还能较好地降低轨道电位，同时回流线故障不会影响正常供电。 ( 4 ) a t 供电方式 a t 供电方式即自耦变压器供电方式。这种方式中要设置绕组匝数啊= n ： 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的电压的2 倍， 机车受电弓上电压与直接供电方式、b t 供电方式相同。a t 供电方式的主要 特点是：牵引供电电压成倍提高，自耦变压器并联接入系统，避免了b t 串 入时的火花间隙对大功率牵引的影响；牵引变电所间距较大；牵引网结构较 复杂，保护和维护的难度也相应提高。 ( 5 ) c c 供电方式 c c 供电方式即同轴电缆供电方式，它分为接触网开口方式和不开口方 式。这种供电方式是沿铁路线路埋设同轴电力电缆，其内部芯线作为供电线 与接触网连接，外部导体作为回流线与钢轨相接，牵引电流和回流几乎全部 经由同轴电力电缆中流过，因此对邻近的通讯线路几乎无干扰。它的特点是 阻抗小，供电距离长，但同轴电力电缆造价高，投资大。 1 2 高速铁路牵引供电系统 1 2 1各国高速铁路牵引供电系统的特点 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 展，许多国家高速铁路的牵引供电系统都有了很大的改进，达到了很高的水 平。最具有代表性的是日本、法国和德国高速铁路的牵引供电系统 1 0 , 1 1 】。 1 日本高速铁路牵引供电系统概况 1 9 6 4 年东海道新干线采用的是b t 供电方式，但b t 方式存在很多问题， 在19 7 2 年山阳新干线正式采用了日本铁研所开发的a t 供电方式，随后，其 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 他新干线均采用a t 供电方式，变电所间隔为6 0 k m ，最大供电电流为2 0 0 0 - 3 0 0 0 a 。1 9 9 1 年开始，东海道新干线全线都改为a t 供电方式。由于分段结构 简单，可靠性高，a t 被定为新干线的标准牵引供电方式。新干线a t 供电方 式的变电所容量在1 0 0 - - 1 5 0 m v a 。供电电压的允许变动范围为：1 9 2 7 5 k v ， 额定值为2 5 k v ，瞬时最低值为1 7 5 k v ，在2 2 5 k v 时列车可不降功率运行。 牵引主变压器采用三相一两相s c o t t 平衡变压器和变形w o o d b r i d g e 变压 器，变压器低压侧不采用断路器，而采用电动隔离开关，馈线断路器采用5 0 备用方式。 为了滤除部分谐波，采用串联电容补偿及由放电间隙套管开关所组成的 谐波抑制装置。为了改善功率因数，设置了并联电容，其容量约6 0 0 0 k v a 单 边，串联抗为1 2 1 3 。为了增强电力供电能力，还在2 5 k v 侧设置了静 止型无功功率补偿装置，进行电压补偿和限制电压波动。对采用s c o t t 接线 的牵引变压器的场合，可以采用单相功率补偿装置，同样达到滤除谐波、抑 制电压波动、改善三相平衡度等作用。近年来铁路研制静止功率调整器 ( r p c ) ，它采用可关断电力电子器件构成一种有源功率变换装置，对于采用 s c o t t 接线的牵引变压器的牵引负荷，可以平衡两供电臂的有功功率、补偿无 功功率、并同时吸收高次谐波电流，该系统已于2 0 0 2 年投入运行，效果良好。 2 法国高速铁路牵引供电系统概况 法国高速铁路牵引变电所主变压器多采用单相变压器，为了便于多个牵 引变电所之间的换相，减少牵引负荷产生的负序对电力系统的影响，将电力 系统三相都引入牵引变电所，通过电动隔离开关控制牵引主变压器实际接入 电力系统的两相相别。有的牵引变电所一条供电臂为a t 供电方式，一条供 电臂为直接供电方式，为了兼顾a t 供电和直接供电，牵引主变压器低压侧 具有中间抽头，中间抽头直接与钢轨相连。牵引变电所用电变压器和并联电 容补偿支路共用一个断路器进行控制。 法国采取的限制不平衡的措施如下： a ) 牵引变电所由2 2 5 k v 或4 0 0 k v 供电，以确保系统连接点有足够的短路 容量。 b ) 所有牵引变电所在接入电力系统时，必须采用轮流换相，使不同变电 所产生的负序电流部分抵消，降低总体的负序电流水平。 c ) 在电力系统薄弱，而电铁大密度运行时，单相运行产生的负序电流会 导致负序超标的变电站，变电所按可以将“单相”与“v 接相互转 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 换设计。 d ) 在牵引变压器低压侧安装滤波及无功补偿装置。 3 德国高速铁路牵引供电系统概况 一 德国铁路电力牵引供电方式为单相交流1 5 k v 、1 6 ；h z ，其牵引主变压器 - j 为单相变压器，所有隔离开关都采用电动隔离开关，牵引变电所低压侧设有 专门检测接触网瞬时性与永久性故障的设备和检测接触网返回电压的设备， 牵引变电所低压侧母线上设有固定的无功补偿装置，低压侧电压互感器不直 接接在母线上，而接在牵引主变压器低压侧断路器的下方【6 j 。 4 意大利高速铁路牵引供电系统概况 意大利接入1 3 2 k v 系统的电力牵引供电系统，其变电所平均设置距离为 5 0 k m ，安装两台6 0 m v a 单相变压器。现有的意大利高速铁路系统，采用e t r 5 0 0 高速列车，采用2 5 k v 、5 0 h z 交流供电系统，供电方式采用的是a t 供电方式。 抑制高速铁路负序的措施，主要是靠牵引变压器接入系统时的轮流换相 来保证。 另外，我国电气化铁路方面，已经改造或即将修建的电气化高速铁路均 采用a t 供电方式；为了提高送电能力，增强负序承受能力，将采用2 2 0 k v 电压向牵引变电所供电。 1 2 2 高速铁路牵引供电系统存在的问题及其解决措施 1 高速铁路牵引供电系统的关键技术有：弓网关系与检测技术；自 动过分相；电能质量与电磁兼容；牵引供电自动化与信息化 1 0 l 。 2 目前高速铁路牵引供电系统存在的主要问题有 1 4 - 1 5 】：高速电气化铁路 具有机车牵引电流大，供电臂中负荷电流波动大等特点。因此，系统中产生 的负序电流会更加严重；电分相的存在，限制了高速铁路机车平滑连续地受 流，电分相环节成了供电的薄弱环节：高速铁路机车交直交传动与交直传动 相比，低次谐波含量减少，但高次谐波的含量会增多，对有线通信会有影响。 3 针对高速铁路牵引供电系统存在的主要问题，从各国高速铁路牵引供 电系统的特点可分析出目前解决这些问题的主要措施【1 2 2 】： ( 1 ) 针对由于单相牵引负荷的随机性和剧烈波动性导致三相电力系统不 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 对称而产生的负序电流，当前主要采取以下几种措施： 采用三相一两相平衡牵引变压器，如阻抗匹配变压器、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v i 负荷完全相 同时，变压器原边三相电流对称。 采用高电压、大容量电源供电，因为高电压、大容量电源系统具有较 强的承受不平衡负荷的能力。 采用不平衡补偿装置，如日本采用单相负荷补偿装置( r p c ) 。 采用换相连接，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。当两个端口的接线角相差9 0 。、三个 端口的接线角分别相差1 2 0 。时，端口负荷作用的结果，将使三相总负序电流 减小。 ( 2 ) 不管采用上述哪种方式，各供电区段需要用电分相绝缘器分隔，即电 分相。针对电分相的存在制约高速、重载铁路发展的问题，采取了以下措施 【9 l ： 采用机车自动过电分相装置：它可以减少电分相对高速运行的影响。 国外自动过分相装置包括车上方式、地面方式和柱上方式。 减少或取消电分相。它有以下几种途径：采用a t 供电方式，增大牵 引变电所间距，减少分相点：采用单相变压器供电，取消变电所出口处的电 分相：变电所采用同相供电，取消变电所出口及所间电分相。 ( 3 ) 解决谐波问题的措施： 在牵引变电所牵引侧装设并联电容补偿装置。 减少谐波电流的发生量，变流器实行多脉冲化是一种行之有效的措 施，不但使谐波的次数减少，而且使谐波电流含量也大大减少，从而使流入 电力系统的谐波电流也大为减少。 在电力机车上加装并联补偿滤波装置。 电力系统增容、调整运行方式等。 1 3 同相供电技术的研究现状 1 3 1 同相供电技术研究的意义 解决高速铁路牵引供电系统中负序、“电分相”、谐波等问题的理想办法 是同相供电系统【卜5 j 。同相供电系统指全线用同一相位的单相供电，更理想的 是在同一线路或局界内贯通，最大限度地避免电分相，从而有利于重载和高 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 速牵引。同相供电系统的基本构成如图1 1 所示。图中船。、船：和髓，为同 相供电牵引变电所，它由主变压器和平衡变换装置( 即s c ) 组成。平衡变换 装置可采用无源网络( 电容、电感) 构成，也可以由有源补偿设备构成，其 作用是消除系统不平衡，滤除谐波并补偿无功。鄙、皿为分段断路器，并 根据需要断开或闭合分段断路器，实现单边或多边或贯通式供电。同相供电 系统的优点有： 图卜1i 司相供电系统不意图 1 由于对称补偿装置作用，可以完全消除系统不平衡，滤除部分谐波并补偿 无功。使变化剧烈、含有大量谐波、低功率因数的不对称单相牵引负荷， 对电力系统而言仅相当于一个纯阻性的三相对称负荷。 2 可以最大限度地提高变压器容量的利用率，常规的供电系统除单相变压器 外，无论是y n d l l 接变压器，还是平衡变压器在实际中其容量都不能得 到充分利用。 3 各变电所结构和接线完全相同，一次系统不存在换相连接，牵引侧各供电 臂电压相同，从而可取消分相绝缘器，省去自动过分相装置，消除了高速 列车过电分相所存在的安全隐患，适宜高速铁路运行，同时由于各变电所 结构和接线完全相同，便于运行维护。 4 供电的灵活性和可靠性提高，可根据要求断开或闭合分段断路器，实现单 边或多边或贯通式供电，使牵引网电压损失和功率损失降低。 1 3 2同相供电技术研究进展 高速铁路中负荷波动加大，变电所单相供电且不换相的特点，使得负序 问题更加严重，因此研究同相供电技术的关键是三相一单相对称补偿。在补 偿装置的作用下，实现三相平衡。同相供电系统的实现方法主要有两类：一 是采用无源对称补偿技术实现；二是基于有源补偿技术实现。 1 采用对称补偿技术构成的同相供电系统【叶8 ，】 借助并联无功补偿( p r c ) 或并联电容补偿( p c c ) 来消除或削弱单相负荷 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 产生的负序电流，同时兼备无功补偿，从而实现同相供引引。 y n d l l 接线三相一单相系统的对称补偿：这种补偿装置容量利用率较低， 需要在3 个端口设置补偿装置，不能输出与相邻的单相变压器变电所同相 位的电压。 特殊接线实现三相一单相对称补偿系统：采用特殊接线方式完成三相一单 相对称补偿，有两个目的，一是寻求无功、负序完备补偿的最简方式和最 小容量，二是能与单相接线牵引变压器相配合，实现同相供电，以期尽可 能利用电力系统承受负序的能力，简化整个系统。 2 采用有源补偿装置构成的同相供电系统 采用有源补偿装置构成的同相供电系统原理见图1 2 所示，s s 为牵引 变电所，a p f 为有源滤波器，t 为接触网，r 为轨道。目前关于这类使用有 源滤波器的补偿技术已经有了大量的研究【，：q 习，因为它具有补偿时动态相应 速度快，精度高的特点，而且随着电力电子的大量发展与应用，此种方法具 有一定的实用价值。基于这种原因，考虑到上述第一种对称补偿方法的缺点， 文献 2 2 2 4 中研究了采用有源滤波器实现同相供电的方案。 ab c 图1 - 2 基于有源滤波器的同相供电系统示意图 这种同相供电方案中，有源补偿装置的核心部分是有源滤波器，它由补 偿电流生成电路、电流跟踪控制电路和主电路( 包括驱动电路) 构成。补偿 电流生成电路的核心是检测出补偿对象电流中谐波、无功和不平衡电流等分 量，故也称为补偿电流检测电流。电流跟踪控制电路的作用是根据补偿电流 生成电路指令信号产生相应的p w m 控制脉冲。主电路主要是由三相变流器 构成。工作原理是，检测补偿对象的电压和电流，经补偿电流生成电路得到 补偿电流指令信号，再经电流跟踪控制电路产生p w m 控制脉冲，通过驱动 电路控制主电路产生补偿对象所需要的综合补偿电流。 此同相供电系统的工作原理是：当有源滤波器提供负载所需的基波无功 电流、负序电流和谐波电流时，电源仅提供负载所需的基波有功电流，该电 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 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，系统达到了同相供电及平衡变换的目的。 目前基于有源滤波器的同相供电方案的研究有： ( 1 ) 牵引变电所采用y n d l l 接线的同相供电 2 4 1 该系统平衡变换装置为一个三相变流器，通过三相变压器使该变流器与 变电所三个输出端口连接。滤波器控制方面，采用三相关联的边带电流控制 策略控制滤波器。但该系统的所用的滤波器指令电流的检测需要积分一个周 期才能得到，动态响应速度低，在电流波形突变的情况下不能快速得到检测 结果，而且此变压器接线比较复杂些，其容量也不能得到充分利用。 ( 2 ) 牵引变电所采用s c o t t 接线的同相供电 2 2 】 该系统平衡变换装置为两个共同使用一直流环节的单相变流器，通过两 个单相变压器分别使这两个单相变流器与牵引变电所连接。滤波器控制方面， 在一个电源周期内对负荷电压和电流进行运算并积分得到有功功率，从而进 一步得到滤波器指令电流，利用单极性的优化边带控制法控制滤波器输出相 应的补偿电流。 ( 3 ) 牵引变电所采用阻抗匹配平衡变压器的同相供电【2 3 】 该系统平衡变换装置结构和滤波器控制策略与上述采用s c o t t 接线的同 相供电系统相同。 方案( 2 ) 和方案( 3 ) 的缺点是只适用于直接供电或b t 供电方式中，不适 用于高速电气化铁路中常采用的a t 供电方式，而且制造难度比较大，造价 高【3 6 t 3 7 1 。 ( 4 ) 牵引变电所采用“v 型变压器的同相供电 该系统中在直接供电或b t 供电方式下基于v ，v 接线变压器的同相供电， 其平衡变换装置采用三相变流器；在a t 供电方式下基于v ，x 接线变压器的同 相供电，其平衡变换装置采用两个背靠背的单相变流器。 1 4本文研究的内容与意义 本课题研究的是高速铁路的同相供电系统，针对电气化铁路中的直接供 电( 或b t 供电方式) 和a t 供电方式，分别设计不同的同相供电方案。在分析 了国内外电气化铁路常用的牵引变压器类型后，选择了不等边y n v d 特殊接 线变压器。 y n v d 接线平衡变压器，具有结构简单、性能优良、便于设计和制造等 特点。它可满足铁道a t 供电系统对牵引变压器的各种要求：一次侧中性点 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 可直接接地，二次侧两输出回路无电气联系，不需人为地阻抗匹配即可获得 满意的输入、输出特性。由于该变压器有三角形接线绕组，为励磁电流的三 次谐波提供了通路，因此该绕组较好地改善了电势的波形。 文中将设计在不同供电方式下采用y n v d 接线变压器的同相供电方案， 研究在直接供电或b t 供电方式和a t 供电方式下基于y n v d 接线变压器的同 相供电系统，其平衡变换装置采用两单相变流器共用一套直流电源“背靠背 连接而成。 文中将具体研究不同供电方式下系统总体结构的特点，和同一供电方式 下不同的系统结构：针对所选择的同相供电方案，分析了系统的平衡变换原 理，包括完全滤除负序、无功和谐波的完全平衡变换，和考虑负序、无功及 谐波补偿度的一般平衡变换；分析平衡变换条件下的系统指令电流与负载电 流的系统内部的功率关系、各种设备容量及容量利用率问题。文中分析了所 采用y n v d 接线变压器的工作原理以及滤波器控制方法。 本文所研究的同相供电技术实现的关键是平衡变换装置中有源滤波器指 令电流的生成和其控制，以补偿负载基波负序电流，无功电流和谐波电流。 因此，指令电流的检测关系到补偿的动态性和精确性。文中要研究同相供电 技术指令电流的生成方法，该方法把平衡变换条件与常用的有功电流分离法 和瞬时无功功率理论法有很好的结合，能构实现平衡变换要求。 为了寻求无功、负序完备补偿的最简方式和最小容量，实现同相供电， 牵引变压器采用不等边y n v d 特殊接线。基于有源滤波器的平衡变换技术， 不仅能达到三相平衡供电的目的，而且能动态补偿谐波和无功，是较理想的 新型牵引供电系统方案。 本课题研究的是基于y n v d 接线变压器的同相供电联接，而且在两种不 同的供电方式下设计不同的供电方案，这将为我国在建设高速铁路供电系统 改善三相不平衡状况提供一个新的思路。 本课题设计出的同相供电系统，在完全补偿条件下进行仿真。用m a t l a b s i m u l i n k 中的电力系统仿真元件库对系统建模并仿真来验证它的可行 性。仿真结果验证了新型同相供电方案的正确性和可行性，它不仅能够满足 高速、重载机车运行的要求，取消电分相，而且三相平衡，谐波和无功问题 都能同时按要求改善，不需要另外设置补偿器。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章新型同相供电系统 2 1 既有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。其中s s 为牵引变电所，n s 为分相绝缘器，t 为接触网，r 为轨 道，f 为正馈线，a t 为自耦变压器。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 图2 - 1 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 - 2a t 供电方式下的原牵引供电系统结构图 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，惰性运行到下一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。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 ( 2 ) 牵引负荷为变化频繁的单相交流负荷，它在电力系统中产生负序电 流，造成三相严重不平衡。电气化铁路中一般将各相邻变电所牵引变压器的 原边各端子轮换接入电力系统的不同相，称为换相联接。采用换相联接虽然 可以改善三相负载不平衡状况，但由于牵引负荷在空间和时间分布上的随机 性，使得由此对三相不平衡的改善程度是极其有限的。 ( 3 ) 在高速、重载牵引下，电气化铁道对电力系统负序、谐波和无功的影 响将更大。如果在高速、重载的牵引系统中仍采用异相供电，在变电所内采 用常规方法综合补偿这些负序、无功和谐波，那么无论在经济上还是技术上 都困难重重1 1 6 】。 因此，取消电分相，实行同相供电，通过平衡变换实现三相平衡，补偿 无功和谐波，更有利于高速、重载铁路的发展。 2 2同相牵引供电系统的结构 同相供电系统中的每个变电所均采用单相供电，原边相位不再轮换，牵 引变电所和分区亭处接触网中可取消分相绝缘器，代之以分段绝缘器。文献 1 7 中分析了设置分段绝缘器的必要性，主要原因是：牵引供电系统对电力 系统的潮流分布、继电保护等产生影响；电能计量和电费结算方式的影响； 方便检修、故障隔离等。 图2 - 3 直接供电或b t 供电方式下的同相供电系统结构图 直接供电或b t 供电方式下的同相供电系统总体结构如图2 3 所示。经 过牵引变电所，l1 0 k v 三相电力系统变为单相2 7 5 k v 牵引电压供给电力机车。 所有变电所输出电压的相位相同。由于要对电力系统侧进行平衡补偿，兼谐 波、无功补偿，因此在变电所内安装平衡变换装置b c d ( 简称平衡器) 。图 西南交通大学硕士研究生学位论文第12 页 2 - 4 表示a t 供电方式下的同相供电系统总体结构图，其中自耦变压器的变比 为1 ：1 。经由牵引变电所，l1 0 k v 三相电力系统变为2 x2 7 5 k v 系统，变电所 出线端分别接至接触网( t ) 、轨道( r ) 和正馈线( f ) 。正馈线和接触网之间的 电压为5 5 k v ，接触网和轨道之间的电压为2 7 5 k v 。所有变电所输出电压的相 位均相同。同样地，为了使电力系统侧具有三相平衡的特点，在牵引变电所 内安装平衡变换装置。 1 1 一 t ltlii iilliil1 l 睁ll 曲l匣悃i 丌 刚il i s p 2 l 甫lol目 图2 4a t 供电方式f 的同相供电系统结构图 以上两类供电系统具备的特点是： ( 1 ) 牵引变电所馈线出口处电分相取消，为不影响既有二次侧主接线模式 和馈线保护配置整定方法，可用普通4 跨绝缘锚段关节或分段绝缘器取代； 当分区所两端的压差不足以产生影响时，分区所处的电分相亦可由简单的分 段绝缘器取代。列车在全线实现不断电运行，有利于高速和重载运输。 ( 2 ) 从下一章对平衡变换原理的分析中可知，此系统设计的技术指标能够 达到：负序电流方面，按照要求消除负序电流；谐波补偿方面，按照要求补 偿牵引负荷电流存在的谐波；无功补偿方面，能按要求进行无功电流的补偿。 ( 3 ) 全线采用同相供电后，牵引变电所结构相同，便于维修和管理。 以上讨论的同相供电系统方案，由于采用的供电方式的不同，导致系统 总体结构有所不同，尤其体现在牵引变电所结构方面。下一章将对牵引变电 所结构及其工作原理进行详细分析。两类系统都能实现同相供电，因此系统 的本质区别在于供电方式的不同上。需要说明的是，与直接供电或b t 供电 方式相比，a t 供电方式具有许多优点 1 , 7 , 3 9 】： ( 1 ) 无需提高牵引网的绝缘水平即可将供电电压提高一倍。 ( 2 ) 在相同的牵引负荷条件下，接触悬挂和正馈线中的电流大致可减少一 半。a t 供电方式牵引网单位阻抗约为b t 供电方式牵引网单位阻抗的1 4 左 右，从而提高了牵引网的供电能力，大大减小了牵引网的电压损失和电能损 失。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 ( 3 ) 牵引变电所的间距可增大到9 0 1 0 0 k m ，不但变电所需要的数量可以减 少，而且相应的外部高压输电线数量也可以减少，还有利于选择既方便运营 管理又缩短外部高压输电线长度的变电所位置。 ( 4 ) 由于a t 供电方式无需在a t 处将接触悬挂实行电分段，故牵引重载 列车运行的高速度、大电流电力机车通过a t 处时，受电弓上不存在产生强 烈电弧而使接触线和受电弓烧损严重的问题，能满足高速、重载列车运输的 需要。 ( 5 ) a t 供电方式对邻近通信线的综合防护效果与b t 供电方式相当。 2 3 牵引变压器的选择及其平衡原理 2 3 1牵引变压器的选择 牵引变电所变压器接线方式有很多【1 ，s 1 ，但在实际应用中使用最多的是单 相接线变压器、单相v v 接线型变压器、s c o t t 接线变压器以及y n d l1 接线 变压器。它们各自的特点是： ( 1 ) 单相接线变压器的容量利用率高，主接线简单，设备少，投资省，但 不能供应地区和牵引变电所三相负荷用电，对电力系统的负序影响最大，对 接触网的供电不能实现两边供电。 ( 2 ) 单相v v 接线型变压器的容量利用率很高，主接线简单，在正常运行 时牵引侧保持三相，可供应变电所自用电和地区三相负载，对电力系统的负 序影响比单相接线小，对接触网的供电可实现两边供电。它的缺点是当一台 牵引变压器故障时，另一台必须跨相供电，即兼供左右两边供电臂的牵引网， 这就需要一个倒闸过程，这样就会影响行车。 ( 3 ) s c o t t 接线变压器的原边三相电流对称，变压器容量可全部利用，能供 应牵引变电所自用电和站区三相电力，对接触网的供电可实现两边供电，其 缺点是中性点不能接地，制造难度较大，绝缘水平要采用全绝缘，造价较高， 变电所主接线复杂，设备较多，工程投资也较多，维护、检修工作量和相应 的费用也有所增加。 ( 4 ) y n d l l 接线变压器的低压侧能保持三相，原边中性点可以接地，但其 容量不能得到充分利用，与采用的单相接线牵引变压器的牵引变电所相比， 主接线要复杂些，维护、检修工作量及相应的费用也有所增加。 本文所选择的牵引变压器是y n v d 接线平衡变压器【引。这种平衡变压器结 构简单，设计制造方便，性能优越，具有很好的实用价值。这种平衡变压器兼 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 有斯科特与阻抗匹配平衡变压器二者的优点：既与阻抗匹配平衡变压器一样， 高压侧中性点可以直接接地，适合于我国1 1 0 k v 及以上高压输电系统中性点的 运行方式，并可降低绝缘制造成本；低压侧具有三角形接线绕组，能构成激 磁电流三次谐波分量的通路，改善了电势波形；又具有斯科特平衡变压器的 特点，即低压侧两相之间等效解耦，能构成电气化铁路的高电压、大容量、 远距离的a t 供电方式( 并且如果牵引变电所接于2 2 0 k v 系统，则主变压器原边 中性点必须接地，此时斯科特平衡变压器也不适用) 。 除此以外，y n v d 接线平衡变压器绕组数目较少，阻抗匹配关系容易得到 满足，使得制造工艺简单，可以很方便地在低压侧三角形接线绕组中引出分 接头，抽出所需要的三相对称电压，作为变电所所用电源或接滤波器及功率 因数补偿电容，实现平衡变压器的特殊功能。缺点是次边的绕组容量利用率 很低。 适合本文设计方案的y n v d 平衡变压器的接线方式有以下两种，如图2 5 所示： a bc c 图2 - 5 直接供电方式下的变压器接线 图2 5 是用于直接供电方式下的y n v d 平衡变压器的接线，其中a c 端接到 负载，b c 端接平衡变换装置。图2 6 是用于a t 供电方式下的y n v d 平衡变压器 的三种接线方式。图2 - 6 ( a ) 中1 、2 和3 端分别接到接触网、轨道和正馈线上， 4 和5 端接到平衡变换装置上，c 2 端要装设一台带中点抽头的自耦变压器。图 2 - 6 ( b ) 中1 、2 和3 端分别接到接触网、轨道和正馈线上，4 和5 端接到平衡变换 装置上。图2 - 6 ( c ) 中3 、4 和5 端分别接到接触网、轨道和正馈线上，1 和2 端接 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 到平衡变换装置上。 b a ( a ) 变压器接线方式1 ( b ) 变压器接线方式2 c ( c ) 变压器接线方式3 图2 - 6a t 供电方式下不同的变压器接线 2 3 2 y n v d 接线平衡变压器的结构和工作原理 1 y n v d 接线平衡变压器的结构 z o 吲l y n v d 平衡变压器的接线如图2 7 所示。图中、和组成一次侧三 相绕组；w o 。和睨。组成二次侧q 相；呒2 、呢：和形：组成二次侧b 相。变压 器采用三柱等截面铁心。各绕组的匝数关系为j | ；f = 呢= 彪= 呀；兄严昵严膨产兄，； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 坭，= 昵，= 昵m 在实际变压器中，既、呒。和呒2 绕在a 相心柱上；和：绕 在b 相心柱上；、形。和吸：绕在c 相心柱上。 2 y n v d 接线平衡变压器的基本关系 根据平衡变压器的工作原理：当三相变换为二相时，绕组接线应使二次 侧二相输出电压幅值相等、相位垂直，据此取= j 皖，电压比k = 钐么， 图2 7y n v d 平衡变压器的接线图 则按图2 7 所示，接线的二次侧二相电压间为= 虬，= ，虬= 的 关系。当负荷电流大范围变化时，阻抗匹配应使一次侧三相电流仍保护平衡。 为此，对二次侧1 3 相做三角形接线的绕组，按阻抗匹配要求的等值阻抗关系为 z 赢：= ：= z 2 ，z 磊：= 弛，入称为阻抗匹配系数，令a - 1 。按磁势平衡原理， 两侧的电流变换关系为： ll 3 3 o 三 3 ll 3 3 ( 2 1 ) 阱去障圣讳1u 翻 ( 2 2 ) 纠= 去l 至兰1 阻2 ， l 3 3 3j l vcj 一k = 1j 口 c ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 足平衡变压器的运行条件。当两相负荷电流对称时，即厶= 儿，一次侧三相 电流是对称的；当l 8 时，一次侧三相电流将失去对称性，但一次侧始终 无零序分量。如果要使一次侧三相电流保持对称，就应对变压器各绕组间的 阻抗关系提出严格要求：即当二次侧两相绕组对称短路时，阻抗关系应保证 一次侧三相输入阻抗平衡；反之，当一次侧三相绕组对称短路时，阻抗关系 也应保持二次侧二相的输入阻抗平衡。 3 平衡分析原理与变压器基本方程 如图2 8 所示的三绕组变压器，设全部绕组已归算至同一匝数，但在方程 式中归算值均用不带撇的符号表示。依三绕组变压器理论，可得如下方程： i t 1 2 图2 - 8 三绕组变压器的原理图 u 一呸= 毛一l z 2 u l u 3 = i i z l 1 3 2 3 忽略励磁电流，磁势方程为： i i + 1 2 + i 产0 根据上述原理，在图2 7 所示的变压器中，同一铁心柱上各绕组的同名端 以箭头标注，各绕组的电压、电流、阻抗等已归算至一次侧绕组匝数，但归 算值不带撇号。各绕组的等值阻抗用z 么、z 艺。表示，各对绕组的短路阻 抗用乙训、乙。4 2 表示。因b 相特殊，a 相、c 相对称，故有z 黝= z w c ， z w o l = z 臃l ，z 赢2 = z w c 2 ，于是得方程组： 乩一虬= l z 删一厶。 ( 2 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 一虬2 = i a z 黝一l 2 z 耽2 一g 0 2 = i b z 时一厶2 z 肋2 u c v c i = i c z 叭一ic l z 盹1 一v c 2 = i c z 删一t 2 z 耽2 忽略励磁电流，磁势方程为： ( 2 - 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 - 8 ) 4 输入阻抗平衡分析 设平衡变压器的二次侧绕组两相对称短路，由k v l 定律得： g o l 一虬l20 (2-9) l 。= 一l u s 2 = 0 虬2 + 址2 = 0 ( 2 1 0 ) i s 2 = _ 2 l 2 = 一2 i c 2 根据方程组，并结合式( 2 8 ) 、式( 2 - - 9 ) 中的关系，可得如下结果： 式( 2 3 ) 一式( 2 6 ) ： 叽一= - 2 1 ( z 黝+ 毛i ) ( 2 11 ) 式( 2 4 ) + 式( 2 7 ) ： u + u c = - 2 i , 2 ( z 删+ z 耽2 ) ( 2 1 2 ) 式( 2 1 1 ) + 式( 2 1 2 ) ： 2 【，一= - 2 1 2 ( z 删+ z 耽2 ) - 2 i ( z 黝+ z 耽。) ( 2 1 3 ) 令 则 故得a 相输入阻抗 z 删+ z 胁l = z 删+ z 肋2 叽= l