（电力系统及其自动化专业论文）基于ynλ接线变压器构成的同相供电技术研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h es i n g l e p h a s ea ct r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mh a st h ep r o b l e m so fh e a v y u n b a l a n c e dt h r e ep h a s e ，h a r m o n i c sa n dr e a c t i v ep o w e r , w h i c hw i l lc a u s e t h e a s y m m e t r ya n dw a v e f o r md i s t o r t i o no fp o w e rs y s t e mc u r r e n t a n dc a u s et h ed e c l i n e o fp o w e rq u a l i t y , s e r i o u s l yt h r e a tt ot h es t a b l ea n ds e c u r eo p e r a t i o no fp o w e rs y s t e m ， r e s u l t i n gi ns e r i o u se c o n o m i cl o s s e s 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 t t or e d u c ei n f l u e n c eo fu n b a l a n c e dt 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 f e a c hs u p p l ys e c t i o n n e u t r a ls e c t i o n sa l en e c e s s a r y , w h i c hr e s t r i c ti m p r o v e m e n to f r a i l w a yh i g hs p e e da 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 nr a i l w a y t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e ma b o u tp o w e r s u p p l ys y s t e m st or e s o l v et h e s ep r o b l e m s an e wt y p eo ft r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mc 锄b eb u i l di nt h i sa r t i c l e ，w h i c h c o m b i n ea c t i v ep o w e rf i l t e ra n dy n ac o n n e c t i o nt r a n s f o r m e rt os o l v et h ep r o b l e m i nt h et h r e e - p h a s eu n b a l a n c e dl o a d , r e a c t i v ea n dh a r m o n i ci s s u e s d i f f e r e n ts t r u c t u r e so fc o p h a s es u p p l ya r es t u d i e dd u et od i r e c ts u p p l ya n da u t o t r a n s f o r m e r ( a ds u p p l y t h a ti st h ec o p h a s ep o w e rs u p p l ys y s t e mc o n s i s t e db yy n ， 九c o n n e c t i o nt r a n s f o r m e r t h ep r i n c i p l eo fb a l a n c et r a n s f o r m sa l ed i s c u s s e d ，t h e n a n a l y s i so fr e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ea c t i v e f i l t e rc u r r e n ta n dl o a dc u r r e n t t h e b a l a n c eo fr e l a t i o n sa l ea n a l y z e db e t w e e nf u l l yc o m p e n s a t e da n dc o m p e n s a t i o no f c o n s i d e r e di nc o m p l e t en e g a t i v e 、r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nl e v e l ，a n dt h es y s t e m p o w e r r e l a t i o n sa n di s s u e so fc a p a c i t yu t i l i z a t i o na l ea n a l y z e d m e t h o d so nd e t e c t i n g r e f e r e n c ec 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 es y s t e m sa r em o d e l e da n ds i m u l a t e du n d e rm a t l a b s i m u l i n ki nt h i s a r t i c l e t h r o u g hd e t e c tt h er e a l - t i m ec o m p e n s a t i o nc u r r e n t s ，c o n t r o lt h eo u t p u to f a c t i v ef i l t e r , b a l a n c e dt h r e e - p h a s e ，a tt h es a n l et i m e ，a n dc o m p e n s a t eh a r m o n i c sa n d r e a c t i v ep o w 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 ep 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 ed e t e c t i n gr e f e r e n c ea r e p r o v e dt ot r u ea n df e a s i b l e k e yw 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 ；c o p h a s ep o w e rs u p p l y ；a c t i v ef i l t e r s ； c o m p r e h e n s i v ec o m p e n s a t i o n ；y n ，九c o n n e c t i o nt 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 不保密影使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“ ) 学位论文作者签名罗广彰 醐：川z 穸。 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。 叼7 荡 了甜7 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 目前，我国电气化铁路遍布全国，到2 0 0 7 年底，中国铁路营业里程达 7 7 9 6 5 9 公里，居亚洲第一位；到2 0 1 0 年年底，中国铁路营运里程将超过9 0 0 0 0 公里 4 9 1 。面对我国高速铁路建设高潮，迫切需要加强高速铁路技术方面的研究。 电气化铁道具有速度快、运输能力强，能源利用效率高及有利于环境保护等优 点，是我国铁路发展的方向。作为高速铁路的重要组成部分痒引供电系统 是牵引负荷的动力来源，其供电质量优劣，将对高速铁路安全、可靠、经济运 行产生重大影响。但是电力机车作为牵引供电系统的主要谐波源，其用电存在 着单相、非线性、冲击性、波动性及功率因数低、谐波电流大的特点，当谐波 和无功大量注入电网，会引起电压闪变、频率不稳定、设备损坏，特别是电网 系统容量较小时，这种影响更大。因此研究并解决这些问题，建立适合高速铁 路运行的新型牵引供电系统不仅必要且有很重要的意义【1 。2 1 。 1 1 电气化铁道牵引供电系统存在的问题 1 1 1 电气化铁道供电系统电能质量 ( 1 ) 电气化铁道电能质量存在的问题 牵引负荷具有功率因数低、谐波含量高、负载不平衡的特点，谐波、无功 和负序是电气化铁道电能质量的主要问题，它们对公用电网及牵引供电系统本 身带来了严重的危害。 当牵引负荷采用交直传动的相控机车时，负载电流含有大量谐波，各次谐 波的含有率是随机函数，机车分带功率因数补偿装置( p f c ) 和不带p f c 装置 两种类型，其特征谐波为3 、5 、7 次，随着谐波次数的增大，谐波含有率快速 递减刚。 整流电力机车是一个随机变化的感性负载，其基波电流滞后电压一定的角 度；由于变压器、牵引电机等设备的非线性，以及电力电子器件的非线性调节 作用，使得机车电流中包含大量的谐波成分，该谐波成分在三相供电系统中的 分布是不对称的，由于牵引负载的功率大、空间和时间分布随机性强、三相不 对称，使其成为电力系统的一个主要无功源和谐波源。 牵引供电系统功率因数低，会使牵引变压器、接触网以及其它电气设备的 容量增加，变压器和牵引网的电压降加大，设备和线路的损耗增加。负序电流 西南交通大学硕士研究生学位论文。第2 页 除产生无功功率，具有无功功率的上述危害外，对电力系统和用户还造成影响。 ( 2 ) 针对电能质量问题所采取的措施 电气化铁道在解决谐波污染的问题时，国外主要从3 种途径进行治理：改造 机车结构或直接在机车上装设滤波器等补偿装置；在牵引变电所装设补偿装置， 上世纪9 0 年代日本、欧洲等开始采用无源静态和有源动态补偿器相结合的综合 补偿方案；电力系统变电站集中进行综合的电能质量改善，如日本的新干线肺例。 欧美一些国家对电气化铁道电能质量的治理措施主要包括优化牵引供电方 式技术和安装无功补偿装置技术两大类。欧洲大陆如德国、奥地利、瑞士等采 用1 6 7 h z 的供电频率，通过专门的供电系统为铁路供电；或采用背靠背的变频 站供电方式，在变电所内实现交一直一交变压变频，电网侧三相变流器的负荷 为中间直流环节，可以提供良好的三相对称性n 引。 我国现阶段主要采用的两种方法：一种是装设谐波补偿装置来补偿谐波， 这对各种谐波都是适用的；一种是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生 谐波，且功率因数可控制为l ，这只适用于作为主要谐波源的电力电子装置脚。 装设谐波补偿装置的传统方法就是采用l c 调谐滤波器。这种方法既可以补 偿谐波，又可以补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用。但是它的主 要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态的影响，容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。而且它只能补偿固定频率的谐波， 补偿效果也不甚理想。 采用s v c 对注入系统的无功进行调节，国内如株洲变流技术国家工程研究 中心研制的t c r 型静止动态无功补偿装置也投入了实际的应用例。我国电气化 铁道采用s v c 进行补偿，在经济和技术上较为可行，s v c 能够较灵活的实现无 功补偿，但由于其本质是无源电力滤波器，相比有源电力滤波器有一些难以克 服的缺陷，可能与系统发生谐振，滤波器的频偏也会对滤波效果产生影响。s v c 对谐波的抑制有限，且不能有效改善负序。针对负序，国内主要采用相序轮换 法及平衡变压器接线方式进行治理。 国内外对采用有源滤波器治理牵引供电系统电能质量的污染问题有大量的 研究，取得了一定的成果m n l ，但大都集中在谐波和无功问题上，变电所两供电 臂电流通常独立进行补偿，对反映至三相侧的负序电流没有进行有效的治理。 1 1 2 通信干扰问题 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 交流电气化铁路牵引供电系统为单相不对称系统，当三相电力系统对其供 电时，电力系统中引起负序电流，同时电力机车产生的高次谐波进入电力系统， 这些电流对电力系统的运行产生不良影响，当牵引电流流过接触网时，通过电 容耦合、电磁感应及传导耦合，在接触网周围产生电场和磁场，对周围的通信 线路产生危险和干扰，甚至威胁到通信设备和人员的安全。 针对通信干扰对电气化铁道的影响，必须采取一定的防护措施，保证通信 线路正常工作和人员设备安全，要求架空明线应远离电气化铁道l k m 以上。如 果距离达不到要求，必须采取有效的防护措施。根据牵引供电方式不同，牵引 供电系统主要有直接供电、b t 供电和a t 供电三种供电方式，因而可以采取以 下几种措施【3 】： ( 1 ) 直接供电方式：直接供电方式的牵引网仅由接触网、钢轨和吸上线组 成，即在接触网支柱上仅架设一条与钢轨并联的导线，使钢轨中的电流尽可能 经由回流线流回牵引变电所。该方式牵引网结构简单，经济性好，但其防护效 果不如a t 供电方式和b t 供电方式，因而主要用在对通信干扰要求不高的场合。 ( 2 ) 吸流变压器( b t ) 方式：在牵引网中架设吸流变压器，使牵引电流 沿回流线回牵引变电所而不经过轨道和大地，从而使得牵引电流在邻近的通信 线路中的影响大大减弱。由于沿线路每隔一定距离就要设置一台吸流变压器， 因此导致牵引网阻抗增大。该方式存在半段效应，电力机车受电弓与接触线间 产生的电弧很强，可能烧毁接触线和电力机车受电弓滑板。特别在高速列车和 大负荷电流条件下，这种影响更为严重，因此该供电方式的应用受到了很大的 限制。 ( 3 ) 自耦变压器( 灯) 方式：由接触网、钢轨、正馈线和a t 组成供电回 路，有效地减弱对通信线的电磁影响。该方式的缺点是变电所接线复杂，使用 变压器数量多，投资和维护费用高。 ( 4 ) 同轴电力电缆方式：利用电缆的内导体作为正馈线，与接触网相连接； 电缆的外导体作为回流线，与钢轨连接，改善供电回路内的对称性。该方式由 于造价高，实际系统中应用较少。 1 1 3 过电分相问题 为了减轻系统三相不平衡状况，电气化铁道各变电所依次轮换接入不同相 别，称为“换相联接。换相联接后任意3 个异相供电臂都有相同负荷时，系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 总负序电流为零，但这种情况在实际运行中几乎不存在，多数情况下3 个异相 供电臂负荷显著不同，由此换相联接对三相不平衡改善程度受到限制。此外换 相联接后各供电区必须用分相绝缘器分隔，而分相绝缘器的存在使电力机车安 全平稳通过存在较大隐患，制约了高速、重载铁路的发展【5 l i 。过电分相对整流 器和牵引电机系统影响不大，对变压器和辅助电机系统影响较大。 1 2 同相供电技术的研究现状 同相供电就是在论及区段上各牵引臂均由同一电压供电，由分区所处断路 器的分、合状态，可以实现单边或双边( 多边) 贯通式供电1 1 2 1 。理论上，全线 各牵引变电所采用单相变压器就可以实现同相供电。由于交流电气化铁路牵引 负荷为变化频繁的单相负荷，它将在电力系统中产生较大的负序电流，造成三 相严重不平衡。无论采用哪一种接线方式，都将导致三相电力系统不对称而产 生负序电流，而负序电流对电力系统的危害和影响是十分严重的。因此，同相 供电的关键技术就是在牵引变电所实现三相一单相对称变换。目前最合理和先 进的技术方案是采用平衡变压器和潮流控制器( p f c ) 。在补偿装置的作用下， 实现平衡变换。 目前我国的同相供电技术研究主要有无源对称补偿技术和有源滤波技术： 采用以无源对称补偿技术为核心的同相供电系统，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产生的负序电流，同时兼顾补偿无 功与谐波，实现同相供电，有可能最大限度地取消电分相环节，并使牵引变电所 负序、功率因数、网压指标得以综合解决或改善。无源对称补偿术实现的同相 供电方案具有简单、经济、可靠、容易实现等优点。但是它仍然存在一些问题： 采用常规变压器无法使这种补偿装置产生的负序电流与牵引负荷产生的负序电 流反向共线，这将导致补偿装置的容量浪费，所以为实现最佳补偿必须采用特 殊接线方式变压器；尽管采用特殊接线方式的变压器在理论上能够达到最佳补 偿的要求，但是由于条件要求苛刻，实际中难以达到理想的效果。基于有源滤 波器的同相供电方案的研究已有大量的文献资料，下面分别简要说明： ( 1 ) y n ，d 1 1 接线式变压器构成的同相供电系统 直供或a t 方式下的同相供电方案，平衡变换装置采用三相三桥臂变流器结 构，通过y 接三相变压器与变电所三个输出端口连接，综合补偿电流检测采用 有功分离法，该方法对任何一种接线方式的同相供电方案都使用，但该方法需 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 要锁相环电路，且只能检测最优补偿电流；滤波器控制采用滞环比较法、三角 波比较法或空间矢量法，变压器接线比较复杂些，其容量也不能得到充分利用。 ( 2 ) “v 型接线变压器构成的同相供电系统 直供供电方式下基于“v 型接线的同相供电，其平衡变换装置采用三相三 桥臂变流器结构；a t 供电方式下基于“v ”型接线的同相供电，其平衡变换装 置采用两个背靠背的单相变流器结构。 ( 3 ) s c o t t 接线式变压器构成的同相供电系统 该系统平衡变换装置为两个共同使用的背靠背的单相变流器结构，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。综合补偿电流采用 有功分离法，利用双滞环电流比较状态优化控制滤波器输出相应的补偿电流。 ( 4 ) 阻抗匹配平衡变压器构成的同相供电系统 该系统平衡变换装置结构与上述采用s c o t t 接线的同相供电系统相同。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，但该变压器制造难度比较大，造价高。 y n ，d l l 接线、v 型接线、s c o t t 接线、阻抗匹配平衡变压器接线构成的同 相供电系统已有大量的研究，并且取得一定的成果，y n $ 特殊接线变压器构成 的同相供电系统研究较少，本文针对其进行分析，能对电气化铁道同相供电的 方案实现提供一个思路。 1 3 本文主要研究内容及意义 考虑到我国的实际情况，大量的交直车在未来若干年内将是电力机车的主 力，谐波无功问题将长期存在，对于采用交一直一交供电模式的高速铁路动车 组，虽能大大降低谐波和无功电流，但负序电流却仍然存在，采用有源滤波器 来改善牵引网的供电品质无疑是一种好的选择。本文研究改善电气化铁道电能 质量的新方法，应用有源滤波器对电气化铁道谐波、无功及负序进行综合治理， 充分利用现有技术装备和投资能力，既有利于系统安全经济运行，又有利于电 气化铁路的发展。 y n ，九接线变压器具有结构简单、性能优良、便于设计和制造等特点，一次 侧可大电流接地，并且该接线变压器可以运行在b t 和直接供电系统也可用于 a t 供电系统。针对单台y n ，九特殊接线变压器，在直接供电和a t 供电方式下， 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 设计两种不同的同相供电方案，使电气化铁道的三相不对称负载及谐波、无功 得到很好的处理，满足电气化铁路对电能质量的要求。 本文的主要工作包括以下几个方面： ( 1 ) 首先阐述了电气化铁路牵引供电系统主要存在的问题及解决措施，提 出单台y n ，九接线式变压器构成的同相供电系统，对系统结构进行分析，得出 新型供电系统的优越性。直供方式和a t 供电方式下平衡变换装置均采用两个 背靠背的单相变流器结构。 ( 2 ) 本文将具体分析不同供电方式下系统总体结构的特点，针对所设计的 同相供电方案，分析了各系统的平衡补偿原理，包括完全平衡负序、补偿无功 和滤除谐波的完全平衡变换，分析在该条件下的系统最优补偿电流与负载电流 的关系，从而分析系统功率关系，各设备容量利用率。 ( 3 ) 同相供电系统实现的关键是有源滤波器指令电流的生成和滤波器的控 制。由补偿原理分析指令电流的生成方法，同相供电技术的检测需要实时性和 精确性，本文研究的同相供电技术的指令电流方法，能够满足平衡补偿的要求。 ( 4 ) 在直供和a t 两种供电方式下，针对单台y n a 接线式变压器，根据 电力牵引负荷特点，利用m 加a b s i m u l i n k 中的电力系统仿真元件库对系 统进行建模并仿真。仿真结果验证了该系统方案的正确性，它不仅能够取消电 分相，而且能够使平衡三相，并能补偿无功和滤除谐波，不需要另外设置补偿 器。能够满足高速、重载机车运行的要求。 ( 5 ) 本文研究的是基于y n ，九接线变压器的同相供电系统，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。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章基于y n ，九构成的同相供电系统结构与特点 随着高速电气化铁路不断发展，对牵引供电系统也提出了更高的要求。当 前牵引供电系统因其结构的特殊性，存在着谐波、无功、负序、通信干扰、“过 电分相等问题，降低了供电的效率与质量，且“过电分相还对高速铁路的 安全、可靠运行构成了威胁。随着电力电子技术的发展，基于电力电子技术构 建的新型牵引供电系统，可以虑除谐波、补偿无功、取消分相绝缘器、实现三 相平衡供电，提高供电质量与效率，实现同相供电，解决“过电分相 所带来 的严重问题，提高供电的安全性和可靠性p 3 1 。 2 1 同相供电系统的实现 由于选择的供电方式不同，牵引网的结构特点不同，本节主要研究直接供 电与a t 供电两种方式下不同的牵引变电所结构特点。现行的牵引网单边供电 模式和现有的牵引变电所接线方式及其换相连接，决定了牵引网上必然存在电 分相环节。采用地面自动过分相装置而出现故障时，列车会硬闯分相环节容易 造成短路故障；而车上自动过分相装置故障时会影响机车运行。电分相环节对 高速重载列车有极大的制约作用。因此研究适合电气化铁道的同相供电技术， 实现牵引供电技术的创新，达到铁路与电力发展的双赢，具有重要的意义 2 1 1 现有供电系统结构及主要存在的问题 图2 1 为直供方式下的原牵引供电系统结构图，其中s s 为牵引变电所，d i 为分相绝缘器，t 为接触网，r 为轨道。 图2 - i 直供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， 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 d i 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，为 了改善三相不平衡状况，变电所原边采用了换相联接。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。 图2 - 2a t 供电方式下的原牵引供电系统结构图 此类系统的缺点是【1 7 1 ： ( 1 ) 牵引负荷为变化频繁的单相负荷，它在电力系统中产生的负序电流造 成了三相系统严重不对称，电气化铁路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。 ( 2 ) 由于电分相的存在，分相和分段绝缘器不论在电气上还是机械上都是 薄弱环节，当高速、重载列车通过时，由于绝缘器形成的硬点对受电弓构成严 重威胁，同时绝缘器也常常因为拉弧而烧毁。限制了机车运行速度的提高和牵 引力的发挥，不利于高速、重载铁路的发展。 ( 3 ) 随着高速、重载铁路的发展，电气化铁道对电力系统负序、谐波和无 功的影响更大，自动过分相装置并不能解决系统不平衡的问题，在变电所内采 用常规方法综合补偿谐波和无功及负序，无论从经济上还是技术上都存在很严 重的问题，所以我们考虑用同相牵引供电系统来从根本上解决这个问题。 因此，通过同相供电实现三相平衡，取消电分相，兼补无功和谐波，更利 于高速、重载铁路的发展。 2 1 2y n ，九接线式同相供电系统结构 ( 1 ) 直供方式下v n $ 接线式变压器构成的同相供电系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 图2 - 3 ( a ) 、( b ) 所示是实现y n , l 接线式同相牵引供电系统的结构示意图， 其中( a ) 采用三相三桥臂变流器结构，( b ) 采用单相背靠背的变流器结构。图 中a 、b 、c ( d ) 分别表示y n ，九接线式变压器的口、p 、a 三个端子；其中 s s 表示牵引变电所，由单台y n ，九接线式主变压器构成，其变比均为 1 1 0 k v 2 7 5 k v 。与现有系统的主要区别是每个变电所均有有源滤波器实现的平 衡变换装置( p p ) ，每个变电所的原边是三相电力系统。a 、c 端子分别接供电 臂接触线t 和钢轨r ，另一端子b 接平衡变换装置，对于图2 3 ( b ) 中，其中 a 、c 端子分别接供电臂接触线t 和钢轨r ；b 、d 端子通过平衡器接同一接触线 t 和钢轨r 。每个牵引变电所主要由牵引主变压器和平衡变换装置( 图中用p p 表示) 构成，其作用是变压、平衡变换和补偿负载无功和谐波。变压的任务主要 有y n ，九牵引主变压器完成，平衡变换与滤除谐波、补偿无功的任务主要由平 衡变换装置完成。 a b c t 五 a b c t 矗 c a ) 直供方式下的同相牵引变电所结构 ( b ) 背靠背结构构成的同相牵引变电所结构 图2 - 3 同相牵引变电所结构 由后面分析及仿真可以得出，单台y n ，九接线式变压器在直供方式下采用 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 三桥臂结构时使各相电流步均衡，因而对于两端口接线角之差为9 0 。的牵引变 压器，考虑用背靠背的单相变流器结构。 ( 2 ) y n ，九接线式变压器构成的同相a t 供电系统 y n a 接线式同相a t 供电的牵引供电系统结构见图2 4 所示，图中a 、b 、 c ( d ) 分别表示y n , l 接线式变压器的口、芦、a p ? 三个端子；其中s s 表示牵引 变电所；由y n ，九接线式变压器构成，变比为1 1 0 k v 5 5 k v ；a t l 一a t 3 为自耦变 压器；p p 为平衡变换装置( 简称平衡器) ，考虑次边两端口接线角之差为9 0 。， 所以由后面分析可以得出，p p 主要由两个背靠背的单相变流器构成，其作用是 通过适当的控制提供负载所需要的谐波和无功电流，并实现由牵引供电系统单 相到电力系统三相的平衡变换，变压器的任务主要由牵引主变压器完成。其中 a 、c 端子分别接供电臂接触线t 和正馈线f ；b 、d 端子通过平衡器接同一接触 线t 和正馈线f 。 t r f ttt 8 ss ss s a：d b la：(d )b lao (d b i p气 一 n气 卜一 n气 卜一 j p p i p p p pj j 弓 1弓1 弓3 1 弓 1 il盯z t 3 图2 - 4a t 供电方式下的同相牵引变电所结构 y n , l 接线变压器构成的同相供电系统具有如下优点： ( 1 ) 由于y n a 接线式变压器绕组结构简单，容易制造，当采用单台变压 器工作时，系统投资比三相y , d l l 十字交叉接线方式少，便于维护。 ( 2 ) y n ，九接线变压器的两端口接线角相差9 0 。，与s c o t t 变压器相比， 原边中性点可以方便接地，而后者不行。由于其平衡变换装置采用背靠背的单 相变流器结构，通过适当控制在平衡变换装置作用下平衡负序，滤除谐波、补 偿无功。 ( 3 ) 由图2 4 结构可以看到，当平衡变换装置故障时，系统变为单相接线， 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 无法补偿谐波和无功，但不影响系统供电，通信干扰防护效果不变。另外由于 各供电区段取消了分相绝缘器，实现了同相供电，提高了供电的可靠性和安全 性。 ( 4 ) 在有源滤波器的作用下，单相不平衡的牵引负荷对电力系统而言仅相 当于一个纯阻性的对称负载，大大提高了供电的质量与效率。 ( 5 ) 全线采用同相供电方案后，各牵引变电所结构相同，便于维护和管理。 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 1 ： ( 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。 ( 3 ) 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。 ( 4 ) 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 2y n ，九牵引变压器及其特点 y n ，九的平衡接线原理见图2 5 所示 4 1 ，图中口、口分别为端1 2 1 口相的首端 和末端，、卢。分别为端1 ：3 卢相的首端和末端，有公共联结点乜够) 。向量关 系如图2 6 所示。 c b 理_ 8 图2 - 5 平衡接线原理图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 u 4 假设次边端口a 口和卯。的( 虚拟) 绕组匝数为，那么绕组口p 的匝数为 ；，绕组p 口匝数为3 ，绕组刀匝数为( 1 ；一】3 ) ，绕组p p 匝数 相电压为参考，可得端口口、卢的接线角饥、妒口分别为3 0 。和1 2 0 。，由文 卧去 彩? 二彩蚓 ， 小压- 1 u a 】2 ， 式中 乞、一分别表示次边两相电流； 、七一原边三相电流； 喊比，等于u 鲥一 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 专诤 l o 日c 了 j 二 _ ： 一 1 p 、 ， 1 、 ， a 2 。， mmmmmm mmm 掣一 雩 n掣掣 一 雩n 111 11 。 11 i r j i 尚圳 一h a 图2 7 y n a 变压器模型 该接线像y n ，3 d - i 和y n ，3 d - 2 一样，与s c o t t 、l e b l a n c 、w o o d - b r i d g e 接 线属于同类，由文献 4 可知，次边绕组总容量为： s s 毗去一；1 弓再 ( 2 3 ) 原边三相绕组总容量为 s p 一【7 k 詈( 3 + 叩2 + r ) ( 2 - 4 ) 当，7 1 时原边绕组的铜材利用率为1 0 0 ，而次边绕组的铜材利用率为 8 7 2 3 。 该接线的特点是： ( 1 ) 原边为y 接，可大电流接地； ( 2 ) 次边有共用绕组，可提高绕组的铜材利用率； ( 3 ) 有公共联结点口( ) ，既可用于b t 和直接供电系统，也可用于a t 供 电系统。 2 3 平衡变换装置的选择 + 前面所述平衡变换装置就是通常意义上的有源滤波器，这里之所以区别对 待是因为二者应用场合不同，在功能上各有侧重。有源滤波器主要功能是补偿 无功和滤除谐波，而平衡变换装置主要功能是平衡负序，兼补无功和滤除谐波， 其次由于同相牵引供电系统接线方式的多样性和结构的特殊性，对平衡变换装 置的结构也产生了特殊要求，必须加以考虑。以下分三种情况从接线方式角度 讨论平衡变换装置的基本结构，文献 3 1 q u 给出了详细的结构分析。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 3 1 三相三桥臂变流器结构 如由y n ，d 1 1 接线变压器、“v 型接线变压器等构成的同相供电系统，以电 压型有源滤波器为核心，可以采用三相三桥臂变流器结构。平衡变换装置通过 y 型变压器接入系统，平衡变换装置结构见图2 8 所示嘲。其中0 、0 、0 为 有源滤波器输出补偿电流，l 表示电感，c 表示直流侧电容，t 表示变压器。 c 图2 - 8 三相三桥臂变流器结构 在变流器状态确定的前提下，各相电流的变换由各相电源电压及变流器的 输出电压决定，与其它电压无关；变流器各相的输出电压由三个桥臂的状态共 同决定，任何一个桥臂的状态都不能单独决定某一相的输出电压。两端口接线 角之差为1 2 0 。的系统若采用两单相变流器结构，也能达到平衡变换和补偿的 目的，并可以使单相变流器的桥臂电流相对均衡，在正常负荷下，完全补偿负 序和无功时，可以实现最小平衡变换装置容量，但仅补偿负序时平衡变换装置 的总容量反而需要相应增加2 3 倍。 2 3 2 两个背靠背单相变流器结构 如由s c o t t 变压器、阻抗匹配平衡变压器、三相变四相平衡变压器等构成 的同相供电系统，两端口接线角之差为+ 9 0 4 ，一般采用由两个单相变流构成 的平衡变换装置。单相背靠背变流器拓扑结构见图2 - 9 所示。图中l 表示电感， c 表示直流侧电容，t 表示变压器。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 a c t f 图2 9 背靠背单相变流器结构 2 3 3 三相四桥臂变流器结构 对于单台y n ，d ll 一2 7 5 接线的特殊系统，若采用两单相变流器结构或三相 三桥臂结构，无法实现三相平衡变换与补偿。 i p at 图2 1 0 四桥臂变流器结构 根据平衡变换的目标，要达到平衡变换与补偿的目的可以采用四桥臂变流 器结构，其拓扑结构见图2 - 1 0 所示，其中l 表示电感，c 表示直流侧电容，t 表示变压器。四桥臂电流也不平衡，但平衡变换装置的容量利用率高于两端口 接线角相差1 2 0 。的系统采用三相三桥臂变流器结构。 综上所述，对于本文研究的单台呵a 接线式变压器，在直供和a t 供电方 式下构成的同相供电系统，由第三章对系统进行分析可知，对于直供方式下构 成的同相系统，采用三桥臂结构控制相对简单，但导致系统电流不均衡，由第 四章仿真分析可以得出结论，因而对于直供方式下本文考虑采用同a t 供电方 式的平衡变换装置结构相同；a t 供电方式下，由于两端口接线角相差9 0 。， 因而可以采用两个单相背靠背的变流器结构，由第三章功率分析可知，其中一 个单相变流器只承担1 2 的负载有功功率，另一个单相变流器承担的功率为1 2 b d 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 的负载有功功率、负载无功功率和谐波功率三者总和。 2 4 本章小结 谐波、无功、负序、通信干扰、“过电分相等问题，是电气化铁路电能质 量的主要问题，降低了供电的效率与质量，本章首先分析了现有供电方式存在 的问题，对单台y 1 呵a 接线变压器在直供和a t 供电方式下的同相供电方案进行 比较，分析了y n ，九接线式变压器的结构特点，并给出了有源滤波器的拓扑结 构，通过分析选择适当的平衡变换结构，即q a 接线式变压器在直供供电方 式下和a t 供电方式下的两个背靠背的单相变流器结构。 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 第3 章y n ，九平衡补偿原理及系统分析 3 1 直供方式下的平衡补偿原理 在置接供电( 或b t 供电方式) 下，以不对称单相负载变为对称的纯阻性 负载作为补偿目标，平衡补偿原理见图3 - 1 ( a ) 、( b ) 所示，图中、站分 别为变压器原边三相电流，乞、乞苫分别为变压器次边三相电流；f 砷、0 、 k ( 0 ) 分别为平衡变换装置输出补偿电流；屯为负载电流，t 为接触线，r 为钢轨。 b c t r a b c t r i a i b l i c 干 l h ，入接线式变压器 i a l7 i a 口 ；r 一工 一i 曲 - 一l p c p p l d t _r h l i jl l ( a ) 三桥臂结构平衡补偿原理 ( b ) 背靠背结构平衡补偿原理 图3 - 1 直供方式下的平衡补偿原理 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 由图3 - 1 ( a ) 中接线关系分析，负载电流i l ( t ) 可以表示为： t p ) a t ( f ) 0 一t o ) r ( 3 一1 ) 单相到三相平衡变换的条件是电源各相提供与电压同相位、成比例的电流， 其大小由负载的平均有功功率决定，则三相输出补偿电流为： o o ) o ) o o ) 】2 一k o ) 0 屯o ) 】r 一心( f ) o ) 乞卢o ) 】1 ( 3 - 2 ) 式中 乞矗o ) 一公共节点电流 平衡变换的目标是：让电源提供全部的有功功率；无论何种负载，对于电力 系统侧来说只相当于一个纯阻性对称负载。若设屯中只有基波有功电流分量， 并令屯= ，。由原次边电压电流相量关系，变压器变比为1 l o k v 2 7 5 k v ，考虑 到原边三相电流对称且输出有功电流，得： 4 3 g 1 1 0 一，1 ，2 7 5 ( 3 3 ) l 。赤，( 3 - 4 ) 式中 p 一，的均方根值； l 一的均方根值 以原边a 相电压为基准，由式( 3 4 ) 可以得到电源电流瞬时值为： 料扣 压s i n ( w t ) 压s i n ( o 甜一1 2 0 。) 压s i n ( r a t + 1 2 0 。) 将式( 3 5 ) 代入式( 2 2 ) ，则次边口、卢端口最优电流为： z 口 z 芦 z 口口 ( 3 5 ) 一、凰p【ssilnn(ra132。0sin(耐-30。)-sin(耐z-120。，】c 3 6 ， 一凰一一。) l ( 3 6 ) 1。) i 兰】2立】一互tp【一s；n。n髓兰萋萎i；：暮茏一3。，】 c 3 7 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第19 页 平衡变换条件。 对于直供方式下的三桥臂变流器结构，由式( 3 - 6 ) 可以看出，三相电流不 均衡，由后面仿真分析可以验证该方法在实际中不采用，因而平衡变换装置可 采用背靠背的单相变流器结构，其平衡补偿原理见图3 1 ( b ) 所示，同a t 供 电方式相同，求解最优补偿电流一样，此处不再累述。 3 2a t 供电方式下的平衡补偿原理 3 2 1 变电所期望电流与负载电流关系 在a t 供电方式下，以不对称单相负载变为对称的纯阻性负载作为补偿目 标，单台y n ，九接线式变压器平衡补偿原理如图3 2 所示，p p 采用两个单相变 流器结构，图中、f c 分别为变压器原边三相电流，屯、乞苫分别为变 压器次边三相电流；f 即、0 、f 弦、0 分别为平衡变换装置输出补偿电流；需 要自耦变压器引出中间抽头以便接钢轨。为负载电流，t 为接触线，r 为钢轨， f 为正馈线。 a b c i 1f l l t 漫 l y n ，九接线式变压器 ! 一 2 ，5 j 口1一 _ ，_ 、4 、- 一 z _- 一 脚 p p 1 ：二乙 1 一z 。r i l1 r 。jli l 弓 a t 图3 - 2a t 方式下平衡补偿原理 变压器两个次边绕组的相电压分别记为比。、砧一，电流分别记为i 。、，负 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 载电流为f ，。设原边电压和负载电流为： - 勿_ s i n ( 6 0 t ) ( 3 8 ) 屯( f ) = 尥s i n 似一3 0 。+ 鲲) + 皿s i n o o j r 一3 0 。+ ) ( 3 9 ) 式中 u 。a 相电压有效值； l 、死一分别为负载电流n 次谐波的有效值和功率因数角，其中n = l ， 2 令，p = 厶c o s 吼，i xs i n c p l 。负载电流可以写为： i l ( t ) - 2 j ，s i n ( t 一3 0 。) + 2 c o s ( 甜一3 0 。) + 知o ) ( 3 1 0 ) j l ( f ) ；巩s i n o 耐一3 0 。+ 钇) ( 3 1 1 ) 式中 o ) 一谐波电流 平衡变换的目标是：让电源提供全部的有功功率；无论何种负载，对于电力 系统侧来说只相当于一个纯阻性对称负载。若设f ：中只有基波有功