（电力系统及其自动化专业论文）高速铁路牵引供电系统负序研究.pdfVIP

a b s t r a c t a b s t r a c t c h i n a sf i r s t h i g h s p e e dr a i l w a y t h eb e i ji n g - t i a n j i n i n t e r - c i t yh i g h s p e e d r a i l w a yh a sb e e no p e n e di na u g u s t1 , 2 0 0 8 ，w h i c hs h o w st h eb e g i n n i n go ft h er a p i d d e v e l o p m e n to fc h i n a sh i g h - s p e e dr a i l w a y t h eh i g h s p e e dr a i l w a yb r i n g sg r e a t c h a n g e st ot h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o ni n d u s t r ya n dp r o m o t e st h ec o u n t r y se c o n o m i c d e v e l o p m e n t ，b u ta tt h es a m et i m e ，n e g a t i v es e q u e n c e 、h a r m o n i c sa n do t h e rp o w e r q u a l i t yi m p a c ta r eb e c o m i n gi n c r e a s i n g l ys e r i o u s c o m p a r e dt ot h et r a c t i o np o w e r s u p p l ys y s t e mo fg e n e r a ls p e e dr a i l w a y , t h et r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mo f h i g h - s p e e dr a i l w a yh a s l o t so fi t so w nc h a r a c t e r i s t i c s t h et o pt e c h n o l o g i e so f h i g h s p e e dr a i l w a ya r ec o n t r o l l e db ys o m ef o r e i g nc o m p a n i e s ，f o re x a m p l et h e s i e m e n sc o m p a n y t h et a s kt od e v e l o pt h e t r a c t i o np o w e rq u a l i t ya s s e s s m e n t s o f t w a r eo fh i g h s p e e dr a i l w a y ”，w h i c hh a ss e l f - o w n e di n t e l l e c t u a lp r o p e r t y , i s p l a c e di nf r o n to fd o m e s t i cr e s e a r c h e r s t h i sa r t i c l ea t t e m p t st om a k es o m er e s e a r c h o nn e g a t i v es e q u e n c ei m p a c to ft r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mo fh i g h s p e e dr a i l w a y , a tl e a s t ，t op r o v i d ear e s e a r c hb a s ef o rt h el a t e rr e s e a r c h e r s f i r s to fa l l ，t h i sa r t i c l ed i s c u s s e st h eb a s i cp r i n c i p l e sa n dc i r c u i tm o d e l so f t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mo fh i g h s p e e dr a i l w a y , i n c l u d i n gt h et r a c t i o ns u b s t a t i o n 够p e ，t h ep o w e rs u p p l ym o d ef r o mt r a c t i o ns u b s t a t i o nt ot r a c t i o nn e t w o r k ，t h ep o w e r s u p p l ym o d ef r o mt r a c t i o nn e t w o r kt oh i g h - s p e e dt r a i n sa n dt h el o a dm o d e l i n go f h i g h s p e e dt r a i n s a l la b o v em a k eas o l i df o u n d a t i o nf o rt h ep o w e rf l o wo ft h e t r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mo fh i g h s p e e dr a i l w a y s e c o n d ，t h ep o w e rf l o wo ft r a c t i o nn e t w o r ki ss o l v e db yan o v e la l g o r i t h m t h e b a s i cp r i n c i p l eo ft h i sa l g o r i t h mi sd e s c r i b e d t h ec a l c u l a t i o nm e t h o do fv o l a g ea n d c u r r e n td i s t r i b u t i o ni si m p r o v e dt om a k ei te a s i e rf o rt h ep r o g r a mi m p l e m e n t a t i o n t h ei m p r o v e da l g o r i t h mi sv e r i f i e dt ob ee f f e c t i v eb ys e v e r a ls i m u l a t i o ne x a m p l e s f i n a l l y , t h ef o r m u l af o rc a l c u l a t i n gt h r e e p h a s ev o l t a g eu n b a l a n c eo fh i 曲一s p e e d r a i l w a yt r a c t i o ns u b s t a t i o ni sd e r i v e db ya p p l y i n gs y m m e t r i c a lc o m p o n e n tm e t h o d t h ed y n a m i cn e g a t i v es e q u e n c ea n l y s i sp r o g r a mf o rt r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e mo f h i g h s p e e dr a i l w a y i sd e v e l o p e ds u c c e s s f u l l yb a s e do nn e g a t i v es e q u e n c ea n l y s i so f i i a b s t r a c t t r a c t i o ns u b s t a t i o n ，t r a i nd i a g r a mm e t h o da n dp o w e rf l o wo ft r a c t i o nn e t w o r k t h i s p r o g r a mh a ss u c c e e d e di nr e a l - t i m en e g a t i v es e q u e n c ea s s e s s m e n to ft r a c t i o np o w e r s u p p l ys y s t e m t h e n ，ap r a c t i c a le x a m p l e - - t h eb e i j i n g - t i a n j i ni n t e r - c i t yh i g h - s p e e d r a i l w a yi sc a r r i e do u tf o rs i m u l a t i o n ，t h er e s u l t so fw h i c hv e r i f yt h ev a l i d i t ya n d c o r r e c t n e s so ft h i sp r o g r a m k e yw o r d s ：h i g h s p e e dr a i l w a yt r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m p o w e rf l o w n e g a t i v es e q u e n c e t r a i nd i a g r a mm e t h o d i i i 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝婆盘堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名： 幺 建 签字日期： 矽j 寸年7 月7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝望盘堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘鲎 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 勉建 导师签名学位论文作者签名：旌么7 更导师签名 签字日期：加p 年岁月7 日签字日期：f 。 年岁月。日 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的意义与来源 我国第一条高速铁路客运专线一一京津城际高速铁路，于2 0 0 8 年8 月1 日 开通运行。京津城际高速铁路的开通，拉开了中国高速铁路大发展的序幕。根据 中国铁路中长期发展规划，到2 0 2 0 年，建成省会城市以及大中城市之间的高 速铁路客运通道，规划“四纵四横”高速铁路快速客运通道以及三个城际高速客 运系统。建设客运专线1 2 万公里以上，高速列车速度目标值达到2 0 0k r n h 以上。 预计到2 0 2 0 年，中国2 0 0 k m h 以上时速的高速铁路建设里程将超过1 8 万公里， 将占世界高速铁路总里程的一半以上【1 1 。 我国高速铁路的兴建给铁路运输业带来巨大变革、推动国家经济发展的同 时，其对公用电网( 或称电力系统) 的电能质量影响也日益严重。随着社会的不 断发展进步，电力用户对供电质量的要求越来越高，负序、谐波等公用电网电能 质量问题得到越来越多的重视，对这些问题的研究也就越来越重要。因此，无论 是高速铁路牵引供电系统的设计阶段还是实际运行阶段，如何准确地评估其对公 用电网电能质量的影响是极为重要的一件工作，也就为下一步电能质量的治理工 作打下坚实的基础。 首先，虽然国内外研究者很早就对电气化铁路电能质量问题开展了许多研究 工作，也已经有了很多研究成果，但是高速电气化铁路相比于普通的常速电气化 铁路在牵引供电系统的构成方面有很大的不同之处，因此既有的针对普通电气化 铁路电能质量问题的研究成果已经不再适用，高速铁路牵引供电系统电能质量评 估成为摆在所有研究者面前的一个全新问题。 其次，京津城际高速铁路作为我国第一条高速铁路，在牵引供电系统的设计、 制造方面，包括对其电能质量的评估，是全面引进的德国西门子技术。也就是说， 目前高速铁路的相关尖端技术掌握在以西门子为代表的国外企业手中，往往“卖 产品不卖技术”，如何突破西门子等国外企业的技术壁垒是国内广大科研工作者 急需解决的难题。因此，国家科技部将“高速列车牵引供电技术”列入了“十 一五国家科技支撑计划”，其中的一个子课题就是“高速铁路牵引供电品质研 究”。这个项目的主要工作就是开发具有自主知识产权的“高速铁路牵引供电系 第一章绪论 统电能质量评估软件”，本文就是其中的一个组成部分，负责进行负序影响方面 的分析研究。 本文试图在高速铁路牵引供电系统负序水平评估方面做出一些工作，希望在 这个方向上给后来者提供一个可以继续深入的研究基础。 1 2 国内外研究综述 1 2 1 高速铁路发展综述 ( 1 ) 世界高速铁路发展概述 提到高速铁路，归纳起来主要有以下三种定义【2 】： a ，1 9 7 0 年，日本政府在一项政府性法令中规定：高速铁路是指列车最高时 速达到2 0 0 k m h 及以上。 b ，在1 9 8 5 年，欧洲铁路委员会规定：如果是客运专线，列车最高时速要达 到3 0 0 k m h 及以上可以称为高速铁路；如果是客货混运线，列车最高时速要达到 2 5 0 k m h 及以上可以称为高速铁路。 c ，国际铁路联盟( u i c ) 给出的定义是：如果是专线，列车最高时速要达 到2 5 0 k m h 及以上可以称为高速铁路；如果是既有干线，列车最高时速要达到 2 0 0 k m h 及以上可以称为高速铁路。 自1 9 6 4 年1 0 月1 日日本建成开通世界上第一条高速铁路一一日本东海道新 干线以来，高速铁路以其运行高速、安全性高、占地面少、运能强大、环境保护 等明显优势展现了强大的生命力。继日本建成第一条高速铁路后，法国、德国、 意大利、西班牙等西方发达国家也相继修建了高速铁路，韩国、美国、澳大利亚 等国也相继启动了高速铁路项目1 3 】。 ( 2 ) 高速铁路的优越性【4 】 a ，高速铁路可以大幅提高铁路客货运输能力 我国建成高速铁路后，可与既有线实现客货分线。设高速铁路列车的追踪间 隔时间是5 分钟，“天窗”时间为4 小时，则当运力利用率为o 8 时，每昼夜可 以开行的高速列车为2 0 0 对，假定平均每列车载客1 0 0 0 人，年单向运输能力可 达到0 7 亿人，是目前运能的3 5 倍，因此可以大大缓解每年的“春运”压力。 与此同时，高速铁路分流了客运后，既有线的货物运输能力也就被最大化释放， 2 浙江大学硕士学位论文 能够彻底改变目前“乘车难、运货难”的状况。 b ，高速铁路安全性极高 在各种运输方式中，铁路是公认的安全性最高的。据日本1 9 7 5 、1 9 8 0 、1 9 8 5 年三年的统计资料表明，日本每年因公路事故死亡为9 6 0 4 人，因航空事故死亡 为7 8 4 人，因常规铁路事故死亡为4 3 7 人，因高速铁路死亡为0 人。高速铁路之 所以安全性高是因为其具有先进的列车指挥和运行控制系统，是普通电气化铁路 不能比拟的。 c ，发展高速铁路可以节约社会资源 在公路、民航、高速铁路三种现代化运输方式中，高速铁路是占地较少和能 耗较低的。国外高速铁路运营实践表明，高速铁路每公里占地仅为公路和航空的 一半左右，能耗仅为民航和小汽车的1 6 左右。而且公路和航空都依赖于成本昂 贵并且日渐枯竭的石油能源，对环境污染也更大。 d ，高速铁路技术可以推动相关领域的科技进步 高速铁路是一项多学科、多专业的综合性先进技术，包括电力技术、电子技 术、通讯技术、机械技术、计算机技术、土木建筑技术等多项学科，因此高速铁 路的迅速发展，必然推动相关技术领域的突破创新，从而推动国家社会的快速发 展。可以说，高速铁路已经不单单是铁路科技水平的重要标志，也是反映整个国 家科技水平的重要方面。 ( 3 ) 高速铁路牵引供电系统发展概述 a ，牵引供电系统【5 】 牵引网向高速列车的供电方式：就目前而言，世界各国高速铁路大多采用 a t 供电方式。因为a t 供电方式有以下优点：a t 供电方式采用2 5 k v ( 5 0 k v ) 的牵引网电压等级，也就是说电压等级比普通电气化铁路提高一倍，假定在负荷 容量不变的情况下，牵引网电流可以减少为原来的一半，因此大大降低了牵引网 的电能损耗。同时，因为牵引网电压降的减小，可以大大延长牵引变电站间距以 及减少牵引变电站的数目。其次，a t 供电方式对周围通信线路的电磁干扰影响 最小，其原理将在后续章节中予以阐述。 牵引变电站类型：牵引变电站是牵引供电系统的电源，因此决定了牵引供电 系统的电能质量水平。因为单相变压器具有容量利用率高( 可达到1 0 0 ) 、接线 第一章绪论 简单、占地面积小等优点，所以世界各国高速铁路大多采用单相v v 结线牵引变 电站。 牵引变电站继电保护和自动控制装置：目前一些发达国家的高速铁路中，牵 引变电站采用远动装置在电力调度中心进行监控，实现无人值守。而继电保护仍 旧采用传统的保护方式，先进的微型计算机继电保护还没有被广泛采用。 电力调度和远动系统：日本将列车、通讯信号、牵引供电、旅客服务、防灾 报警等多种业务集成一体，形成了一个综合调度管理系统，电力调度和远动系统 是其中的一个子系统。德国和西班牙高速铁路的电力调度和远动系统集中设在行 车调度室内，以便列车调度指挥。 b ，高速列车【6 】 高速列车最为高速铁路的最主要负荷，是高速铁路的核心技术之一，是电力 技术、电子技术、通讯技术、机械技术、计算机技术等技术的综合集成。普遍认 为，速度是高速列车发展水平的主要标志。2 0 0 7 年4 月3 日，法国最新型的a g v v - 1 5 0 型高速试验列车跑出了5 7 4 8 k m h 的最高时速，创造了人类地面交通运输 试验速度的世界最高纪录。除了法国的a g v ，目前最具代表性的高速列车类型 还有：日本的f a s t e c h 3 6 0 、西班牙的t a l g o 3 5 0 、德国的i c e 3 5 0 e 、韩国的h s r - 3 5 0 以及中国的c r h ( 全称c h i n ar a i l w a yh i 曲s p e e d ，中文名“和谐号”) 系列。 1 2 2 高速铁路电能质量综述 ( 1 ) 高速铁路电能质量基本内容 在人类日常生产生活中，电能已经成为现代社会中应用最为广泛的能源形 势。首先，电力用户对公用电网的供电质量提出了更高的要求。因为，随着计算 机技术、微电子技术、集成电路技术的发展和普遍应用，这些精密仪器对于电压、 电流的偏差更加敏感，也就对公用电网电能质量提出了越来越高的要求。其次， 公用电网也对接入其中的电力用户在电能质量方面有一定的要求。因为，一个电 力用户的电能质量问题，会通过公用电网的传播进而影响到其他的电力用户，所 以常用“电能质量污染”来形容这种传播性【7 】【引。也就是说，对于电力用户和公 用电网，电能质量的影响是交互的。 电能质量的定义【9 】：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流、频率 4 浙江大学硕士学位论文 的偏差。一般包括以下几个方面：电压偏差、电力系统频率偏差、谐波、电压波 动和闪变、三相电压不平衡、暂时过电压和瞬态过电压。 高速铁路电能质量问题主要包括谐波和负序【1 0 】。首先，高速列车普遍采用 了“交一直一交”变流技术，采用了大量整流、逆变等电力电子器件，因此会不 可避免地产生谐波电流，进而通过牵引变电站流入公用电网，这就是我们常说的 高速铁路谐波污染问题。其次，由于高速铁路采用单相工频交流制，因此对于三 相平衡的公用电网来说，属于不对称负荷，造成牵引变电站所连接的地区变电站 ( 公共连接点，p o i n to fc o m m o nc o u p l i n g ，简称p c c ) 产生三相电压不平衡， 进而产生注入电网的负序电流，对公用电网产生负序影响，也就是我们常说的高 速铁路负序问题。 本文主要就高速铁路产生的负序问题展开相关的研究工作。 ( 2 ) 负序电流对电力系统的危害1 1 】，【1 1 】- 1 1 5 】 a ，负序电流对同步发电机的危害 当负序电流流过发电机的定子绕组时，会产生相应的负序旋转磁场，其转速 同转子的转速相同，都是同步转速，但是旋转方向同转子完全相反，即负序旋转 磁场会以两倍同步转速切割转子导体，从而会在激磁绕组和阻尼绕组中感应生成 两倍于工频的附加电流，在转子表面产生涡流。这些附加电流以及涡流会形成转 子的附加损耗，从而引起转子的温度快速上升，造成转子的过热。 另外，一方面负序旋转磁场以两倍同步转速切割转子激磁磁势，另一方面正 序旋转磁场以两倍同步转速切割定子负序磁势，两者均导致产生两倍工频的交变 电磁力矩，同时作用在转子转轴以及定子机座上，引起两倍工频的附加振动。 b ，负序电流对感应电动机的影响 电力系统中动力负荷大多为感应电动机。当负序电流通过电力系统注入感应 电动机时，会造成感应电动机的定子绕组三相电压不对称，从而使其三相电压的 正序分量减小。当感应电动机的机械功率保持不变的时候，正序电压的减小必将 引起定子电流的增加，并进而造成各相电流的不平衡，最终导致感应电动机运行 效率降低，并使其过热。 同时，负序电流还会在感应电动机中产生负序旋转磁场，其对转子将产生制 动力矩，从而引起制动作用，使感应电动机的出力下降。三相电压不对称度越大， 第一章绪论 该制动力矩也就越大。 c ，负序电流对继电保护装置的影响 电力系统中存在大量以负序电流过滤器或者负序电压过滤器为启动元件的 继电保护和自动装置。例如同步发电机的负序电流保护装置，电力变压器的负荷 电压启动过流保护装置，输电线路的距离保护振荡闭锁保护装置，相差高频保护 装置等。当负序电流流入电力系统后，将使上述保护误动作，引起电力系统故障， 从而增加了继电保护的复杂性，降低了继电保护的可靠性。 d ，对电力变压器的影响 从电力变压器安全运行角度考虑，其每相的电流都不应该超过额定值或者允 许过载值。负序电流流入电力系统将使注入电力变压器的三相电流不对称，当最 大的一相电流达到额定值或者允许过载值的时候，另外两相较小的电流还小于该 值，从而使变压器的容量利用率下降。另外，负序电流还会造成变压器的附加损 耗，并且在变压器铁芯磁路中产生附加发热。 e ，对输电线路的影响 负序电流流过输电线路时，因为负序有功功率等于零，但是同样要产生电能 损失，因此降低了输电线路的输送能力。 ( 3 ) 各国高速铁路负序标准介绍 法国：法国电力公司规定，电网负序电压限值的总体水平为2 ，而分配给 电气化铁路的指标为1 。实际执行时，以牵引变电站注入系统的负序容量与电 力系统公共连接点的短路容量之比不大于1 5 作为负序电流限值；以长时间不 大于2 、短时间不大于4 作为负序电压限值f 1 6 1 。 德国：以三相电压不平衡度作为负序影响评判指标。三相电压不平衡度在正 常运行时不大于1 ，在短路故障时不大于1 5 。由于德国的牵引供电系统采用 独立的发电系统和电网系统，因此没有关于电气化铁路负序对公用电网影响的相 关标准”6 1 。 日本：日本电气协同研究会规定，牵引供电系统引起的三相电压不平衡度限 值，长时间为1 5 ，短时间( 不超过1 0 m i n ) 为2 1 1 6 】。 西班牙：公用电网负序电压最大值不能超过2 ，故障运行时负序电压不能 超过3 。但是没有制定电气化铁路负序对公用电网影响的相关标准【1 6 】。 6 浙江大学硕士学位论文 意大利：由牵引供电系统产生的电压不平衡度限值，短时间( 不超过1 0 m i n ) 为2 ，长时间为1 1 5 i 1 6 1 。 中国：我国目前还没有专门针对电气化铁路对公用电网的负序影响影响制定 标准。目前只是参考电能质量国家标准中对于负序的规定，国家标准中以三 相电压不平衡度作为负序评判指标，具体内容将在后续章节中予以讨论。 1 2 3 高速铁路牵引供电系统负序研究综述 高速铁路牵引供电系统负序研究，就是考虑当高速列车在牵引供电系统内运 行时，牵引变电站对所连接的电力系统公共连接点造成的三相电压不平衡度。因 此，主要涉及以下三个问题：1 ，高速铁路牵引供电系统潮流计算；2 ，牵引变电 站的三相电压不平衡度计算方法；3 ，高速列车移动性所导致的动态计算问题。 ( 1 ) 高速铁路牵引供电系统潮流计算 高速铁路牵引供电系统普遍采用a t 供电方式，a t 牵引网为多导体( 包括 横向和纵向) 结构系统，结构相当复杂，导致牵引网的电流电压分布难以计算， 给牵引供电系统的分析计算带来极大的不便【1 7 】【1 8 】【嘲。因此，研究适合a t 牵引供 电系统的潮流计算方法是一个基础课题。 由于幸引供电系统是一个配电网，正常运行的时候又是一个环型配电网，并 且由于牵引网的r x 较大，无法满足p q 解耦潮流算法中g 。召。的解耦条件， 所以在牵引供电系统的潮流计算中，电力系统潮流计算中常用的快速解耦算法难 以收敛【2 们。而若只是采用传统的电力系统潮流算法【2 1 】( 即高斯塞德尔法以及牛 顿拉夫逊法等) ，会导致导纳矩阵较大，计算工作量大，程序化后占用的c p u 、 内存资源也多。另外一些配电网潮流计算方法【2 2 1 ，例如前推回代算法、回路阻 抗法、改进牛顿法等等，也都有各自的缺点：例如前推回代算法，改进牛顿法 处理环网问题的能力较弱，大大降低了算法的效率；回路阻抗法虽然具有处理环 网的能力，但是处理p v 节点的能力较弱，求解耗时长，算法的计算效率较低【2 4 】。 近年有学者提出了一种新颖的专门针对a t 牵引供电系统设计的潮流计算方 法，该算法已经成功运用于台湾高速铁路牵引供电系统电能质量评估分析中。该 算法核心思想就是：每个a t 电流可以分解为两路独立的而且完全相等的电流相 量。该算法方法简单、思路清晰，可以快速而准确的求解出牵引网内的电流分布。 7 第一章绪论 ( 2 ) 牵引变电站的负序评估方法 国内外研究者普遍采用对称分量法来计算牵引变电站的三相电压不平衡度， 对于不同结线形式的牵引变电站做出了许多研究工作。文献f 2 3 对y d l1 结线的 牵引变压器各绕组中的电流分布进行了分析，分别对多种负荷条件下的高压侧三 相电流的电流不平衡度进行了计算工作。文献 2 4 1 对纯单相结线牵引变电站、斯 科特结线牵引变电站在三种不同负荷情况下的负序功率进行了分析计算。文献 【2 5 1 分别对纯单相结线牵引变电站、单相v v 结线牵引变电站以及采用阻抗匹配 平衡变压器的牵引变电站进行了负序分析，得出了以负荷容量s ，和p c c 短路容 量s 。表示的负序电流公式。 虽然国内外研究者对各种结线形式的牵引变电站在不同负荷情况下产生的 负序电流、负序电压做了很多卓有成效的研究工作，但是都局限在牵引变电站本 身的分析计算，没有与牵引网潮流计算结合起来进行联合仿真，也没有考虑列车 的快速移动带来的负荷动态变化情况。只是将牵引变电站看做一个静态负荷进行 负序分析，采用的计算负荷大多为实测数据或者直接简化了负荷情况，并不能反 映因列车快速移动导致的牵引变电站负荷动态变化情况。因此，将牵引网实时动 态潮流计算和牵引变电站负序分析结合在一起构成“牵引变电站动态负序分析”， 必然是今后这方面研究的发展方向。 ( 3 ) 高速列车移动性所导致的动态计算问题 如果牵引供电系统内的列车是位置固定不动、负荷大小一定的负荷，那么牵 引供电系统与普通的电力系统并没实质性区别，无论是牵引网潮流计算还是牵引 变电站的负序分析，都可以采用电力系统的相关计算方法予以求解。但是当列车 在牵引供电系统内快速移动，并且负荷大小随牵引重量、线路坡度、列车工作状 态等不同而时刻变化，将使整个牵引供电系统网络拓4 1 、网络潮流实时动态变化， 因此传统的电力系统计算方法不能直接套用。 对于如何解决列车移动性所带来的计算难题，国内外诸多研究者都给出了很 多解决方案。文献f 2 6 偎出对于列车的移动性以列车数来体现，一共有五种运行 方式( 需要求解列车数量概率积分曲线) ；文献 2 7 1 提出考虑小方式下，牵引站 带最大机车编组时的负荷情况；文献 2 8 】仅仅考虑了供电臂最大负荷电流；文献 【2 9 提出用历史实测数据的平均值、最大值、最小值、9 5 概率值进行评估；文 8 浙江大学硕士学位论文 献 3 0 提出考虑最不对称情况，即只有左侧或者右侧臂有负荷，而单臂负荷用两 种方法评估，方法一为取供电臂设计负荷( 最大瞬间工作负荷) ，方法二为考虑三 个代表时间点计算负荷。文献【3 1 采用1 5 分钟平均负荷容量来计算。文献 3 2 3 3 】 利用概率统计原理揭示列车快速移动的规律性。从上述文献对于列车移动带来问 题的解决方法可以看到，虽然用了很多方法来尽可能逼近实际的负荷时变特性， 但还是没有能够做到实时计算供电臂负荷电流。 列车运行图法能很好地解决列车移动性所带来的计算难题。虽然在一段时间 内，因为列车的移动，整个牵引供电系统的网络拓扑结构、负荷大小时刻变化。 但是如果固定到某个时刻f ，可以认为列车的位置固定不变，而且其负荷大小也 是恒定的，牵引供电系统从一个动态网络变为了静态网络，因此可以将整个牵引 供电系统进行静态的潮流计算以及负序分析，同样对所有时刻进行滚动计算，也 就可以得到实时动态计算结果，这就是列车运行图法的核心思想。 1 3 本文所做的工作 随着我国第一条高速铁路一一京津城际高速铁路的开通，标志着中国高速铁 路进入快速发展时期。高速铁路因其高速、安全、便捷的特点给人们出行带来便 利的同时，高速铁路牵引供电系统对公用电网的电能质量影响也日益受到重视， 主要包括负序和谐波。 为了能够评估高速铁路牵引供电系统的电能质量问题，本文主要就高速铁路 牵引供电系统负序评估做了以下一些研究工作： 1 ，综述了高速铁路的发展历程、高速铁路电能质量的研究现状。探讨了国 内外对于高速铁路牵引供电系统负序评估的研究现状，并点明了今后的发展方 向。 2 ，建立了高速铁路牵引供电系统的电路模型，其中包括牵引变电站结线方 式、牵引变电站向牵引网的供电方式、牵引网向高速列车的供电方式，高速列车 负荷建模。研究了自耦变压器的等值电路，在此基础上，针对a t 供电方式对通 信线路的防干扰原理进行了详细的公式推导计算。 3 ，探讨了一种新颖的牵引网潮流计算方法，针对该算法存在的计算公式复 杂、难以计算机程序实现等不足之处，提出了改进方法，并编制了相应的仿真程 9 第一章绪论 序，通过多个仿真算例验证了改进算法的有效性和正确性，并就得到的仿真结果 进行了理论分析，得到了一些定性结论。 4 ，应用对称分量法推导了高速铁路牵引变电站的三相电压不平衡度计算公 式，并在此基础上，结合列车运行图法和牵引网潮流计算算法，开发了“基于列 车运行图法的高速铁路牵引供电系统动态负序分析”仿真程序，并成功应用于京 津城际高速铁路的负序分析中，并结合得到的仿真结果进行了定性分析。 1 0 浙江大学硕士学位论文 第2 章高速铁路牵引供电系统 2 1 高速铁路牵引供电系统概述 典型的高速铁路牵引供电系统如下图2 1 所示，为自耦变压器牵引供电系统 ( a u t o t r a n s f o r m e rt r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m ) ，简称a t 牵引供电系统，为单 相工频2 5 k v 交流制，主要由牵引变电站( t r a c t i o ns u b s t a t i o n ，简称t s s ) 、自 耦变压器所( a u t o t r a n s f o r m e rs t a t i o n ，简称a t s ) 、接触网( c a t e n a r y ，简称c 线， 也有称正馈线) 、负馈线( n e g a t i v ef e e d e r ，简称f 线) 、钢轨( r a i l w a y ，简称r 线) 以及高速列车( h i g h s p e e dt r a i n ) 组成。简单来讲，牵引供电系统运行的基 本原理为：牵引变电站作为整个牵引供电系统的电源，牵引网电流从牵引变电站 流出，通过接触网给高速列车提供电能，然后通过负馈线流回牵引变电站，整个 牵引供电系统内的负荷电流流向如图中箭头所示，电流分布的具体原理将在本章 2 4 节中通过公式推导予以详细研究。 隧j t s s监m俩监j lj- j r一g a 锕e 陬d e 一 l 1 二 。-i 一 一一 一 ： + i ：赳 t e n a r y 屋，高墨，又 j ， l t( 。q “心 图2 1 高速铁路牵引供电系统原理图 ( 1 ) 牵引变电站 牵引变电站的作用是将公用电网提供的三相工频电能转变为适合牵引供电 系统的单相工频电能。在牵引供电系统中，牵引变电站相当于其电源，类似于配 电网中的地区变电站。其核心设备是牵引变压器，与传统的三相电力变压器相比 完全不同，是专门根据牵引供电方式特点设计制造的。 ( 2 ) 牵引网 由接触网、钢轨、负馈线、自耦变压器组成。接触网架设在铁路上方，在钢 轨上运行的高速列车通过受电弓与接触网摩擦受电，实现高速列车在快速移动中 从牵引网取用电能。钢轨是高速列车运行的机械轨道，同时由于钢轨与地都是非 绝缘的，在高速列车运行的a t 段中，钢轨与地中是有牵引电流通过的，因此钢 第二章高速铁路牵引供电系统 轨也是有电位的。负馈线以及自耦变压器是a t 供电方式特有的，详细功能与原 理在本章2 4 节中予以研究。 ( 3 ) 分相绝缘器 又称电分相，图2 1 中的“咖”图标即表示分相绝缘器，一般都是串联在 接触网中，它的作用是将两个不同的供电分区分开，使之相互绝缘，并使列车光 滑过渡，从图中可以清楚的看到，主要用在牵引变电站出口处和分区所处。 ( 4 ) 供电分区 正常供电时，由牵引变电站的馈线到接触网末端的所有供电线路组成，也称 为供电臂。也就是说整个牵引网是由若干个供电分区组成，正常运行时相邻的供 电分区由分相绝缘器隔开，因此电气上各个供电分区可以认为相互独立。 ( 5 ) 高速列车 通过受电弓从接触网上取得电能，将电能转化为列车行驶需要的机械能以及 其他列车用电。 本章后续部分将详细研究各个组成部分的基本原理和电路模型。 2 2 牵引变电站类型 牵引变电站的主要功能是降压、分相以及为牵引负荷供电，其中最主要设备 是牵引变压器( t r a c t i o nt r a n s f o r m e r ，简称t t ) 。因为铁路的电力牵引属于一级 负荷，为了保障供电可靠性，牵引变电站必须由两路高压输电线路供电，并在牵 引变电站中通常设置两组牵引变压器，其中一组正常运行，另一组为备用。 普通电气化铁路中的牵引变电站，主要有以下几种类型：单相结线牵引变电 站、三相y d l1 结线牵引变电站、平衡结线牵引变电站。高速铁路牵引供电系统 一般采用两台单相三绕组牵引变压器构成v v 结线形式【3 4 j 【3 引。单相三绕组牵引 变压器的额定电压，原边通常是2 2 0 k v ，副边额定电压为2 7 5 k v ( 5 5 k v ，考 虑到牵引变压器内部阻抗损耗，二次侧额定电压比牵引网额定电压5 0 k v 高1 0 ) 。 京津高速铁路采用的单相三绕组牵引变电压具体参数如附录表1 所示。 其典型的结线原理如下图2 2 所示【3 6 】【3 7 】。其中一台单相三绕组牵引变压器 t t l 原边为a l x l 、副边为a l o l x l ，另一台t t 2 原边为a 2 x 2 、副边为a 2 0 2 x 2 。两 个原边绕组分别接入电力系统的a c 相和b c 相；两个副边绕组的出线端a l 、a 2 1 2 浙江大学硕士学位论文 分别接到两组接触网c 1 、c 2 上，x 1 、x 2 分别接到两组负馈线f l 、f 2 上，o l 、 0 2 分别接到两组钢轨r 1 、r 2 上( 通过放电器接地) 。理想状态下，钢轨电压为0 k v ，接触网电压为+ 2 5 k v ，负馈线为一2 5 k v 。可以看出，在此结线中，t t l 负 责牵引变电站右侧的供电分区供电，t t 2 负责牵引变电站左侧的供电分区供电， 也就是说两者各自独立负责牵引变电站一侧的供电分区供电，在分析计算的时候 两个供电分区可以各自独立考虑。 c 2 r 2 f 2 图2 - 2 单相w 结线牵引变电站原理图 2 3 牵引变电站向牵引网的供电方式 a b c c 1 r 1 f 1 普通的复线( 双向双线) 电气化铁道，主要有以下几种供电方式：同相一边 并联供电、同相一边分开供电、双边扭结供电。高速铁路牵引供电系统一般为复 线，采用同相一边并联供电，如图2 3 所示( 这里用一条单线表示一个a t 牵引 网) 。 同相：图中a 、c 和c 、b 为对应的供电分区相序，显而易见，两相邻牵引 变电站之间毗连的供电区间上、下行牵引网电压皆属同一相序。另外，供电区间 的相序轮换是为了减少牵引供电系统的三相不平衡度，进而减少对公用电网的负 序影响。 一边：在两相邻牵引变电站之间的供电分区分界点设置分区所。在正常情况 下，分区所将相邻的两个供电分区相互绝缘，因此，整个牵引供电系统中的各个 第二章高速铁路牵引供电系统 牵引变电站是相互独立的( 没有电气联系) ，高速列车只从所在供电分区相对应 的单个牵引变电站取用电流。也就是图中的牵引供电系统实际上是由四个独立的 供电分区组成的，四个供电分区的划分如图所示。这样做的目的是简化牵引网的 复杂程度，降低继电保护的复杂度，同时开关设备和倒闸操作也比较简单，便于 牵引网的运行与维护。 并联：在每个供电分区的末端，通过分区所的断路器，可以将上、下行牵引 网联通。首先，末端若不并联，由于上下行的列车负荷并不一定完全相同且时刻 变化，容易产生很大的上下行电压差，烧坏相间绝缘；其次，末端并联后，高速 列车通过上、下行牵引网从一个牵引变电站取用电流，能够有效减小分配到单个 牵引网中的电流，因此可以明显降低牵引网中的电压损失和电能损耗。 越区供电情况：在正常情况下，两相邻牵引变电站之间毗连的供电分区相互 绝缘。例如，若牵引变电站t s s 2 出现故障停电，则分区所的断路器合上后进行 越区供电，供电分区3 和供电分区4 的电能也将由牵引变电站t s s l 负责提供。 当然，牵引变电站的过负荷能力有限，越区供电只能是短时内进行。当t s s 2 恢 复正常后，分区所断路器应当及时断开，从而恢复各供电分区独立的状态。 t s s lt s s 2 l a il c li c ii b l 晤磊一瓦习陈磊习气磊习 图2 - 3 同相一边并联供电原理图 2 4 牵引网向高速列车的供电方式 牵引网向列车的供电方式主要有：直接供电方式、带回流线的直接供电方式、 自祸变压器供电方式、吸流变压器供电方式和同轴电力电缆供电方式。为了减少 高速铁路牵引网中各个导线电流对沿线通信线路的影响，高速电气化铁路普遍呆 用自耦变压器供电方式，简称a t 供电方 1 3 8 1 1 3 9 1 。 1 4 浙江大学硕士学位论文 2 4 1 基本原理 c 彬 r f t s s a t s la 1 s 2a 1 8 3 图2 4 a t 供电方式原理电路图 以图2 1 的典型高速铁路牵引供电系统为例，其对应的原理电路图【4 0 】如图 2 4 所示( 图2 1 中的单相三绕组牵引变压器可以等值为一个单相双绕组变压器 和一台等值a t 4 1 1 ，即图2 4 中的t s s 和a t s l ) 。其中，t s s 为牵引变电站， a t s i a t s 3 为自耦变压器所，变比为2 ：1 ，其一端连接接触网c ，一端连接负 馈线f ，中点连接钢轨r 。接触网与钢轨之间的绕组匝数为形，负馈线与钢轨之 间的绕组匝数为，彤= 暖。绕组彬和为自耦变压器的原边绕组，接受来 自牵引变电站提供的电能，额定电压为5 0 k v ；绕组形为副边绕组，额定电压为 + 2 5 k v ，给高速列车提供电能；绕组职与绕组彬完全相同，额定电压为2 5 k v 。 两个自耦变压器所之间的距离称为自耦变压器间隔( 或称自耦变压器段) ，一般 1 0 k i n 左右，实际的自耦变压器间隔需要按对通信线路防干扰以及牵引供电要求 通过计算来确定。 2 4 2a t 供电方式对通信线路的防护原理 首先来分析a t 供电方式中的单个自耦变压器的电流分布原理。图2 5 为图 2 - 4 中自耦变压器的电路原理图f 4 2 】 4 3 1 1 4 4 1 。设列车电流为，因此，a t 的二次侧 负荷电流为： l = ( 2 - 1 ) 第二章高速铁路牵弓 供电系统 由自祸变压器燹比为2 ：1 ，根据燹比夫系司知一次1 则电j j | 己为： = 圭厶= 吉 通过k c l 可知，两个绕组中电流分别为： 1 w 。= 1 2 一i 。= 芝i t 1 w 2 = 1 2 一i w 。= ；i t ， 五乞 - - - - - - - - c i t ， r f ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) _ - - - - 一 图2 - 5 自耦变压器原理电路图一 也就是说，已知副边绕组的负荷电流z 后，一次侧电流以及两个绕组中的电 流均为副边绕组电流l 的一半。在明确了自耦变压器的一、二次电流分布特点后， 我