（电气工程专业论文）三相svc在电气化铁路电能质量综合治理中的研究.pdf

s t u d yo ft h r e e - p h a s es v c i np o w e rq u a l i t yc o m p r e h e n s i v em a n a g e m e n tf o r e l e c t r i f i e dr a i l w a y l i uj i a n b e ( h 吼a i lu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i n t h e g r a d u a t es c h o o l h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rc a oy i j i a a p r i l ，2 0 1 1 哪3洲8 iiil 60 9iiiily 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名：；f e l 期：函t | 年，旯| 7 b 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。本人授权湖南大学可以将本学位论文 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 或扫描等复制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 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“、) 作者签名： 导师签名： 日期：出ff 年，月7 日 e t 期：d o 年j - 月f7 日 l 硕士学位论文 摘要 在我国经济飞速发展的大背景下，电气化铁路尤其是高速铁路的加速建设， 电气化铁路呈现牵引负荷越来越大，负荷变化越来越快，牵引变电所的容量不断 扩大的趋势，导致电能质量问题日益突出。随着用户对公共电网的电能质量要求 越来越高，对电气化铁路电能质量综合治理的要求也越来越高。 分析了电气化铁路对电力系统电能质量的影响，就其中的功率因数、谐波和 负序进行了详细的论述。讨论了以往电气化铁路电能质量治理方案治理的局限性， 提出对电气化铁路电能质量综合治理方案。 针对电气化铁路中存在的功率因数、谐波和负序的问题，设计了一种基于三 相静止无功补偿器( s v c ) 的电能质量综合治理方案。本方案不同于国内现有的两相 式s v c 和接入高压侧的三相s v c 的方案，提出将三相s v c 接入牵引变电站的低 压侧，重点补偿无功、谐波和负序。同时，将补偿导纳网络分为正序和负序两个 补偿网络，采用了正负序网络独立控制整体补偿的策略。最后利用m a t l a b 软件 中的s i m p o w e r s y s t e m s 工具箱，对三相s v c 补偿器在电气化铁路电能质量治理进 行了实验仿真。仿真结果表明，提出的综合方案能有效补偿无功、抑制谐波和消 除负序。 关键词：三相静止无功补偿器；电气化铁路；无功；谐波；负序；电能质量 a b s t r a c t i nt h eb a c k g r o u n do ft h eh i g hs p e e do fc h i n a se c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，t h ep a c e o ft h ec o n s t r u c t i o no fe l e c t r i f i e dr a i l w a y , e s p e c i a l l yh i g h s p e e dr a i l w a yi sg e t t i n g f a s t e r a n di nt h ea r e ao fe l e c t r i f i e dr a i l w a y , t h e s et r e n d s t h el a r g e rt r a c t i o nl o a d ， t h ef a s t e rc h a n g eo ft r a c t i o nl o a d ，a n dt h eb i g g e rc a p a c i t yo ft r a c t i o ns u b s t a t i o nh a v e c a u s e dm a n yp r o b l e m so fe l e c t r i cp o w e rq u a l i t yw h i c hb e c o m ei n c r e a s i n g l yu r g e n t a s t h eu s e r so fp u b l i cp o w e rg r i da r ei n c r e a s i n g l yd e m a n d i n gh i g h e rp o w e rq u a l i t y ，t h e p o w e rq u a l i t yc o m p r e h e n s i v em a n a g e m e n to fe l e c t r i f i e dr a i l w a ya t t r a c t sm o r ea n d m o r ea t t e n t i o n s t h i sp a p e ra n a l y z e st h ei m p a c to fp o w e rq u a l i t yo nt h ee l e c t r i f i e dr a i l w a yt o p o w e rs y s t e m ，a n dd i s c u s s e s t h ep o w e rf a c t o r ，h a r m o n i c sa n dn e g a t i v es e q u e n c e p r o b l e mi nd e t a i l t h i sa r t i c l ed i s c u s s e st h el i m i t a t i o n so fe l e c t r i f i e dr a i l w a yp o w e r q u a l i t ym a n a g e m e n tp r o g r a mi nt h ep a s t ，a n dp r o p o s e st h ee l e c t r i cr a i l w a yp o w e r q u a l i t yc o m p r e h e n s i v et r e a t m e n tp r o g r a m t os o l v et h ep o w e rf a c t o r , h a r m o n i ca n dn e g a t i v es e q u e n c ep r o b l e m sb r o u g h tb y e l e c t r i f i e dr a i l w a y , as e to fn e wp r o g r a mf o rp o w e rq u a l i t yw a sp r o p o s e d t h i sp r o g r a m i sd i f f e r e n tf r o mt h ed o m e s t i ct w o p h a s es v ca n dt h et h r e e - p h a s es v ca c c e s s e dt o t r a c t i o ns u b s t a t i o nh i g h v o l t a g es i d e t h ep r o g r a mb a s e do nt h et h r e e - p h a s es t a t i cv a r c o m p e n s a t o r ( s v c ) a c c e s s e st ot h el o w - v o l t a g es i d eo ft h et r a c t i o ns u b s t a t i o n ，w h i c h f o c u so nc o m p e n s a t i n gt h er e a c t i v e p o w e r , h a r m o n i c a n d n e g a t i v es e q u e n c e m e a n w h i l e ，t h ec o m p e n s a t i o na d m i t t a n c en e t w o r ki sd i v i d e di n t o b o t h p o s i t i v e s e q u e n c ea n dn e g a t i v es e q u e n c ec o m p e n s a t i o nn e t w o r k ，w i t ht h ei n d e p e n d e n tc o n t r o l o fp o s i t i v e ，n e g a t i v es e q u e n c en e t w o r ka n do v e r a l lc o m p e n s a t i o ns t r a t e g y t h ep r o p o s e ds c h e m eo ft h r e e - p h a s es v cc o m p e n s a t o ri ne l e c t r i cr a i l w a yp o w e r q u a l i t ym a n a g e m e n tf o rp o w e rq u a l i t yc o n t r o li st e s t e di nm a t l a bu s i n g t o o l b o xo f s i m p o w e r s y s t e m s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t t h i ss c h e m ec a ne f f e c t i v e l y c o m p e n s a t er e a c t i v ep o w e r ，r e s t r a i nt h eh a r m o n i ca n dn e g a t i v es e q u e n c e ，a n da c h i e v e t h er e l a t e dp o w e rq u a l i t yn a t i o n a ls t a n d a r d s k e yw o r d s ：t h r e e p h a s es t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ( s v c ) ；e l e c t r i f i e dr a i l w a y ；r e a c t i v e p o w e r ；h a r m o n i c ；n e g a t i v es e q u e n c e ；p o w e rq u a l i t y i i i 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 研究意义2 1 2 1 在功率因数方面2 1 2 2 在谐波方面4 1 2 3 在负序方面5 1 3 国内外研究现状综述6 1 3 1 国外研究现状9 1 3 2 国内研究现状1 0 1 4 本文的主要工作l o 第2 章我国电气化铁路的组成和相关电能质量标准1 2 2 1 我国电气化铁路组成部分概述1 2 2 1 1 外部电源系统1 3 2 1 2 牵引供电系统1 5 2 1 3 机车负荷系统16 2 2 功率因数、谐波及负序标准17 2 2 1 功率因数标准1 7 2 2 2 谐波标准1 8 2 2 3 负序标准1 9 2 3 小结2 0 第3 章三相s v c 综合补偿原理j 2 1 3 1s v c 的补偿原理2 1 3 1 1 晶闸管控制电抗器2 1 3 1 2t c r + f c 的补偿策略2 3 3 2 三相不平衡负荷补偿原理2 4 3 3 三相s v c 的补偿导纳计算方法2 7 3 3 1 对称分量法2 7 3 3 2 基于f ，一算法的补偿导纳求法3 2 3 4 控制策略3 3 三相s v c 在电气化铁路电能质量综合治理中的研究 3 4 1 开环控制策略3 3 3 4 2 闭环控制策略3 4 3 5 小结3 4 第4 章三相s v c 的结构和参数设计3 6 4 1 三相s v c 的结构设计3 6 4 2 三相s v c 的参数设计3 7 4 2 1 三相s v c 的容量设计3 8 4 2 2 滤波器的无功分配3 9 4 3 小结4 l 第5 章实验仿真结果4 2 5 1 仿真软件介绍4 2 5 2m a t l a b 仿真模型。4 3 5 2 1 车载变压器和整流设备模型4 3 5 2 2 三相s v c 模型4 4 5 3 仿真过程和分析4 6 5 4 卅、结5 0 结论5 1 参考文献5 3 致谢5 7 附录攻读硕士期间发表的论文5 8 硕士学位论文 1 1 研究背景 第1 章绪论 我国的铁路历史可以追溯到1 8 7 6 年开通的吴淞铁路，而我国的电气化铁路建 设，却是新中国成立后才开始的。1 9 6 1 年8 月1 5 日，在新建的宝成线一宝鸡至风 州段建成了我国第一条干线电气化铁路，电气化铁路的开通是我国铁路事业的一 个重要的里程碑。 我国电气化铁路的大量上马建设是始于上世纪7 0 年代，铁路作为国民经济发 展的基础设施建设得到了特别的重视，电气化铁路开始大规模建设。据铁道部统 计【1 l ：到2 0 0 8 年底，我国铁路营业里程达到6 3 9 7 4 9 公里，正式营业里程达6 0 1 3 8 7 公里，居亚洲第一位，形成了一个横贯南北、干支结合的具有相当规模的铁路运 输网络。其中电气化线路营业里程2 5 0 0 7 3 公里，占营业里程6 3 9 7 4 9 公里的3 9 1 。 2 0 0 8 年国务院批准颁布了中长期铁路网调整规划方案。规划中提出要扩大 铁路网规模，完善铁路网结构，提高质量，迅速增大运输能力和提高装备水平。 要求到2 0 2 0 年，全国铁路营业里程规划目标达到1 2 万公里以上，其中客运专线 达到1 6 万公里，复线率和电化率分别达到5 0 和6 0 以上。要求主要繁忙干线 实现客货分运，基本形成布局合理、结构清晰、功能完善、衔接顺畅的铁路网络， 运输能力满足国民经济和社会发展的需要，主要技术装备达到或接近国际先进水 平。其中由客运专线、城际轨道交通和客货混跑快线组成的铁路快速客运网，总 规模达到5 万公里以上瞄j 。 其中高速客运专线，即“四纵四横 高速铁路客运专线规划如表1 1 所示。 表1 1 四纵四横快速客运专线 四纵四横途径地区 北京一上海客运专线 北京一武汉一广州一深圳客运专线 北京一沈阳一哈尔滨( 大连) 客运专线 上海一杭州一宁波一福州一深圳客运专线 徐州一郑州一兰州客运专线 杭州一南昌一长沙一贵阳一昆明客运专线 青岛一石家庄一太原客运专线 南京一武汉一重庆一成都客运专线 连接京津和长江三角洲东部经济发达地区 连接华北和华南地区 连接东北和关内地区 连接长江、珠江三角洲和东南沿海地区 连接西北和华东地区 连接西南、华中和华东地区 连接华北和华东地区 连接西南和华东地区 其中城际客运系统将覆盖沿线各区域内中心城市和主要城镇，包括环渤海湾、 长江三角洲、长株潭、成渝、珠江三角洲以及中远城市群、武汉城市圈，关中城 三相s v c 在电气化铁路电能质量综合治理中的研究 镇群、海峡西岸城镇群等发达和人口周密地区。城际客运系统具有小编组、高密 度、公交化运营的特点【2 1 。 1 2 研究意义 电能质量描述的是用户接受公用电网供给的交流电能的品质。以三相交流电 力系统为例，理想状态的公用电网电能品质包括频率恒定、标准的正弦电压波形 且电压幅值大小相等，相位相差1 2 0 0 。电力系统系统中包含了各类参数并不是理 想线性或者不对称，负荷性质各异且随机变化的元件，如发电机、变压器、线路 等等，以及运行操作和各种外来干扰和各种故障等原因，这种理想状态的公用电 网在实际中是不可能存在。这种非理想状态的公用电网运行会对各类电气设备和 用户产生各种不利影响，所以迫切的需要对电力系统的运行参数和电能参数进行 必要的限制，来尽量减少和避免这些不利影响。由此也就引出了电能质量的概念。 在电能质量的确切定义这个问题上，国内外还没有形成一个统一的共识。但 大多数专家认为，电能质量的范畴应该包括导致用户电力设备不能正常工作的电 压、电流或频率偏差以及造成用电设备故障或错误动作的各类问题。所以电能质 量通常可以以供电电压波动、电压偏差和谐波、闪变、频率偏差、三相不平衡度、 瞬态过电压和暂态过电压等指标来衡量。 从三相电力系统取电的电气化铁路牵引供电系统和电气化牵引负荷具有以下 特点： ( 1 )电气化牵引负荷作为单相移动负荷，以牵引网、钢轨与大地为导体； ( 2 ) 牵引负荷随列车载重、线路坡道和弯道、牵引、惰性或电机制动等不 同运行条件而发生剧烈变化； ( 3 ) 功率因数低，无功电流大。 ( 4 ) 采用整流设备，负荷电流中含有大量谐波电流； ( 5 ) 对电力系统产生负序电流和负序电压； 综合以上所述，无功、谐波、负序这三大技术问题，成为了影响电力系统经 济与安全可靠运行的不良因素，一直受电力系统和铁路供电技术人员、学者的广 泛关注1 3 。6 】。从以上的中长期铁路网调整规划方案可以清晰的看出，我国铁路 网的膨胀式发展和电气化率的提高，特别是高速客运专线项目的大力建设，都让 电气化铁路电能质量问题显得更加突出和紧迫。同时无功、谐波、负序也会对电 气化铁路自身造成影响。下面分别对无功、谐波和负序对电网和电气化铁路自身 的影响做下简单的分析。 1 2 1 在功率因数方面 功率因数是电能质量的重要指标。足够的无功电源是保证电力系统电能质量 和降低网损以及安全运行所必需的。在牵引供电系统中，无功不足也会引起牵引 2 硕士学位论文 网电压下降，导致机车无法正常运行，严重时还会导致机车停运甚至设备损坏。 随着高速铁路的大力建设，牵引负荷越来越重，行车密度越来越高，对无功的需 求也越来越大，如果不能在负荷侧对无功进行补偿，提高功率因数，将会对公用 电网造成很大的冲击。 。 1 功率因数低对公共电网的影响主要有以下三个方面： ( 1 ) 功率因数低，降低设备容量利用率。无功功率的增加而引起的功率因 数低，会导致电流增大和视在功率增加。而变压器、发电机和导线容量及其他电 气设备容量会因为视在功率的增加而快速饱和，降低了设备容量的利用率，导致 大量设备容量的浪费，成本增加。 ( 2 ) 功率因数低，增加设备及线路损耗和老化速度。无功功率增加而引起 的功率因数低，会使总电流增大，从而使电气设备及电力传输线路的损耗增加； 同时过大的电流流过也会导致电气设备和电力传输线路的发热增加，加速设备和 线路的老化，缩短了他们的正常使用年限。 ( 3 ) 功率因数低，导致起系统电压下降。负荷功率因数低，导致无功需求 增大，当系统输出无功不足以补偿负荷所需的无功时，系统电压下降，从而导致 严重的电能质量问题。比如，影响异步电动机的转速，最终影响产品质量，甚至 还会导致机械设备运行不稳定，甚至停运。当无功功率严重不足时，将会导致电 压急剧下降，最终整个电力系统的崩溃。 2 提高功率因数对电气化铁路自身的影响： ( 1 ) 提高功率因数可以减少牵引变压器的容量，节约电气化铁路建设成本。 n 由s ：二可知，在输送的有功功率不变时，即尸为定值时，提高功率因数可以减 e o s p dd 少视在功率s 。减少的安装容量为a s = 二一上，式中仍为功率因数提高前的 c o s 仍c o s 仍 功率因数角，仍为功率因数提高后的功率因数角。这样既节约了购买设备的投资， 又可以减少电力部门按供电设备容量计算的贴费。 ( 2 ) 提高功率因数可以减少电费，节约生产成本。首先，在牵引变电站安 装无功补偿设备，通过提高功率因数可以减少牵引供电系统( 牵引变压器和牵引网) 传输无功功率造成的有功损耗，从而可以减少电费的支付；其次，现行的电价政 策从节能减排出发，鼓励用户安装无功补偿设备，提高用户侧功率因数，并制定 了功率因数调整电费政策。电气化铁路部门提高功率因数达到并且超过规定的功 率因数后，不仅可以避免因功率因数过低而受到处罚，而且还可以得到电力部门 的电费奖励。 ( 3 ) 当牵引网无功不足时，会导致牵引网电压的降低，机车不能满功率行 驶，机车的提速和爬坡都将受到影响。当牵引网无功严重不足，使得牵引网电压 ( 3 ) 谐波容易引起继电保护装置的误动作。各类继电保护装置的运行容易 受到谐波的影响，导致继电保护装置频繁起动，甚至误动或拒动，严重影响了电 力系统的安全稳定运行【9 1 。 硕士学位论文 ( 4 ) 谐波容易干扰通信信号。铁路沿线牵引网的谐波电流通过电磁感应、 电容耦合、以及传导耦合容易干扰周围的通信线路，不仅通话的清晰程度会受到 影响，而且甚至会威胁到通讯设备和人员的安全d o 。 1 2 3 在负序方面 电气化铁路负荷作为单相负荷，如果不采取三相平衡化措施，作为不对称负 荷，必然会在电力系统三相侧产生负序电流，造成三相电压不平衡。负序电流除 了产生无功功率，具有无功功率的危害以外，还会由于它和正序电流的旋转方向 不一样而对电力系统和用户造成其他巨大的影响i l 卜1 4 j ，如： ( 1 ) 负序电流降低变压器的额定输出功率，运行效率低下。由于负序电流 的存在，三相电流分布不平衡，必有一相电流过大，变压器三相绕组不能全在额 定状态下工作，变压器容量利用率降低。同时过大的绕组电流也会增大变压器绕 组的铜耗以及附加损耗。 ( 2 ) 负序电流引起旋转电气设备的附加振动和发热，危及设备的安全运行 及正常出力。基于安全考虑，同步发电机定子各相电流都限制在额定值内，当定 子中有负序电流流过时，将会造成各相电流不均衡现象，会因为某一相电流过大 而迫使发电机的出力降低。 ( 3 ) 负序电流会引起继电保护装置的误动作。干扰性负序电流对负序启动 元件的影响主要集中在两方面：一是由于干扰性负序电流的存在，干扰性负序电 流的向量可能含有和电网短路引起的负序电流的向量相反的分量，从而减少输入 启动元件的负序电流值而引起负序启动元件误动作；二是作为“增量 型负序启 动元件会因干扰负序电流的存在而降低响应于暂态的灵敏度，从而降低负序起动 元件对电网故障反应的灵敏度。 ( 4 ) 负序电流降低了电网的输电能力。负序电流在电力系统流过时，不仅 不能做功，还造成电能损失，并占用输电系统的容量。 ( 5 ) 在低压配电线路中，负序电流不仅会影响计算机的正常工作，还会引 起照明电灯寿命缩短或照度不足以及电视机损坏等。 ( 6 ) 对于通信系统，会增加对其干扰，影响正常通信质量。 针对电气化铁路电能质量方面存在的突出问题，研究工作的重心主要集中在 以下几方面：如何提高功率因数，降低谐波含量，平衡负序，使牵引供电系统的 电能质量达到国标要求。 电气化铁路电能质量治理一般从三个方面进行：外部供电系统、牵引供电系 统和机车负荷。其中外部电源系统是属于规划部分的问题，一旦建成铁路系统不 容易进行升级和改造；机车负荷是由运营的机车类型决定的( 交一直流牵引机车和 交一直一交流牵引机车) ，由于各种客观原因，我国在很长一段时间内都还是交一直 流牵引机车和交一直一交流牵引机车混合运行的格局；对于牵引供电系统方面的治 三相s v c 在电气化铁路电能质量综合治理中的研究 理改造便成为电气化铁路电能质量治理的主要研究领域。 目前相关的研究报道屡见不鲜，且内容丰富、层面广泛，也取得了显著的成 果。不过很多治理手段都只是针对电气化铁路电能质量的某一个方面，或针对无 功补偿，或针对谐波治理，或是负序补偿，解决单一的电能质量问题，往往不能 从整体上解决电能质量问题的存在。随着电气化铁路规模的越来越大，电气化铁 路电能质量问题对电网的影响也会越来越大，所以针对电气化铁路电能质量综合 治理的研究变的越来越紧迫，牵引供电系统的电能质量综合治理方法成为了近些 年的研究热点。 1 3 国内外研究现状综述 无功、负序、谐波的存在是从三相电力系统取电的电气化铁路单相交一直系统 所固有的三大技术问题。长期以来，国外对电气化铁路电能质量问题非常重视， 但是国际上各国受本国国情影响，对这三大技术问题的研究侧重点不尽相同。 意大利主要关注负序和谐波，意大利牵引网接入的电力系统电压为1 3 2 k v ， 其1 0 分钟电压谐波畸变率t h d 为不得超过4 ，由牵引供电系统产生的电压不平 衡度长时间限制为1 一1 5 ，短时间限制( 不超过1 0 分钟) 的允许值为2 。法国 电力公司将牵引变电所注入电力系统的负序容量与系统公共连接点的短路容量之 比不大于1 5 作为实际执行允许的负序电流标准，以长时间三相不平衡度允许值 2 和短时间三相不平衡度4 作为负序电压标准。上述两国基本代表了欧盟的电 气化铁路电能质量治理情况【”】。 德国相对其他欧洲国家不同的是采用的是铁路自建电网供电，将铁路电网和 其他电网独立开来，从而避免对其他用户造成影响。 俄罗斯则注重电压调整和无功补偿，兼顾负序和谐波的补偿，但侧重以改善 牵引供电系统的自身技术为主要目标。 相比而言，日本的研究和应用较为全面【1 6 d 引，研究内容涉及到可调无功补偿 及谐波、三相不平衡补偿等方面。尽管国际上对电气化铁路存在的电能质量问题 进行了大量研究，但是还未能从理论上将无功、谐波以及负序的研究更加全面完 备地统一起来。 国内对这三大技术问题的认识也经历了一个从片面到整体的过程。在电气化 铁路建设初期，比较注重负序的治理，主要是因为电网架构还不够坚强，短路容 量普遍不高，负序对电力系统造成的不良影响较为突出的。 后来电力部门在过补偿反计( 返送反计) 无功的基础上又进一步提出了过补偿 不计( 返送不计) 、过补偿正计( 返送正计) 的无功计量方法，即功率因数调整电费 办法中第三条第二款提到的，凡装有无功补偿设备并有可能向电网倒送无功功 率的客户，必须随其负荷和电压变动及时、适量投入或切除无功补偿设备，供电 6 硕士学位论文 部门应在在计量点加装带有防倒装置的反向无功表，按倒送的无功电量与实际无 功电量两者的绝对值之和，计算月平均功率因数。因此铁道部门开始对功率因数 愈加关注。 电力系统中谐波水平随着电力电子技术的大力发展及其在电力系统的广泛应 用而逐渐高涨，限制谐波也开始引起了广泛的关注，相应的标准也陆续出台，电 气化铁路的谐波问题也必须满足谐波标准的要求。 电气化铁路发展的趋势是牵引负荷越来越大，负荷变化越来越快，牵引变电 所的容量不断扩大，相比较过去的电气化铁路电能质量问题比较单一的情况，现 在电气化铁路电能质量显得更为复杂和严重，因此采取必要措施加以限制是非常 必要的。 总结下近些年来，国内外对电气化铁道牵引供电部分电能质量治理研究主要 有以下几个方向： 1 无功与谐波综合治理方案： 按照不可调补偿和可调补偿以及连续调节补偿可以分为三类【1 9 之3 】： ( 1 ) 不可调补偿 固定电容器补偿装置。采用2 7 5 k v 母线上并联固定的电容器组，并串以1 2 的电抗器，进行无功补偿和谐波治理。可以进行一定的无功补偿和谐波治理，缺 点是不能随负荷的变化进行无功调节。 ( 2 ) 可调补偿 真空断路器投切电容器。采用补偿变压器对2 7 5 k v 母线电压降压，并将补偿 电容器组分成若干支路，每个支路串以1 2 的电抗器，然后利用真空开关对各补 偿支路进行动态投切，实现谐波治理和无功补偿。 ( 3 ) 连续调节补偿 1 ) 固定滤波器( f c ) + 晶闸管调节电抗器( t c r ) 。固定滤波器并联晶闸管控制电 抗器，根据无功补偿需要改变晶闸管触发角来调节流过电抗器的感性电流，实现 与过补偿的容性无功功率相抵消，满足功率因数要求。 2 ) 固定滤波器( f c ) + 可控饱和电抗器。固定电容补偿装置并联磁饱和电抗器， 根据无功补偿需要来控制可控硅调整磁饱和电抗器注入2 7 5 k v 母线的感性无功功 率，实现与过补偿的容性无功功率相抵消，达到谐波治理和无功补偿的目的。 3 ) 晶闸管投切电容器( t s c ) 。根据所需要补偿的无功量和特征谐波，设计多组 可投切且调谐在特征次谐波处的滤波器，在基波下各组滤波器呈容性。根据负荷 的波动，按照一定的控制模式，自动投切电容器组，跟踪负荷变化。 4 ) 固定滤波器( f c ) + 调压电容器( f c ) + 调压电抗器( t l ) 。通过调压器调整施加 到补偿电容器组的端电压来改变电容器组补偿容量，以实现无功补偿的动态补偿。 2 负序补偿方案【2 4 2 5 】 现有的电气化铁路电能质量综合补偿方案调研，大多数国家采用技术比较成熟的 s v c 方案，并根据具体情况，采用不同的控制方法。下面列举了几个有代表性的 硕士学位论文 s v c a p f s v g ( s t a t c o m ) 基于s t e i n m e t z 原理的三相平衡化策略， 动态无功补偿、电压控制、负序治理效 果比较理想：技术成熟，成本较低，适 用性好，可靠性高，维护方便 无功补偿、谐波抑制、负序治理效果非 常理想 动态响应速度快，工作效率高，无功补 偿、无功补偿、谐波治理、负序抑制效 果比较理想 s v c 本身的晶闸管控帛4 电抗 器( t c r ) 会产生谐波；装置占 地较大 技术复杂，还不成熟，大容量 成本非常高 出现部分的尝试，技术复杂， 成本相对较高，对负序的完全 补偿有赖于平衡变压器 1 3 1 国外研究现状 澳大利亚昆士兰铁路属于运煤重载铁路，由于接入的是1 3 2 k v 线路，电压等 级较低，接入点的短路容量比较小，个别接入点甚至小于3 0 0 m v a ，所以负序问 题非常严重。按照澳大利亚的负序标准，对负序电压持续时间1 分钟以下的允许 值为2 ，持续时间5 分钟的为l ，持续时间3 0 分钟的为0 7 。针对昆士亚铁 路的特点，其采取针对负序和谐波的治理措施，在沿途安装了1 0 套s v c 装置， 其中9 套安装在牵引变电所，第1 0 套安装在更高一级的电网上，负序治理效果显 墓 2 9 - 3 0 1 1 宣 。 日本新干线s v c ，此类装置上个世纪9 0 年代中期以来，已在日本新干线上使 用。世界上第一台商业化电气化铁路动态补偿装置，于1 9 9 2 年应用于日本新干线 的东海道西相模变电所【3 1 1 ，该所针对于s c o t t 接线方式设计的无功补偿装置容量 为2 x 1 5 m v a r 。晶闸管控制电抗器和固定电容器并联接入系统侧的设计方案，根据 检测到的负荷无功电流和负序电流，计算求出所需要补偿的无功电流数值，并注 入补偿电路从而达到补偿目的。该装置的灵敏度高，能够快速的跟踪牵引系统的 负载变化，提高功率因数，补偿负序。 还有实现功率因数补偿和负序治理的能量融通型补偿装置( r p c ：r a i l w a y s t a t i cp o w e rc o n d i t i o n e r ) 通过在牵引变压器的二次侧的母线安装两个单相 s t a t c o m 装置，进行有功功率流通和无功功率补偿，以此实现三相不平衡补偿和 电压稳定控制1 3 厶圳。 再如英法海底隧道采用了a b b 提供s v c 方案解决负荷平衡和电压控制，采 用4 个s v c ，其中3 个s v c 接于负荷侧用于无功补偿和电压控制，另外一个s v c 接入高一级的系统侧，用于动态负荷平衡1 3 引。 相s v c 的无功和负序检测方法，对s v c 的补偿导纳算法进行了仿真实现。 硕士学位论文 ( 2 ) 对三相s v c 的结构选型进行了分析，并对三相s v c 的无功补偿容量和分 配还有滤波参数进行了设计。 ( 3 ) 在实现了三相s v c 的结构和参数设计的基础上，利用m a t l a b 软件 的s i m p o w e r s y s t e m s 工具箱对外部电源、牵引供电系统，还有车载变压器和整流 设备以及三相s v c 装置进行了模型建立，并设计了相应的实验方案，对三相s v c 的补偿效果进行了验证。 三相s v c 在电气化铁路电能质量综合治理中的研究 第2 章我国电气化铁路的组成和相关电能质量标准 2 1 我国电气化铁路组成部分概述 我国的铁路牵引动力机车，经历了三个发展阶段，从最早期使用的蒸汽机车 到后来的内燃机车和电力机车。因此也有蒸汽牵引、内燃机牵引和电力牵引三种 牵引方式与上面的机车类型相对应。电气化铁路就是所谓的电力牵引的铁路，通 过外部电源供给电力机车能量，对电力机车进行电力驱动。 电气化铁路一般分为外部供电系统、牵引供电系统、电力机车三个部分。一 次发供电系统主要包括发电厂、区域变电所和高压传输线：牵引供电系统主要包 括牵引变电所和牵引网两部分；电力机车是指靠电能驱动运行的机车组，包括交一 直流机车和交一直一交流机车。 牵引供电系统经历了从最初的直流电到交流电、从三相到单相、从低频到工 频的发展过程。早期牵引供电系统在使用直流供电还是使用交流供电问题上，各 国有不同的主张。主张使用高压直流供电的主要有英国和法国等国；而主张交流 供电的主要以美国和德国为代表。 直流供电方式是指将电力系统三相交流电送到牵引变电所，然后经过牵引变 电所的降压整流成所需要的直流电，通过牵引网输送给电力机车。牵引网电压有 不同的标准：6 0 0 v 、7 5 0 v 、1 2 0 0 v 、1 5 0 0 v 、3 0 0 0 v 等。由于直流牵引电机受转向 条件的限制，电动机额定电压不能太高，导致牵引网电压升高有限。当需要牵引 网输送大功率时，将引起牵引网电流过大，牵引网导线需增大截面积，因此牵引 网的功率和电压损失都会增大。考虑到上述的电压损失，直流牵引变电所之间的 距离要比较短，一般只有1 5 k i n 到3 0 k m 。由于电气化铁路线路较长，如采用直流 供电方式，需要大量设置牵引变电所，投入增大；同时整流之间的配合也比较困 难，这是直流供电方式存在的最大问题。由于存在这些技术问题的原因，直流供 电在长供电线路的电气化铁路中应用逐渐减少，而在煤矿、城市电车和地铁中使 用广泛。 交流供电方式是指将电力系统三相交流电送到牵引变电所，然后经过牵引变 电所降压至所需要的交流电，通过牵引网输送给电力机车。单相交流电压也有不 同的标准：电压6 2 5 0 v ，工频5 0 h z 或者6 0 h z ；电压1 5 0 0 0 v ，工频1 6 彰h z ；电压 2 5 0 0 0 v ，工频5 0 h z 或者6 0 h z 等。 。， 我国干线电气化铁路始建于1 9 5 8 年，针对国外直流、低频单相交流、工频单 相交流制式并存的情况，考虑到我国的国土面积大，铁路建设需求大的特点，在 1 2 硕士学位论文 经济和统一标准的要求下，一开始就采用了技术先进的2 5 k v 、5 0 h z 的工频单相 交流制，为我国大力发展电气化铁道创造了有利条件。 工频单相交流制供电方式有以下突出特点【4 0 】： ( 1 ) 牵引供电系统简单。采用工频单相交流制供电方式，和电力系统采用 相同频率，不需要像低频交流制那样建设铁路专用的发电设备或者变频，牵引变 电所内的设备简单，同时也相应的提高了可靠性。 ( 2 ) 牵引供电所供电范围大。通过提高牵引网电压，大大减少了牵引网的 电流，和线路的电压降，从而牵引变电所的供电范围增大，牵引变电所数目相应 减少，降低了运营成本。 ( 3 ) 电能驱动方式灵活。采用单相工频供电，可以在机车上按需要装备不 同的电能变换设备，灵活的选择直流电机和三相异步电机作为机车的牵引动力。 ( 4 ) 流经大地的泄漏电流对沿线地下金属建筑物的腐蚀作用小。 从我国采用的工频单相交流制式牵引供电系统发展的方向考虑，本文仅选择 工频单相牵引供电系统作为研究的对象。 电气化铁路牵引负荷是幅值变化大且波动频繁的特殊负荷，引起负荷波动的 原因是多种多样的，与机车的运行安排、线路路况、机车型号、运行速度、牵引 重量等因素有关，它们导致负荷日波动的特征非常明显，且具有短时冲击负荷的 特征。电气化铁路牵引负荷作为单相负荷，相对三相电力系统具有不对称性，必 然产生负序电流和形成负序电压。电气化铁路牵引负荷含有很多整流设备，产生 丰富的谐波，属于谐波电流源。 2 1 1 外部电源系统 根据( t b l 0 0 0 9 2 0 0 5 铁路电力牵引供电设计规范规定：电力牵引为一级负 荷，牵引变电所应有两路电源供电；当任一路故障时，另一路应能正常供电。其 中两路电源可来自不同的地区变电站或同一地区变电站的不同母线或分段母线。 因此牵引供电系统一般由容量较大的电力系统供电，一般采用1 l0 k v 及以上电压 等级的输电线路。 外部电源系统的供电方式一般有以下几种【4 1 4 2 1 ： ( 1 ) 环形供电系统 环形供电系统即牵引变电所的高压侧和电力系统联成环网结构，当任一条输 电线路或者电源故障退出运行时都不会影响牵引变电所的正常供电，如图2 1 环形 供电系统所示。当输电线路a b 、b c 、c d 、d e 、e f 、f a 之中任何一条断路( 检修) 或者区域变电站或电厂a 、b 、c 任一一个退出运行，都不会影响到牵引变电站的 供电。 三相s v c 在电气化铁路电能质量综合治理中的研究 一 图2 1 环形供电系统 ( 2 ) 双侧供电系统 双侧供电系统即牵引变电所的电能来自电力系统的两个不同的区域变电站， 这两个区域变电站通过输电线路来进行联络，根据联络线的多少可以分为单路输 电线和双路输电线，如图2 2 双侧供电系统所示。牵引变电站c 、d 、e ，通过区 域变电站a 、b 进行的双侧供电，任意一侧断路( 检修) ，都可以保证牵引变电站的 正常运行。 鲴路产线l 麟 牵引变 电站d 牵引变 电站e 景萎耋单回k 电线 电站或单回路电线 电厂a li 旨嚣 双回路输电线路电厂b 图2 2 双侧供电系统 ( 3 ) 单侧供电系统 单侧供电系统即表示由一个区域变电站给区域内一个或者数个牵引变电所供 电，采