（电力系统及其自动化专业论文）同相供电变电所设备容量和补偿特性的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文i i a bs t r a c t c o m b i n i n gd i f f e r e n tt r a n s f o r m e r sw i r i n gf o r m sw i t hb a l a n c ec o n v e r td e v i c ec o u l d c o n s t i t u t ean e wt y p eo fc o p h a s et r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m ，w h i c hc o u l de l i m i n a t et h e u n b a l a n c e ds y s t e m ，f i l t e rh a r m o n i c sa n dc o m p e n s a t er e a c t i v ec u r r e n t s c o m p a r e dt op o w e r s y s t e m s ，a s y m m e t r i c a ls i n g l e p h a s et r a c t i o nl o a dw i t hh i g hh a r m o n i c sc o n t e n ta n dl o w p o w e rf a c t o rw a sap u r er e s i s t i v et h r e e p h a s es y m m e t r i c a ll o a d t h ep r i n c i p a l c o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h er a i l w a ys e c t o ra n dt h ep o w e rs e c t o rc o u l db ee f f e c t i v e l ys o l v e d t h i ss y s t e ma l s oc a n c e l l e dt h ep a r to ft h ee l e c t r i c a ls e c t i o n i n ga n dc o n f o r m e dt ot h et r e n do f p a s s e n g e rt r a f f i ca n df r e i g h tt r a n s p o r th i g h - s p e e d t h ec e n t r a ld e v i c eo fc o p h a s et r a c t i o n p o w e rs u p p l ys y s t e mw a s t r a c t i o nt r a n s f o r m e ra n db a l a n c ec o n v e r td e v i c e i nt h i ss t u d y , f i r s t l y , w ei n t r o d u c e dt h es t r u c t u r ea n dc o m p e n s a t i o np r i n c i p l eo fc o p h a s e p o w e rs u p p l ys y s t e m ，w h i c hw a sc o n s t r u c t e dw i tt h r e ek i n d so fd i f f e r e n tw i r i n gt r a n s f o r m e r s t h e n ，w ed e d u c e dt h ec o m n l o ne x p r e s s i o no ft r a c t i o ns i d ec o m p e n s a t i o nc u r r e n tw h e n r e a c t i v ec u r r e n ta n dn e g a t i v es e q u e n c ec u r r e n tw e r ec o m p e n s a t e d w ea l s od e d u c e dt h e c o m p r e h e n s i v ee x p r e s s i o no ft h r e et y p e so ft r a n s f o r m e rs e c o n d a r ys i d ec o m p e n s a t i o nc u r r e n t w h e nt h ec o m p e n s a t i o nd e g r e ew a sc o n s i d e r e d s e c o n d l y , t h ei n i t i a li n v e s t m e n to fc o p h a s e t r a c t i o ns u b s t a t i o nw i t ha c t i v ec o m p e n s a t i o nd e p e n d e do nt h ei n v e s t m e n to ft r a c t i o n t r a n s f o r m e ra n da c t i v ef i l t e rd e v i c e ，w h i c hr e l a t e dt ot h ec a p a c i t y , r e s p e c t i v e l y f o rt h e t r a c t i o nt r a n s f o r m e r , a c c o r d i n gt ot h ea n a l y t i c a le x p r e s s i o no ft r a n s f o r m e r , s i d ec o m p e n s a t i o n c u r r e n t ，w ec a l c u l a t e dt r a n s f o r m e rc a p a c i t yu t i l i z a t i o nr a t i ou n d e rf u l lc o m p e n s a t i o n , a n d d i s c u s s e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt r a n s f o r m e rc a p a c i t y , l o a dc a p a c i t ya n ds y s t e mc a p a c i t y i na d d i t i o n ，i no r d e rt oa c h i e v eo p t i m a ld e l i v e r yt r a n s f o r m e rc a p a c i t yb ya d j u s t i n gt h e c o m p e n s a t i o nd e g r e e ，w ea l s od i s c u s s e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et r a n s f o r m e rc a p a c i t y a n dc o m p e n s a t i o nd e g r e e p a s s i v ec o m p e n s a t i o nd e v i c ew a si n v o l v e dw i t ht h et r a n s f o r m e r w i r i n ga n dt h el o a dp o r t ，a n dt h e r ei sm i n i m u mc o m p e n s a t i o nd e v i c ec a p a c i t y f o r c o m p e n s a t i o nd e v i c eo fc o p h a s ep o w e rs u p p l ys y s t e mw i t ha c t i v ec o m p e n s a t i o n , w h e t h e rt h e c a p a c i t yr e l a t e dt ot h e s ei m p a c tf a c t o r s a b o u tt h ea b o v eq u e s t i o n s ，t h e r ei sn or e l e v a n t c o n c l u s i o n sc u r r e n t l y b e c a u s eo ft h ea c t i v ep o w e rc o m p e n s a t o rc a p a c i t yw a sd e c i d e db y c o m p e n s a t i o nc u r r e n to rc o m p e n s a t i o nc a p a c i t y , t h i ss t u d yf o c u s e do nt h eg e n e r a le x p r e s s i o n o f c o m p e n s a t i o nc u r r e n t ，e s t a b l i s h e dt h em o d e lo f m i n i m u mc o m p e n s a t i o nd e v i c ec a p a c i t y a n do b t a i n e ds o m er e l e v a n tc o n c l u s i o n s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tc o m p e n s a t i o nd e v i c e c a p a c i t yh a sn o t h i n gt od ow i t ht h el o a dp o r t ，t h ea l t e r a t i o no ft h el o a dp o r tc o u l dc h a n g e d i s t r i b u t i o no ft h ee a c hp h a s ec o m p e n s a t i o nc u r r e n t ，b u ti tc o u l dn o tc h a n g et h ec a p a c i t yo f 西南交通大学硕士研究生学位论文 i i i c o m p e n s a t i o nd e v i c e c o m p e n s a t i o nd e v i c ec a p a c i t yw a sr e l a t e dt ot h el o a dc a p a c i t y , l o a d p o w e rf a c t o ra n dc o m p e n s a t i o nd e g r e eo f r e a c t i v ea n dn e g a t i v es e q u e n c e h o w e v e r , t h e c o m p e n s a t i o nd e v i c ec a p a c i t yh a sn o t h i n gt od ow i t ht h et r a n s f o r m e rw i r i n gf o r m sw h e nt h e d i f f e r e n c eo ft w op o r t sc o n n e c t i o na n g l e sh a sn od i f f e r e n c e i tw a sm e a n i n g l e s st h a tu s e d s p e c i a lf o r m so ft r a n s f o r m e rt oi m p r o v et h ee c o n o m i cp e r f o r m a n c eo f a c t i v ec o m p e n s a t i o n s y s t e m f i n a l l y , t h e s ea b o v ed e r i v e dr e s u l t sw e r es i m u l a t e da n da n a l y z e db ym a t l a bs o f t w a r e ， t h ee m u l a t i o n a lr e s u l t sc o u l db eu s e df o rf u r t h e ra n a l y z i n gt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h em a i n e q u i p m e n t sc a p a c i t i e si nc o p h a s ep o w e rs u p p l ys u b s t a t i o n ，l o a dc a p a c i t y , l o a dc o n n e c t i o n a n g l ea n dl o a dp o w e r f a c t o r k e y w o r d s ：c o p h a s et r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m ；t r a c t i o nt r a n s f o r m e r ； a c t i v ep o w e rf i l t e r ；c a p a c i t yu t i l i z a t i o nr a t i o ； c o m p e n s a t i o nc u r r e n t ；c o m p e n s a t i o nc a p a c i t y 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： 日期： 谢杰 指导老师签名： 孓嘞嘈 矽限 冲 日肌训涉r 叫 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： ( 1 ) 在现有的同相供电系统方案的基础上，详细研究了全补偿时三类变压器接线 的容量及容量利用率，并且为了实现变压器容量的优化投放，还着重讨论了考虑补偿 度时三类变压器接线容量和容量利用率与补偿度的关系，并通过仿真曲线描述了容量 利用率随负序或无功补偿度变化的情况。( 2 ) 由于补偿装置的容量是由补偿电流或补 偿容量决定的，故重点研究了补偿电流和补偿容量与哪些因素有关，推导得出了补偿 电流的一般表达式。在满足补偿要求的前提下，建立了同相牵引供电系统最小补偿装 置容量模型，并求解出最小补偿装置容量表达式。( 3 ) 研究了各相补偿容量系数和总 补偿容量系数，以此来进一步观察补偿装置容量与负荷容量、负荷接线角以及负荷的 功率因数角等之间的关系。使用m a t l a b 软件针对两单相变流器和三相三桥臂变流器 两种不同拓扑形式平衡变换装置的补偿特性、补偿装置容量以及和无功、负序补偿度 的关系进行仿真，得出相关结论。 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，均己在文中作了明确说明。 本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名： 葫寸京、 、 日期： 弘一上叫 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 。1 研究背景及意义 1 1 1 研究背景 第1 章绪论 我国幅员辽阔，资源分布不均，地理条件相当复杂，全国铁路线的条件各不相同。 2 0 0 5 年底，我国电气化铁路里程突破2 0 0 0 0 公里，而且大多是运输繁忙的复线电气化 铁路，建设任务十分繁重。我国的5 条主要繁忙长大干线一京哈线、京广线、京沪 线、陇海线和沪杭浙赣线都将全线实现电气化，还将建成京沈、京津、沪杭、长衡4 条电气化客运专线，国家发展和改革委员会文件中中长期铁路网规划规划了“四纵 四横”铁路快速客运通道以及三个城际快速客运系统，主通道都将基本建成电气化铁 路。我国6 个大区西南、西北、华北、中南、东北和华东的电气化铁路将基本连 接成网，到2 0 2 0 年，中国铁路将形成以高快速客运专线为主干网络的客运系统 1 】。 随着铁路朝高速、重载化方向的发展，铁路单相负荷功率越来越大，由此在电力 系统中引起负序电流问题也越来越严重。此外，由于牵引网“电分相”的存在，限制 了高速铁路机车平滑连续地受流，电分相成了牵引供电的薄弱环节。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，但是高次谐波的含量明显增多，对通 信会产生较大的影响【2 训。为了减小高速铁路对电力系统和通信系统的影响及系统三相 的不对称，目前采用了包括提高电压、增大电源容量【5 7 1 、采取三相一两相平衡牵引变 压器们、牵引变电所换相联接1 1 1 、采用不平衡补偿装置【1 2 。1 4 1 等，这些措施虽能减轻高 速重载产生的负面影响，但不能从根本上解决问题【i5 1 。此外，牵引供电系统作为高速 铁路的重要基础和牵引负荷的动力来源，其供电质量的优劣，将会对高速铁路的安全、 可靠、经济运行产生重大影响。解决上述问题的理想办法是采用新型的同相供电系统， 也就是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 网中的分相绝缘器取消，通过安装专门的平衡变换装置把单相牵引负荷转换为三相纯 阻性平衡负荷【l6 1 。同相供电技术从根本上解决了电分相问题，更有利于高速机车速度 的提高，更能满足高速或重载牵引的发展要求；在补偿装置的作用下，能够解决系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 三相不平衡问题，同时补偿无功和谐波【17 1 。 1 1 2 研究意义 同相供电技术无论在经济上还是技术上都有显著的优势，例如，一次系统不存在 换相联接，省去自动过分相装置，消除了列车过电分相存在的安全隐患 1 8 - 2 0 ；可以完 全消除系统不平衡、滤除谐波和补偿无功；最大限度地提高变压器的容量利用率；提 高供电的灵活性和可靠性等【1 8 ，2 1 1 。因此，近几年国内一些专家提出了多种同相牵引供 电方案，如采用v 形接线方式、y 形接线方式、平衡变压器接线等多种接线方式2 2 。3 2 1 。 同时，为了进行有效补偿，平衡变换装置多采用两套“背靠背”单相变流器结构、三 相三桥臂变流器结构、三相四桥臂变流器结构等方案，最终实现同相供电 3 3 - 3 7 】。但是 研究的重点主要为采用不同的牵引变压器接线形式和平衡变换装置结构相结合来实现 同相供电，而对于不同补偿要求下牵引变压器的容量、容量利用率与补偿度的关系； 影响补偿装置容量大小的因素；采用不同拓扑形式平衡变换装置结构与不同接线变压 器相结合时，各相补偿容量和总补偿容量与负荷容量的关系等方面都没有相关的结论。 同相供电技术在国内尚处于理论研究阶段，没正式投入使用，在针对己提出同相牵引 供电系统方案的基础上，同相供电变电所设备容量和补偿特性的研究对同相供电技术 的进一步发展有着重要的意义。 牵引变压器和有源滤波器是同相供电系统中极其重要的组成部分，是保障同相牵 引供电系统方案高效、安全、可靠供电的重要基础。同相牵引供电系统能够使牵引变 电所及电力系统的技术指标得以改善，并能使系统产生如节省自动过分相装置的投资 和运营维护费用、通过改善电能质量而减少罚款及节约“两部制电价”中的容量电价等 经济效益，但是这些优越性又以设备的投入为代价，其中主要设备是指牵引变压器和 有源滤波装置。同相牵引变电所的设备容量和补偿特性分析主要是在对不同牵引主变 压器的容量及其容量利用率进行对比分析，为以后工程实际应用中变压器优化选型作 理论参考；此外，对有源滤波器的补偿特性和补偿容量进行深入分析可以达到节省工 程实际中投资的目的。因此本文主要可以通过以下两个方面进行理论推导分析：一为 同相牵引供电系统牵引变压器容量优化配胃；二为同相供电有源补偿特性及最小容量。 在牵引供电系统设计中，牵引变压器类型选择是决定牵引供电系统设计是否合理、 是否容易实现、是否利于降低运营费用和维护成本的关键。目前国内外在同相供电系 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 统设计中关于牵引变压器选型方面还没有相关经验可以借鉴，必须要选择或开发适合 同相供电特点的牵引变压器。此外，主变压器的容量是其中一个值得关注的问题。现 行电气化铁路牵引供电系统中牵引变压器总安装容量巨大，当牵引变压器容量利用率 不高时，在“两部制电价”下，假设牵引变压器容量减少5 m v a ，并且固定电费为0 6 元 k v a 天，则每个牵引变电所1 年就可以节省1 0 0 万元以上的资金【3 8 1 。而新型同相牵引 供电系统中大部分牵引变压器容量利用率较高，相对于既有两相供电系统可以节省变 压器安装容量，其经济优势非常显著。故如何利用已有变压器运行经验 3 9 书】，深入讨 论分析同相供电系统中不同接线变压器的容量及容量利用率情况，为将来实际工程应 用中牵引变压器的设计比选具有重要的参考意义。 作为同相供电系统中另外一个重要设备一平衡变换装置也是同相牵引变电所设计 的重要组成部分。平衡变换装置其实质就是有源滤波器，是一种用于动态抑制谐波、 无功的新型电力电子装置m 舶】。采用有源补偿的同相牵引供电系统，可以动态补偿负 序、无功和谐波，有利于系统安全可靠、经济运行 3 3 】。但是由于采用了有源滤波器， 系统的一次投资相应增加。尤其是有源补偿装置成本与其容量成正比，所以降低补偿 装置容量对于降低牵引变电所总投资具有重要意义【4 。7 1 。对于无源对称综合补偿系统的 补偿装置来说，由于补偿装置容量与负荷接入的端口、变压器接线方式、补偿装置接 入的端口有关，因此可以通过选择不同接线方式变压器、改变负荷端口或者改变补偿 端口，来降低补偿装置容量，以达到最小设备容量要求【4 8 , 4 9 】。那么采用有源补偿的同 相供电系统，补偿装置容量是否也与变压器接线方式、负荷接入端口有关，这是有源 滤波同相供电系统设计运行都十分关注的问题，关于这些问题目前还没有相关结论， 故需要加以分析和研究。 综合以上内容，本文拟研究课题“同相供电变电所设备容量和补偿特性的研究”， 对同相牵引变电所中牵引变压器和平衡变换装置的容量及其补偿特性进行深入研究。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 无源对称补偿技术实现的同相供电系统 采用无源对称补偿技术实现的同相供电系统中，牵引变电所牵引侧仅由一个端口 向牵引负荷供电，负荷引起的不平衡通过并联无功补偿( p r c ) 或并联电容补偿( p c c ) 使其消除或消弱，总有以下方程组成立【1 5 】： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 4 毛= k c s 。s i n 仍 m = 2 4 ，p 口= k n s l e 2 刚 m = 2 式中1 为牵引负荷端口，2 4 为补偿装置端口； s 、仍一为牵引负荷容量及功率因数角； & 、沙。一为补偿端口m 的补偿装置容量及接线角； k 、群一为负序补偿度和无功补偿度。 通过上式表明：当牵引变压器和和牵引负荷一定时，对于任意给定的负序补偿度 和无功补偿度，总能根据式( 1 1 ) 求出各端口补偿装置容量，也就是说从理论上讲， 任何一种牵引变压器，应用对称补偿技术，均能完全补偿无功和负序，实现原边电流 对称，即可构成三相一单相对称变换系统，实现同相供电。 为了提高无源对称补偿系统的经济性能即能用最小的对称补偿设备容量达到补偿 的目的，无源对称补偿从两个方面进行讨论，一是通过对固定牵引变压器接线方式即 常规变压器力求对称补偿设备容量为最小；二是通过选择有关端口接线角即特殊变压 器接线而使对称补偿设备容量为最小 5 0 也】。 1 2 1 1 基于常规变压器实施同相供电对称补偿 对于常规变压器，如y n d l l 接线、v v 接线、s c o t t 接线，应用对称补偿技术，从 理论上讲均能完全补偿无功和负序，且实现原边电流对称，从而构成三相一单相对称 变换系统，实现同相供电【4 8 1 。但根据式( 1 1 ) 可知：常规接线变压器各自然端口的接 线角不等，若实施同相供电对称补偿时，补偿装置所产生的负序电流不能与牵引负荷 产生的负序电流反向共线，从而使得补偿装置的总安装容量( 全补偿时) 大于牵引负 荷容量，补偿设备容量利用率不高，造成容量浪费【4 9 , 5 3 , 5 4 】。 1 2 1 2 基于特殊变压器实施同相供电对称补偿 基于常规变压器无法实现最佳补偿状这一缺陷，文献【5 0 得出采用特殊变压器接线 时实现最佳补偿的唯一途径的结论。为了使补偿装置设备容量达到最小，则各端口补 偿支路所产生的负序电流都应与牵引负荷产生的负序电流反向共线。则有下式成立： 4 s m = k c s ls i n 仍 m = 2 4 歹剐= k s m = 2 ( 1 2 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 通过进一步分析推导得出实现最小对称补偿设备容量的端口补偿特性用式( 1 3 ) 表示： ”埘堋+ 导或 ”- 1 3 5 0 + 号 = 1 3 5 。+ + 要 二 ( 1 3 ) 吮4 5 0 + 号 式( 1 2 ) 和式( 1 3 ) 表明实现同相供电最佳补偿的条件是：( 1 ) 必须且只须在某 两个补偿端口设置补偿装置；( 2 ) 两个补偿端口补偿装置必然一个是容性，一个是感 性；( 3 ) 两个补偿端口的电压矢量相互垂直。实现同相供电对称补偿的特殊接线方式 主要有不等边y n ，v d 接线、不等边s c o t t 接线、不等边v ，v 接线和y n ，2 d 接线等 5 0 5 5 5 6 1 。 总之，采用无源对称补偿技术实现的同相供电系统方案具有结构简单、经济和可 靠等优点，但是其补偿装置不具备谐波补偿与抑制的功能，需要单独设计滤波电路； 采用常规变压器将导致补偿装置容量浪费；采用特殊变压器接线方式理论上可以实现 最佳补偿的要求，但是实际中需要动态实时调整设备参数，难以达到理想的补偿效果 【5 7 1 。 1 2 2 采用有源滤波器实现的同相供电系统 采用有源滤波器实现的同相供电方案，在牵引变电所内安装有源滤波器平衡变换 装置进行三相一单相平衡变换，同时兼顾谐波和无功补偿。平衡变换装置由电压型有 源滤波器通过三相或者单相变压器与变电所连接。通过控制有源滤波器各开关状态， 改变桥臂的输出电压，使流过有源滤波器各桥臂的电流跟踪基波正序无功、负序和谐 波电流的变化而变化，从而达到平衡三相，补偿无功和谐波的目吲5 8 彤】。 现有的有源滤波器同相供电系统方案，无论针对b t 供电方式、简单直供方式和 a t 供电方式都已有相关文献提出，但是由于a t 供电方式下牵引供电电压高，牵引网 阻抗小，供电距离长，网压损耗小及综合经济技术性能优越的诸多优点，使a t 供电方 式下同相供电系统具有更为重要的研究意义【2 。文献 2 1 】提出了同相a t 牵引变电所的 构建方案，主要包括有基于“v ”形变压器、y ”形变压器和平衡变压器接线的构建方法。 此外，文献还讨论了同相a t 牵引供电系统平衡变换装置的结构和大容量平衡变换装置 实现方法。总之，从不同接线方式的同相a t 牵引变电所的结构与特点以及其供电可靠 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 性、经济性以及实现难易程度方面都进行了深入分析讨论，但是对于同相a t 牵引变电 所中牵引变压器的容量分析、影响补偿装置容量因素及补偿特性却没有相关的结论。 1 3 本文主要研究内容 针对国内地理条件、铁路网规划、技术现状及现行供电系统存在的缺陷等因素， 采用同相供电是未来铁路发展的一个趋势。目前，对于无源对称综合补偿系统来说， 对其补偿装置容量影响因素及端口补偿特性的研究已有较为成熟的研究结论；对于同 相供电有源补偿系统来说，虽然国内学者己提出了多种牵引变压器实现的同相供电系 统方案，但是这些方案都只是立足于同相牵引供电系统的构建，而对于不同补偿要求 下牵引变压器的容量、容量利用率与补偿度的关系；影响补偿装置容量大小的因素； 采用不同拓扑形式平衡变换装置结构与不同接线变压器相配合时，各相补偿容量和总 补偿容量与负荷容量的关系等方面却没有相关的结论，因此，本文拟研究课题同相 供电变电所设备容量和补偿特性的研究来进一步完善有源补偿同相供电技术的相关 内容。 本文主要是对牵引变压器和有源滤波器两个核心设备的容量和补偿特性进行分 析。首先，本文从基于有源滤波器实现的同相供电系统的基本结构出发，简单分析己 提出的多种变压器( 包括常规变压器和特殊变压器) 实现同相供电系统的接线原理； 其次，分析了全补偿时牵引侧补偿电流的通用表达式以及考虑补偿度时三类变压器副 边侧补偿电流的综合表达式；第三，根据已推导出的变压器二次侧补偿电流详细研究 了全补偿时三类变压器接线的容量及利用率。着重讨论了考虑补偿度时三类变压器接 线容量和容量利用率与补偿度的关系，并通过仿真曲线描述了容量利用率随补偿度变 化的情况。第四，由于补偿装置的容量是由补偿电流或补偿容量决定的，故重点研究 了补偿电流和补偿容量与哪些因素有关，推导得出补偿电流的一般表达式。在满足补 偿要求的前提下，建立同相牵引供电系统最小补偿装置容量模型，并求解出最小补偿 装置容量表达式。最后，本文进一步研究了各相补偿容量系数和总补偿容量系数，以 此来观察补偿装置容量与负荷容量、负荷接线角以及负荷的功率因数角等之间的关系。 使用m a t l a b 软件针对两单相变流器和三相三桥臂变流器两种不同拓扑形式平衡变 换装置的补偿特性、最小补偿装置容量以及和无功、负序补偿度的关系进行仿真，并 得出相关结论。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 第2 章不同接线变压器实现同相供电的补偿原理 2 1 不同接线方式的同相a t 牵引变电所结构 同相供电系统设计的关键在于牵引变电所结构。同相牵引变电所由牵引变压器和 采用有源滤波器的平衡变换装置构成。同相牵引变电所不仅具有一般的牵引变电所的 降压、选择相位输出的功能，还具有将单相负荷进行三相平衡变换，对牵引负荷进行 谐波和无功补偿的作用。文献 2 1 给出了同相a t 牵引变电所的多种接线类型，按照所 采用变压器接线方式的不同可以分为三类：基于v ”形接线( v v 接线变压器、v , x 接线 变压器，v , y 接线变压器) 的同相a t 牵引变电所；基于叩形接线( 单台2 7 5 k v 接线 和单台5 5 k v 接线) 的同相a t 牵引变电所；基于平衡变压器接线( 如阻抗匹配平衡变 压器、s c o t t 变压器，三相变四相变压器等) 的同相a t 牵引变电所。此外，文献 3 1 、 3 2 还介绍了几种特殊变压器接线的同相牵引变电所结构。平衡变换装置的结构主要包 括有：三相三桥臂变流器结构、三相四桥臂变流器结构和两“背靠背”单相变流器结构 【3 3 1 。本节就三类常规变压器接线方式及特殊变压器构建的同相牵引变电所方案进行简 单介绍。 2 1 1 基于“v ”形变压器的同相a t 供电方案 2 1 1 1v ，v 接线2 2 7 5 k v 同相供电方案 同相a t 牵引变电所v ，v 接线的两个副边绕组的电压均为2 2 7 5 k v ，两个副边 绕组的公共端予接钢轨，其它两个端子分别接接触线和平衡变换装置( p p ) 。平衡变换 装置有一个端子接正馈线，其结构如图2 1 所示。其中，平衡变换装置需采用三相四 桥臂变流器实现，平衡变换装置的控制方法相对较复杂 2 7 1 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 a b c t r f a ic 1 7 i b l i 图2 1 同相a t 牵引变电所v ，v 2 7 5 接线 2 1 1 2v ，x 接线2 x5 5 k v 同相供电方案 同相a t 牵引变电所v ，x 接线2 5 5 k v 结构如图2 2 所示。v ，x 接线是v ，v 接 线的特殊形式，变压器原边仍是v 接线，两个副边绕组的中点引出并相连，形成x 接 并连接钢轨，其中一个副边绕组的两个端子分别接正馈线和接触线，另一个副边绕组 与平衡变换装置相连，且两个副边绕组电压都是5 5 k v 。其中，平衡变换装置采用两“背 靠背”单相变流器或者三相三桥臂变流器结构【2 8 】。 a b c t r f i 啡 i c li p c i a ， b ， i p g 刁 i p b 卫 i p a l l i l a t 弓 弓 图2 2 同相a t 牵引变电所v ，x 5 5 接线 2 1 1 3v ，y 接线2 5 5 k v 同相供电方案 v ，y 接线也是v ，v 接线的特殊形式，在v ，v 接线的基础上，一个变压器副边 绕组中点引出构成v ，y 接线。两个副边绕组个带中点抽头，另一个可带中点抽头也 可不带中点抽头。带中点抽头的副边绕组接接触线和正馈线，中点抽头接钢轨，另一 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 个副边绕组与平衡变换装置相连，且两个副边绕组电压均是5 5 k v 。牵引变电所接线方 式见图2 3 所示。其中，平衡变换装置可根据补偿要求选用三相三桥臂变流器或两个“背 靠背的单相变流器【删。 a b c t r f y r i e ! ：! 兰 i a ，l b ， 业已 n 、l p a i l l i l a t i 丐 图2 - 3 同相a t 牵引变电所v ，y - 5 5 接线 2 1 2 基于“y 形变压器的同相a t 供电方案 2 1 2 1 单台5 5 k v 同相供电方案 单台5 5 k v 同相a t 牵引变电所主要由一台变比为1 1 0 k v 5 5 k v 的双绕组y n ，d 1 1 接线变压器和一台平衡变换装置构成，平衡变换装置可以选择采用三相三桥臂变流器 结构。同相a t 牵引变电所结构见图2 4 所示 6 5 1 。 a b c t r f 图2 4 同相a t 牵引变电所单台5 5 k v 接线 西南交通大学硕士研究生学位论文第10 页 2 1 2 2 单台2 7 5 k v 同相供电方案 单台2 7 5 k v 同相a t 牵引变电所主要有一台变比为1 1 0 k v 2 7 5 k v 的双绕组 y n ，d ll 接线变压器和一台平衡变换装置构成，见图2 5 所示。其中，平衡变换装置主 要由三相四桥臂变流器构成，其控制方法相对较复杂【6 5 】。 a b c t r f 图2 5 同相a t 牵引变电所单台2 7 5 k v 接线 2 1 3 基于平衡变压器的同相a t 供电方案 2 1 3 1s c o t t 接线同相供电方案 斯科特变压器m 座和t 座二次侧电压均为5 5 k v ，m 座5 5 k v 端口接接触线和正 馈线，而t 座5 5 k v 出口接平衡变换装置，再由平衡变换装置与m 座端口相连接。平 衡变换装置结构采用两“背靠背”单相变流器。其同相a t 牵引变电所接线见图2 - 6 所示 1 2 2 o a b c t r f l b 0l c，i a kl l 儿 t my _ 、r ，、r 射 bd c r 憎 i b ? a ti l ；【i b i “ 弓 图2 - 6 同相a t 牵引变电所s c o t t 平衡变压器接线 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 2 1 3 2 阻抗匹配平衡变压器接线同相供电方案 图2 7 是阻抗匹配平衡变压器同相a t 牵引供电系统，其中每个牵引变电所仅用1 台双绕组工作变压器和l 台平衡变换装置，变压器的变比仍为1 1 0 k v 2 7 5 k v 。其中， 平衡变换装置主要由四桥臂变流器构成，其控制方法相对较复杂【2 4 1 。 p 、 b c 、 r fa t i l 图2 7 同相a t 牵引变电所阻抗匹配平衡变压器接线 2 1 3 3 三相变四相平衡变压器接线同相供电方案 基于三相变四相变压器的同相牵引供电系统结构示意图如图2 8 所示。图中a 、b 、c 、 d 分别对应变压器四相侧4 个端子，氐c 端子接供电臂接触线t 和正馈线f ，b , d 端子通过平 衡变换装置接同一接触线t 和正馈线f 。其中平衡变换装置主要由两个个背靠背的单相 变流器构成【2 6 1 。 a b c t r f 图2 8 同相a t 牵引变电所三相变四相平衡变压器接线 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 2 1 4 基于特殊变压器的同相a t 供电方案 y n ，3 d 1 接线新型同相a t 牵引变电所的结构，见图2 9 所示，相似于三相变四相 变压器的同相a t 牵引变电所结构【2 1 1 ，y n ，3 d 1 接线变压器次边q 、7 接供电臂接触线 t 和正馈线f ，p 、p7 不再接另一供电臂，而是通过两“背靠背”单相变流器接同一接触 线t 和正馈线f ，两“背靠背”单相变流器作用是通过适当的控制提供负荷所需的谐波和 无功电流，并实现由牵引系统单相到电力系统三相的平衡变换。原次边可以中性点接 地，变压器的两个输出端口不需要接自耦变压器【3 l 】。 a b c t r f a 1。i bf i c y n ，3 d 一1 接线 k t 蜷罩 i a i 苗a v c i l 弓 1 图2 - 9 同相a t 牵引变电所y n ，3 d 1 变压器接线 单台y n ，九接线式变压器平衡补偿原理如图2 1 0 所示，p p 采用两个单相变流器结 构，图中、分别为变压器原边三相电流，乞、乞分别为变压器次边三相 电流；0 、l p b 、k 、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。t 为负载电流，t 为接触线，r 为钢轨，f 为正馈线。 a b c t r f i l 图2 1 0 同相a t 牵引变电所y n ，九变压器接线 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 2 2 牵引侧补偿电流 上一节简单介绍了目前己提出不同变压器接线实现的同相a t 牵引变电所接线原 理。那么，对于不同接线的变电所结构，其二次侧补偿电流之间又有什么样的关系和 区别呢? 这是本节要讨论的重点。文献 2 1 】分析了最优补偿时同相牵引供电系统中牵引 变压器原边侧和牵引侧广义有功电流、广义无功电流和综合补偿电流的综合表达式， 但是由于平衡变换装置安装在牵引侧，且牵引侧综合补偿电流的多少直接影响设备容 量大小，而牵引变压器设计容量与负序、无功和谐波补偿度有一定的关系，故需要对 全补偿和考虑补偿度时的牵引二次侧补偿电流进行深入分析。 2 2 1 全补偿时的牵引侧补偿电流 为了讨论方便，本文假设三相电压对称、负载电流只有基波电流、功率因数角为仍。 最优补偿时要求电源提供且仅提供负载全部的有功功率，所以： 、 3 u a i 爿= 舡丘c o s 仍 ( 2 1 ) l = 击k c o s 仍 ( 2 - 2 ) 压s i n c o t 4 5 s i n ( c o t 一1 2 0 。) 压s i n ( c o t + 1 2 0 。) ( 2 3 ) 式中 叽、吮一为一次侧a 相电压有效值和牵引网电压有效值； 厶、c o s 仍一为接触网基波电流有效值和功率因数： i a ( t ) 、i n ( t ) 、t ( f ) 一分别为一次侧三相电流； 力一为接线系数，对于单台2 7 5 接线系统五= 2 ，其它情况z = 1 ； k ，一为负荷端 2 1 电压与一次侧线电压之比即k ，= 粤。 3 u 。 由于电源只提供基波有功功率，故三相电源电流分别等于三相基波有功电流。一 次仞i 最优补偿电流为： 仍 soc ，1 k 生以 = 1，j o p p ： b0 有 m 纵量向 考 参为4u以 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 l p xc，：i；lpb蔓i i ：k 。，一弓等丘c o s 。( f ) = l 。o ) i = k o ) 一二寿丘 l k ( f ) j ” 压s i n 刎 压s i n ( 耐1 2 0 。1 4 5 s i n ( r o t + 1 2 0 。) ( 2 4 ) ?cr，1ii乏加暑(t)lj=如c。一m去墨c。s仍l鬟xf2s；i：nr：ot：主：； 2 - 5 ， 式中 k ( f ) 、屯( f ) 一分别为补偿前系统侧和牵引侧变压器三相电流瞬时值； 2 2 2 考虑补偿度时的牵引侧补偿电流 茎虽 = 三筹tc。s仍【is；i：na：t：主兰：； c 2 6 ， 旦监型耋型些墼篓墼圣耋竺坠 皇蔓蔓舞曼曼皇舅舞皇寡篁曼曼皂曼孽鼍寰曼舞毋鲁鲁毫是舞寡乎孽鲁穹墨曩e g s s 5 2 2 5 。5 一一 腓 刳 沼7 ) 对上式采用对称分量法可以得到a 相电流的正序、负序和零序表达式为： 氍! = 譬二兰： ，一 薹 2