（电力系统及其自动化专业论文）高速铁路同相供电保护方案研究.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 a n k st ot h eu s eo fb a l a n c ec o n v e r td e v i c e s ，c o p h a s ep o w e rs u p p l ys y s t e mc a l l e l i m i n a t es y s t e mi m b a l a n c e ，f i l t e rh a r m o n i cc u r r e n ta n dc o m p e n s a t er e a c t i v e c u r r e n t ，s ot h eu n s y m m e t r i c a ls i n g l e p h a s el o a dw h i c hu s u a l l yh a v eas h a r pc h a n g e ， a b u n d a n th a r m o n i ca n dl o wp o w e rf a c t o rm a yb er e g a r d e da sap u r er e s i s t a n c e s y m m e t r i c a lt h r e e p h a s el o a dt ot h ep o w e rs y s t e m t h e r ei sn on e c e s s a r yf o ri t s p r i m a r yp h a s e - c h a n g i n ga n dt h ef e e d e rv o l t a g ef r o ms u b s t a t i o n si st h es a m ev a l u e t h ee l e c t r i cn e u t r a ls e c t i o nc a nb er e m o v e da n d p r o b l e m sw h i c ha r i s ef r o mi tc a nb e s o l v e df u n d a m e n t a l l y a so n ep a r to fc o p h a s ep o w e rs u p p l ys y s t e m ，p r o t e c t i o n s c h e m ei sa l w a y si m p o r t a n t i nt h ec o p h a s es y s t e m ，c u r r e n ta n d v o l t a g ei nt r a c t i o n p o w e rs u p p l yc h a n g e da n dt h er e g u l a rp r o t e c t i o ns c h e m ei sn o ta d a p t i v et ot h e s y s t e ma n yl o n g e r s oc o n f i g u r i n gag o o dp r o t e c t i o ns c h e m eu s i n ga l lk i n d so f m o d e ms c i e n c et e c h n o l o g yc o n s i d e r i n gc o p h a s es y s t e m sc h a r a c t e r i s t i c s p l a y sa v e r yi m p o r t a n tr o l ei nt h eh i 曲- s p e e da n do v e r l o a d i n gr a i l w a yt r a n s p o r t sh i g h e f f i c i e n c ya n ds a f eo p e r a t i o n i nt h i st h e s i s ，f i r s t l y , t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h el o a dc u r r e n ta n df a u l tc u r r e n t c h a r a c t e r i s t i c so fc o p h a s ea tt r a c t i o np o w e rs u p p l ys y s t e m ，ad o u b l e e n d ( o rm u l t i p o w e rs u p p l y ) f e e d i n gs y s t e mw i t ha l l - p a r a l l e la ti sp r o p o s e d i t se l e c t r i c a le n e r g y l o s sa n dt h ev o l t a g ed r o po f p o w e rs u p p l ya c r o s sr e g i o n su n d e rf a u l ti sc o m p a r e di n t h e o r yw i t ht h ee x i s t i n gs i n g l e - e n df e e d i n gs y s t e mw i t ha t - p a r a l l e lo n l yi nt h e s e c t i o np o s t s f u r t h e r m o r e ，t h ef e e d e rp r o t e c t i o na n dc o n t r o ls c h e m el o g i ca n df l o w o fd o u b l e e n d ( o rm u l t ip o w e rs u p p l ”f e e d i n gi sd i s c u s s e d n em u t u a lt r a n s i t i o n b e t w e e ni ta n dr e g u l a rf e e d i n gs y s t e mi ss t u d i e d s e c o n d l y , t h ee f f e c to fh e a v yl o a di n p u ta n df e e d e rs h o r tc i r c u i to nb a l a n c e c o n v e r td e v i c ei s a n a l y s i s e da n dp r e v e n t i v ep r o t e c t i o ns h e m eo fb a l a n c ec o n v e r t d e v i c ei ss t u d i e d t h e ya r es i m u l a t e db yt h et o o l sm a t l a b s i m u l i n k l a t e rt h ee f f e c t o fb a l a n c ec o n v e r td e v i c ew h i c hc a m eo u to fa c t i o no nt h es y s t e mp o w e r q u a l i t yi s p r e s e n t e da n dt h eb a l a n c ec o n v e r tp e r f o r m a n c ed e t e c t i v ep r o t e c t i o ns c h e m eo f b a l a n c ec o n v e r td e v i c ei sp r o p o s e d t h i r d l y , t h ev a r i o u sf e e d e rs h o r tc i r c u i tf a u l t so fd o u b l e - e n dc o p h a s ef e e d i n g s y s t e mw i t ha l l p a r a l l e la ta r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h r o u g ht h em a t h e m a t i c a l a n a l y s i s ，t h ei m p e d a n c ea n dc u r r e n td i s t r i b u t i o no ft r a c t i o np o w e rs u p p l yn e t w o r k u n d e rv a r i o u sf a u l t si sf o u n d e d t h e ni ti s c o m p a r e dw i t ha l l p a r a l l e la tw i t h s i n g l e e n dp o w e rs u p p l y a n do nt h eb a s i so ft h i s ，c o n s i d e r i n go t h e rf a c t o r s ，as e to f t r a c t i o np o w e r s u p p l yn e t w o r kp r o t e c t i o ns c h e m ei sb r o u g h tf o r w a r d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i i 页 k e yw o r d s ：h i g h s p e e d r a i l w a y ；t r a c t i o np o w e rs u p p l yn e t w o r k ；p r o t e c t i o n ；c o p h a s e p o w e rs u p p l y ；b a l a n c e c o n v e r td e v i c e 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 不保密西，使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：l 习塥 日期：mg ； 指导柳签名：、矶一7 日期：咖- 6 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。尽我所知，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： ( 1 ) 通过对同相a t 牵引供电系统负荷电流和故障电流特点的分析，提出 了一种采用全并联a t 的双边供电( 或多电源供电) 的牵引网供电方式，并对所 提出的牵引网供电方式的电能损失及故障越区时的电压降与现有的a t 分区所 并联的单边供电系统进行了比较。对全并联a t 双边供电( 或多电源供电) 的 供电臂保护控制方案逻辑、流程进行了分析，对其与常规供电方式的相互转换进 行了研究。 ( 2 ) 分析了大负荷突增、馈线短路对平衡变换装置的影响，对平衡变换装 置本身的预防保护进行了研究并进行了m a t l a b s i m u l i n k 仿真验证，分析了平 衡变换装置撤出运行对系统电能质量的影响。 ( 3 ) 分析了全并联a t 双边同相供电系统牵引网各种短路故障情况，得出 了牵引网短路阻抗及短路电流分布规律，并与单边全并联a t 供电进行了比较。 以此为基础，综合各个方面的因素，提出了全并联双边供电( 或多电源供电) 的牵引网保护配置方案。 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 研究背景及意义 1 1 1 同相供电研究的意义 我国现行的电气化铁路供电系统为求得对电力系统的平衡，牵引变电所采 用三相进线换相连接。 高速和重载运输要求机车受电弓平滑连续受流。电分相由于其机械、电气 上的弱点，不仅成为速度和牵引力损失的主要原因，也是整个系统最薄弱的环 节之一。并且列车过分相要退级、断电，依靠惯性过“电分相”，给司机操作带 来很大困难。自动过分相装置虽然是解决问题的方法之一，但因电压高、转换 动作频繁，使其准确性和可靠度在应用中受到严峻挑战。 高速、重载运输都需要大容量供电，为满足国家标准中电力系统对电气化 铁道以负序为突出的电能质量的i t 曼n 指标，原有异相供电方式所使用的无功补 偿技术已无法适应。 若出现交一直一交机车与交一直机车混用局面，除负序外，无功和谐波仍 然存在，电能质量不能改善，电气化铁路将面临高价费问题。 为从根本上解决以上问题，必须对现行的供电方式加以改进，其中最有效 的方式就是在牵引变电所应用以负序、无功补偿为核心的同相供电技术【0 1 0 2 1 ， 去除电分相。 1 1 2 同相供电保护研究的意义 作为高速铁路同相供电的重要组成部分，保护的配置至关重要。具有快速 性、可靠性、选择性、灵敏性的继电保护，是保障同相供电系统高效、安全、 可靠供电的基础。 同相供电系统由于采用平衡变换装置，可以消除系统不平衡，滤除谐波并 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。其一次侧不再换相连接， 牵引侧各供电臂电压相同，从而取消电分相。牵引网的电流分布将发生变化， 原有的保护配置对同相供电系统不再完全适用。由于牵引网负荷为移动负荷， 接触网故障发生的几率较电力系统输电线路要频繁得多，因此研究同相供电的 特点，利用各种现代技术，配置适用的同相供电保护方案对于高速、重载的铁 路运输的安全、可靠运行具有非常重要的意义。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 1 2 国内外研究现状 1 2 1 同相供电方案的研究现状 同相a t 牵引供电系统的实现方法主要有两类。 ( 1 ) 采用对称补偿技术构成的同相供电系统 0 3 0 8 1 。 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，同时兼备无功补偿，从而实现同相供电。 这种方案具有结构简单，控制方便等优点，但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：在含有电容器的补偿装置中，谐波电 流与电容器之间要相互影响；系统的动态响应速度低，对于剧烈变化的负载， 补偿效果不理想叫j 。 ( 2 ) 采用有源滤波器构成的同相供电系统。 目前，采用有源滤波器的补偿技术已经有了大量的研究 1 0 1 3 1 ，因为它具 有补偿时动态响应速度快、精度高的特点，随着电力电子的大量发展与应用， 此种方法补偿性能会越来越好。 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方梨0 1 】。 文献 1 4 1 9 提出了基于有源滤波器实现同相供电的技术方案，并给出了 y n ，d l1 接线、阻抗匹配平衡接线和s c o t t 接线同相b t 式供电方案。 a t 供电方式具有很多优势：通信防护效果好；牵引网阻抗小，供电距离长， 变电所数量少：无需在a t 处实行电分段，适合高速、重载列车运行，综合经济 技术性能优越，在国内外已有广泛应用。文献 2 0 一2 5 将有源滤波器、a t 供电方 式和不同的接线方式变压器三者有机结合，构建基于有源滤波器和a t 供电方式 的新型同相a t 牵引供电系统，来彻底解决由于电分相的存在造成的各种问题。 1 2 2 高速铁路继电保护研究现状 1 2 2 1 国外牵引网馈线保护 世界各国高速铁路牵引网馈线保护的配置方式各不相同。其中，以日本、 德国、法国和英国为代表【2 6 1 ，提出的保护原理主要有：可切换型牵引供电系统 保护原理、高次谐波抑制式型故障选择原理、带谐波抑制的过电流元件的距 离保护原理等。 ( 1 ) 日本高速铁路牵引网保护 目前，日本交流电气化铁道的馈线保护一般由距离保护元件和电流增量型 故障选择元件构成。广泛使用的距离保护元件是微机型距离继电器，其动作特 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 性为平行四边形特性。最初只采用距离继电器，随着负荷和故障区分的逐渐复 杂及希望保护动作原理的二重性，开发了交流型故障选择装置。后来，利用 变压器空载激磁涌流和负荷电流中的高次谐波，研制了高速动作的高次谐波抑 制式型故障选择装置，随后在既有线和新干线上正式使用，与距离继电器共 同构成二重保护。 ( 2 ) 德国牵引网微机馈线成套保护装置 德国高速铁路牵引网采用的微机馈线保护装置为s i e m e n s 公司生产的 7 s a 5 1 8 5 1 9 ，我国广深高速铁路和哈大线的接触网馈线也采用这种保护装置。其 功能主要配置如下：具有组合特性的两段距离保护、电流速断保护、过电流后 备保护、两段断路器失灵保护、反映负荷电流的接触导线温度保护、自动重合 闸、温度保护自动重合闸、故障测距、故障记录、运行与故障指示、可编程指 令、信号继电器、l e d 显示与二进制输入等。 1 2 2 2 国内微机馈线保护原理 国内微机保护的研究和应用在近几年取得了快速发展，新线建设和旧线改 造大都采用微机保护。 根据国家标准和铁标要求，并考虑国内电气化铁道的实际情况，国内微机 型馈线保护一般配置以下功能：自适应三段距离保护、电流速断保护、过电流 保护、自适应电流增量保护、反时限过负荷保护、接触网发热保护、一次自动 重合闸、t v 断线检测、分区所检有压元件、开闭所检有压元件；故障点测距等。 1 2 2 3 变压器保护现状 目前，牵引变压器微机保护的主要研究成果集中在差动保护方面。差动保 护应满足以下要求：在任何情况下，牵引变压器发生内部故障时应快速动作跳 闸；无论正常牵引变压器发生任何形式的励磁涌流应可靠不动作【2 7 】。变压器的 关键是如何区分励磁涌流和内部故障电流，因此，与传统保护类似，牵引变压 器微机保护的原理和算法主要研究解决两个主要问题：一是如何区分牵引变压 器内、外故障；二是如何鉴别励磁涌流。 目前采用的方法【2 8 】有电流波形特征识别法、感应电压差动法、差有功法、 基于模糊逻辑的多判据法等。 1 2 3 高速铁路同相供电保护研究现状 同相供电系统由于其具有的巨大的优越性在电气化领域成为当前研究的热 点。然而作为其重要组成部分的同相供电系统保护方面的研究未见报道。 1 3 本文所做工作 本论文在现有技术条件下，主要做了以下几个方面的工作： 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 首先通过对同相a t 牵引供电系统负荷电流和故障电流特点的分析，提出了 一种采用全并联a t 的双边供电( 或多电源供电) 的牵引网供电方式，并对所提 出的牵引网供电方式的电能损失及其故障越区的电压降与现有的a t 分区所并联 的单边供电系统进行了比较。前者由于电流能在上下行以及多个供电区段进行 均衡，供电性能明显优于后者。之后对全并联a t 双边供电( 或多电源供电) 的 供电臂保护控制方案逻辑、流程进行了分析，对其与常规供电方式的相互转换进 行了研究。 其次，本文分析了大负荷突然接入以及系统发生短路故障时对平衡变换装 置的影响，这些因素都可能造成平衡变换装置的过流，损坏平衡变换装置，因 而应该对其限流。本文比较分析了封锁脉冲保护和截断限流保护的效果，并进 行了m a t l a b s i m u l i n k 仿真，研究了平衡变换装置撤出运行对电力系统造成的 影响，并提出了一种平衡变换装置变换性能检测保护的方案。 最后，本文详细分析了全并联双边同相供电系统牵引网不同的短路故障情 况，通过数学分析，得出了各种故障情况下的牵引网阻抗特性曲线及短路电流 分布规律，并与单边的全并联a t 供电进行了比较。以此为基础，综合各个方面 的因素，提出了适宜于全并联双边供电( 或多电源供电) 的变电所、分区所、 a t 所的保护配置方案。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章同相a t 牵引供电系统 2 1 原a t 牵引供电系统的结构及存在问题 交流牵引供电系统可采用的供电方式主要有4 种：直接供电方式，b t ( 吸 流变压器) 供电方式，a t ( 自耦变压器) 供电方式和c c ( 同轴电缆) 供电方式。 其中，a t 牵引供电方式是2 0 世纪7 0 年代才发展起来的，它既能有效地减轻牵 引网对通信线路的干扰，又能适应高速、大功率电力机车的应用，比其他供电 方式更具有优越性 2 9 】。特别在日本、法国和我国【3 0 】，a t 供电方式得到了广泛 应用。 a t 供电方式每隔l o k m 左右在接触网与正馈线之间并联接入1 台自耦变压 器，其中性点与钢轨相接。自耦变压器将牵引网的供电电压提高1 倍，而供给 电力机车的电压仍为2 5 k v ，其工作原理如图2 - 1 所示。 图2 1a t 供电方式 电力机车由接触网( t ) 受电后，牵引电流一般由钢轨( r ) 流回，由于自 耦变压器的作用，从钢轨流回的电流，经自耦变压器绕组和正馈线( f ) 流回变 电所。当自耦变压器的一个绕组流过机车电流时，其另一个绕组感应出电流供 给电力机车。自耦变压器供电方式的牵引网阻抗很小，约为直接供电的1 4 ，因 此电压损失小，电能损耗低，供电能力大，供电距离长，可达4 0 - - 一5 0 k m 。由于 牵引变电所的距离加大，从而减少了牵引变电所的数量，也减少了电力系统对 电气化铁路供电的工程投资。但由于牵引变电所和牵引网比较复杂，因此加大 了电气化铁路自身的投资，这种供电方式一般用在重载、高速等负荷大的电气 化铁路上。 原a t 牵引供电系统结构如图2 2 所示。在原有a t 牵引供电系统中，为求 得对电力系统的平衡，牵引变电所采用三相进线换相连接措施，这就导致了 2 7 5 k v 侧接触网电分相( 分相绝缘器) 环节的出现。此类系统存在的缺剧2 4 】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。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 n sn sn sn sn sn s s s 牵引变电所；俨自耦变压器；t _ 一接触网；n s 一分相绝缘器； r 一轨道、地；卜正馈线 图2 - 2 原a t 牵引供电系统 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 解决电分相给高速运行带来的影响，限制了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。 ( 2 ) 牵引负荷为变换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，称为换相连接。采用换相连接虽然可以改善 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情况是极其有限的；采用平衡变换的变压器，如阻抗匹 配变压器，s c o t t 变压器，也只能在两牵引负荷相同的条件下才能实现三相平衡。 ( 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。 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a t 牵引供电系统的总体结构 同相a t 牵引供电系统由a t 牵引网和同相a t 牵引变电所组成，见图2 3 所 示。其中，s s l 一s s 3 为同相a t 牵引变电所，它主要由牵引主变压器和平衡变换 装置构成( 图中用b c d 表示) 构成，其作用是( 1 ) 变压；( 2 ) 平衡变换；( 3 ) 补偿负载无功和谐波。变压的任务主要由牵引主变压器完成，当前常用的变压 器接线方式有v ，v 接线、y n ，d l l 接线、平衡变压器接线( 包括阻抗匹配平衡变 压器，s c o t t 变压器，三相变四相变压器) 等多种。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，平衡变换装置的核心部分可以由三相三 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 桥臂变流器、三相四桥臂变流器或两“背对背”单相变流器等组成。 图2 - 3i 司相a t 军引供电系统 同相a t 牵引供电系统与采用换相连接的系统相比，具有如下特点：( 1 ) 各 变电所的结构和接线完全相同，一次系统不再换相连接，牵引侧各供电臂电压 相同，从而可取消电分相，实现同相供电。( 2 ) 由于平衡变换装置的作用，可 以完全消除系统不平衡，滤除谐波并补偿无功，使变换剧烈、含有大量谐波、 低功率因数的不对称单相牵引负荷，对于电力系统而言，仅相当于一个纯阻性 的三相对称负荷。( 3 ) 可以最大限度地提高变压器容量利用率。( 4 ) 供电灵活 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。 2 3 同相a t 牵引变电所的构建 同相牵引变电所的结构与主变压器的接线方式、平衡变换装置的结构以及 变压器、平衡变换装置和a t 牵引网三者的连接方式有关。由于变压器接线方式 和平衡变换装置以及变压器、平衡变换装置和a t 牵引网三者的连接方式有多种， 所以同相a t 牵引变电所也有多种接线类型。从所采用的变压器接线方式分类有： 基于v ，v 接线的同相a t 牵引变电所、基于y n ，d l l 接线的同相a t 牵引变电所 和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；从平衡变换装置的结构分类有：三相三桥臂变 流器结构、三相四桥臂变流器结构和两“背对背 单相变流器结构；从平衡变 换装置接入的方式分类有：并联式、串联式和混联式。 2 3 1 基于“v 型变压器的同相a t 牵引供电系统 如图2 - 4 所示分别为基于v ，y 和v ，x 变压器接线的2 5 5 k v 同相供电方案。 其特点是【0 1 2 4 ： ( 1 ) 变压器结构简单，造价低，安装调试方便； ( 2 ) 当平衡变换装置故障时，系统将变成单相接线，无法补偿谐波和无功。 但供电仍能继续运行，通信干扰防护效果不变。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 v ，x 接线和v ，y 接线的区别是，若采用两台单相变压器构成时，v ，x 接线 的两台变压器因副边均有中点抽头，可以方便地互换运行，任何一台故障时， 都能保证系统正常供电和牵引网的通信防护效果；而v ，y 接线因补偿变压器副 边无中点抽头，故负荷变压器故障时系统不能正常运行。 a ) 同相a t 牵引变电所v ，y 一5 5 接线b ) 同相a t 牵引变电所v ，x 一5 5 接线 图2 4v 接线同相a t 牵引变电所 2 3 2 基于y n ，d 1 1 接线变压器的同相a t 牵引供电系统 8 c b c t r f a ) 单台5 5 k v 接线b ) 单台2 7 5 k v 接线 图2 5 同相a t 牵引变电所单台变压器式接线 单台变压器结构主要有两种【o l 】，如图2 - 5 所示：一种是采用一台变比为 1 1 0 k v 5 5 k v 的y n ，d 1 1 接变压器构成，简称单台y n ，d 1 1 - 5 5 接线；另一种则是 用一台变比为1 1 0 k v 2 7 5 k v 的y n ，d l i 接变压器构成，简称单台y n ，d 1 1 2 7 5 接线。 单台5 5 k v 同相a t 供电方案的特点是：平衡变换装置可由三相三桥臂变流 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 器构成，也可由两“背对背”单相变流器构成；需要一台自耦变压器，以便引 出中抽头接钢轨；变压器需要特制；平衡变换装置故障时，不影响正常供电， 但系统将失去平衡能力。 单台2 7 5 k v 同相a t 供电方案的特点是：每个变电所仅需一台( 双绕组) 工作变压器和一台平衡变换装置，接线简单，投资少，维护方便；平衡变换装 置故障时，系统变为无通信防护能力的简单直供方式，但仍能继续供电；变流 器的四个桥臂共同作用可以减小开关频率，平衡补偿后波形质量优于其它方案； 不需要自耦变压器，也不用特制变压器；平衡变换装置主要由四桥臂变流器构 成，控制方法相对复杂，桥臂电流也不均衡；平衡变换装置故障，虽能保证供 电，但牵引网失去通信防护能力。 2 3 3 基于s o o t t 接线变压器的同相a t 牵引供电系统 基于s c o t t 接线变压器的同相a t 牵引供电系统如图2 - 6 。这种方案的特点 【2 i 】是：平衡变换装置由两个背靠背的单相变流器构成，平衡器控制方法相对简 单，容易实现，且各桥臂电流相对均衡；当平衡器故障时，不影响正常供电， 且仍保持原来的通信防护效果；比原系统省1 台自耦变压器，但m 座5 5 k v 出口 仍需要l 台自耦变压器，以提供接钢轨的中点抽头。 a t 图2 6 同相a t 牵引变电所s c o t t图2 - 7 同相a t 军引变电所三相 平衡变压器接线变四相平衡变压器接线 2 3 4 基于三相变四相变压器的同相a t 牵引供电系统 与斯科特变压器不同的地方主要在于：三相变四相变压器( 同相供电系统 接线如图2 7 所示) 原边中性点可以方便接地，而s c o t t 变压器原边无中性接 地点，因此s c o t t 变压器构成的同相a t 牵引供电系统，仅适用于系统不要求有 中性点接地的场合；三相变四相变压器次边自带中抽头，因此该变压器构成的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 同相a t 供电系统，变压器的两个输出端口不需要接自耦变压器；而斯科特变压 器次边两绕组皆无中点抽头，所以变压器两输出端口处都必须安装一台带中抽 头的自耦变压器( 考虑同相供电实际需要，补偿端口处可省一台自耦变) 。 2 4 平衡变换装置的结构及原理 2 4 1 平衡变换装置的基本结构 从本质上讲，平衡变换装置就是有源滤波器，其主要功能是实现三相平衡， 补偿谐波和无功。根据接线方式不同有三种不同的基本结构：两端口接线角相 差+ 9 0 0 、两端口接线角相差+ 1 2 0 0 和单台y n ，d 1 1 2 7 5 接线系统。 2 4 1 1 两端口接线角相差+ 9 0 0 的系统 两端口接线角相差+ 9 0 0 的系统，一般采用两个单相变流器构成，由两个单 相变流器公用一套直流电源“背靠背”连接而成，如图2 8 所示。 l：已k t b p b j 图2 - 8 两单相变流器结构 图中的g c 与端子对应接三相变四相变压器接线的a c 与嬲相或对应接 s c o t t 接线的m 座端口和2 1 座端口或对应接阻抗匹配变压器接线的口相端口和 相端1 2 1 ，则可以实现平衡变化与补偿的目的。 2 4 1 2 两端口接线角相差+ 1 2 0 0 的系统 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，两端口 接线角相差+ 1 2 0 。，当仅补偿负序时，三相电流对称，所以可采用三桥臂变流器 结构。平衡变换装置有两种接入方式：一种通过两个单相变压器接入系统，可 用于v ，x 接线系统，如图2 - 9 ( a ) 所示；另一种是通过y ，y 变压器接入系统，主 要用于y n ，d l1 、v ，v 和v ，y 系统，如图2 9 ( b ) 所示。 2 4 1 3 单台y n 。d l1 - 2 7 5 接线系统 对于单台y n ，d l1 - 2 7 5 接线系统，由于其结构过于特殊，若采用两单相变流 器结构或三相三桥臂结构，则无法实现三相平衡变换与补偿。根据平衡补偿的 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，如图2 - 1 0 所 示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 b c c a ) 三桥四端子结构( b ) 三桥三端子结构 图2 - 9 三桥臂结构平衡变换装置 c 图2 - 1 0 四桥臂结构平衡变换装置 2 4 1 4 大容量平衡变换装置构成 电气化铁道同相供电系统，要补偿的容量大、电压高，需要采用大容量的 有源滤波器。目前，单一的p w m 变流器很难满足这种需求。解决这一问题的方 法主要有两种：一是将无源补偿网络与有源补偿网络共同组合成综合补偿装置； 二是采用多重化或多电平变流器的有源滤波器结构。 无源补偿网络造价低、工作可靠、容易实现，但易与系统发生谐振、动态 补偿效果较差；有源补偿网络具有很好的动态补偿效果、能很好的抑制谐振， 但成本高、大容量补偿装置难以实现。采用并联型有源滤波器加并联无源网络 结构，有利于发挥各自的优势。 多重化或多电平变流器不但可增大容量，而且还可以提高有源滤波器的等 效开关频率，从而改善其补偿性能。由于有源滤波器的等效开关频率提高，可 以降低单个器件的工作频率，从而减少器件的开关损耗。 2 4 2 平衡变换装置的原理 2 4 2 1 平衡变换装置的基本结构与原理 平衡变换装置的构成如图2 1 1 所示。从图中可以看出平衡变换装置由两大 部分组成：补偿电流期望值电路( 包括谐波与无功电流检测电路和补偿电流期 一 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 望值形成电路) 及补偿电流发生电路( 由补偿电流控制电路、驱动隔离电路和主 电路三个部分构成) 。前者的作用是检测出负载电流中需要补偿的包括谐波和无 功在内的补偿电流期望值：后者的作用是根据检测出来的补偿电流期望值产生 相应的补偿电流。其中补偿电流控制电路是补偿电流发生电路的核心环节，负 责根据补偿电流指令信号，由控制算法计算得到主电路每相桥臂各功率开关器 件的触发脉冲；隔离与驱动电路负责驱动主电路i g b t 开关；主电路用来产生补 偿电流。 图2 1 1 平衡变换装置的基本工作原理 平衡变换装置的基本工作原理是：根据平衡变换的目标，求出平衡变换装 置应输出电流值，a p * l , 偿电流期望值( 指令电流) t 。补偿电流期望值t + 要满 足条件：三相平衡、滤除谐波、补偿无功，通常需要通过谐波无功电流检测电 路将负载电流i 中的谐波电流f 。和无功电流。分离出来，根据i 的要求构造t + 的c 调制波信号。补偿电流控制电路根据t 的值输出触发脉冲，通过驱动隔离电路 驱动主电路的功率开关，使其创建出补偿电流。t 要跟踪t + ，故i c t + ，所以 i = i l - i c = t 一乞 ( 2 1 ) 从而得到只含有电源电流基波分量且满足三相平衡变换的电流f ，使变换剧烈、 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 4 2 2 平衡变换装置补偿电流期望值的检测 无论采用两个背靠背单相变流器还是三相变流器的平衡器，其平衡变换原 理基本相同。以基于斯科特变压器的同相a t 牵引供电系统【2 1 】为例说明。 图2 - 1 2 和图2 - 6 分别为斯科特变压器2 5 5 k v 同相供电平衡变换器结构示 意图和变换原理示意图。图中、为l l o k v 侧三相电流；、毛分别为牵 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 u 6 d 彳 二 ：k a p i a a u 钟 图2 1 22 x5 5 k v 同相供电平衡变换装置结构示意图 引侧t 座和m 座负荷电流；0 、k 为平衡器提供的电流；t 为电源馈出的接触 网电流。可得出以下关系式： 乞订= ot 】r 一 o k 2 ( 2 2 ) 式中：t 表示矩阵转置。 对于斯科特变压器，当变电所2 个供电臂负荷完全相同时，系统三相完全 平衡，也即，当i 。= j i b = i 时，则 i ib i c ( 2 - 3 ) 式中，如2 1 1 0 5 5 为m 座变比。 平衡变换的目标是：让电源提供全部的有功功率且只提供有功功率，无论 何种负载对于电力系统侧来说只相当于一个纯阻性三相对称负载。若设f ：，中只 有基波有功电流分量，并令t = 口，则 4 3 i ax l1 0 = 2 厶口2 7 5 ( 2 4 ) 驴方玄， q 5 式中：l 、厶p 分别为、p 的均方根值。若设一次侧电源a 相电压为 = s i n w t ，根据式( 2 3 ) ，并考虑一次侧三相电流对称且仅输出有功电流， 得 1 1 4 = j i b 2 三i 、p 二 ( 2 - 6 ) 老 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 阡纠渤器。， 浯7 ， 式( 2 - 7 ) 即为电源电流期望式。为保证c a 源电流满足式( 2 7 ) ，平衡器的补偿 珧 8 ， 以上讨论中假定f ：中只含有基波有功电流分量，实际情况是t 中不但纯在 无功且含有谐波，此时为保证c a 源电流仍能满足式( 2 - 7 ) ，根据式( 2 - 2 ) 可知 平衡器的输出c a 流，即补偿电流应为： 乏苫； = 芝 一5 互- p s i n 0 ：二；。， c 2 9 ， i l ( t ) = p ( f ) + g ( f ) + i h ( t ) ( 2 一1 0 ) 式中：i h ( t ) 为所有瞬时谐波电流总和；口( f ) 和l q ( f ) 分别为与牵引网电压 吮( f ) 同相位的瞬时基波有功电流分量和与电压“( f ) 正交的瞬时基波无功c a 流 分量。以图2 - 6 接线关系为例，牵引网c a 压与变压器一次侧8 c 线c a 压同相，与 p ( f ) = 2 厶ps i n ( w t - 9 0 。) ( 2 11 ) 屯( f ) = - 4 2 1 , 鼋s i nw t ( 2 一1 2 ) i l ( t ) s i n ( w t - 9 0 。) = v ，zi l p 1 - - c o s 2 ( w t 一9 0 。) 】+ g o ) + o ) 】s i n ( w t 一9 0 。) ( 2 1 3 ) 上式右边由直流分量和交流分量两部分组成，用低通滤波器滤除交流量可 得2 2 倍的负载基波有功电流分量。，再根据式( 2 - 9 ) 可构造出如图2 1 3 所示的平衡器综合补偿电流实时检测电路。 图中，s i n w t 、c o s w t 分别是与牵引网电压同相位的正弦信号和与之相对应 的余弦信号，他们可由锁相环得到。 检测到了不同时刻需要补偿的补偿电流的大小，即补偿电流期望值，可根 据式( 2 9 ) 构造出如图2 - 1 3 所示的平衡变换装置综合补偿电流实时检测电路。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 - c o 0 ( f ) 图2 1 3 综合补偿电流实时检测电路 2 4 2 3 平衡变换装置的控制 平衡变换装置由2 个独立的单相变流器构成，因此可以对2 个变流器独立 进行控制。由图2 - 1 2 得： ； u b d = 三+ 尺f + ( 2 - 1 4 ) 口f 式中：、尺和分别为从桥臂侧看，系统等效电感、电阻和电源电势；“材、 i 为变流器输出电压( 两桥臂间电压) 和输出电流。设u 、，为变流器输出电压、 电流的期望值，则 ； “= 三+ r i + ( 2 - 1 5 ) “f 为了使变流器输出期望电流广，则应控制变流器输出电压“，但变流器只能输 出o 、e ( 直流侧电压) 、e 这3 种电压，所以需要利用这3 种电压通过调制得 到“+ 。为降低开关频率和提高对直流电压的利用率，可采用状态优化控制方法， 控制规则如表2 1 所示。 表2 1 变流器状态控制规则 其中品和& 、表示6 、d 两个桥臂的状态，当只o = 6 ，d ) = 1 表示工桥臂的上管 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 道通，下管截至；s 。= 0 表示x 桥臂的上管截至，下管导通；a i = i + 一i 为电流误 差；h 为误差门限。上述方法需要计算u ，以判断其大小，这需要预先估计三和 尺，但系统阻抗是变化的，尤其对于电气化铁道更是如此，准确检测困难。为 解决这一问题，可用双滞环电流比较状态优化控制方法【1 刀。式( 2 1 5 ) 与式( 2 1 4 ) 相减并忽略尺可得 三掣：一 (216)ul = 一“ j l 么- 从上式可以看出，当掣 o 时，说明变流器期望输出电压大于实际输出电 d f 压，应调整变流器状态使其输出电压增加；当掣 o 时，说明变流器期望输出 d f 电压小于实际输出电压，应调整变流器状态使其输出电压减小。据此可构造双 滞环电流比较状态优化控制方法。由于准确检测掣较困难，故实际中检测f 是 c l t 否增加来判定u 的状态。图2 - 1 4 为双滞环比较状态优化控制框图。其中墨、瓯 分别为内、外环比较器输出状态值。内环比较器用于确定电流误差是否在允许 范围内，外环比较器用于确定u 的状态，状态选择表用于确定2 个桥臂开关的 动作状态，根据原理可得 & 2 竖 ( 2 - 1 7 ) s d = s t s u 图2 1 4 双滞环电流比较状态优化控制框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 第3 章同相a t 牵引网供电方式 3 1 全并联a t 双边供电( 或多电源供电) 的牵引网供电方式 3 1 1 全并联a t 供电 所谓全并联a t 供电，是指同一方向的上、下行接触网由一台断路器供电， 且上、下行接触网在每个a t 所都进行一次横向电连接，从而减少接触网单位长 度阻抗，减少电压损失和增强供电能力，改善供电质量。全并联相对于仅在