牵引供电系统分析（第4版）课件：牵引变电所同相供电

《牵引供电系统分析》(第4

版)牵引变电所同相供电变电所同相供电与并联无功补偿同相供电与有功型补偿装置有功型与无功型同相供电的特点目录7.27.37.17.1变电所同相供电与并联无功补偿

7.1变电所同相供电与并联无功补偿

7.1.1并联无功补偿的实现：静止无功发生器实现同相供电的并联无功补偿(PRC)需要兼顾牵引变电所的无功和负序进行综合

补偿，当以负序补偿为主时，综合补偿就是对称补偿。当负序超标时，牵引变电所同相供电的实用方式应该是单相变压器和PRC(及其补偿变压器)的结合。牵引负荷是随时变化的，通过牵引变电所在三相电网产生的负序功率和负序电流也是随时变化的。可调并联无功补偿(PRC)分为有源型和无源型两类。静止无功补偿器SVC是电力系统中应用最广的一种无源型的可调PRC装置，随着电力电子技术和控制技术的发展，现在已经被有源型的静止无功发生器SVG取代。

7.1变电所同相供电与并联无功补偿

7.1.1并联无功补偿的实现：静止无功发生器单相和三相SVG的主电路拓扑分别示于图(a)单相

SVG(b)三相

SVG单相和三相SVG主电路拓扑

7.1变电所同相供电与并联无功补偿

7.1.1并联无功补偿的实现：静止无功发生器SVG的工作原理：通过控制逆变桥交流侧电压Uinv

的幅值和相位，来控制并网电抗器L两端电压差U1

的幅值和相位，则可在电抗器L

上产生相对于电网电压

Ug

滞后或超前90的无功电流Ig

，实现快速、动态调节无功出力的目的。(a)滞后无功电流SVG无功电流产生原理相量示意图SVG可用来治理负序，补偿无功和稳定网压。

(b)超前无功电流

7.1变电所同相供电与并联无功补偿

7.1.2组合式补偿方案仍设牵引负荷功率因数为1，按照国家标准，若已知电网短路容量sd

(MV·A)和负序

电压不平衡度允许值uε

(%)，则负序功率允许值

sε

为sε

=uε

sd

100对应的负荷功率最大值(或95%概率大值)为s，则负序补偿容量sC

为sC

=s

−sε其中sC

≤0

时表示无需补偿装置，即仅用单相牵引变压器便达标。

7.1变电所同相供电与并联无功补偿

7.1.2组合式补偿方案1.最小补偿容量方案设牵引负荷功率因数为1，则参考牵引负荷端口，

选择容性补偿端口接线角滞后135，感性补偿端口滞后45，两补偿端口垂直即可，通常还选择两补偿端口电压相等。当原边三个端子R、S、T接入三相电网时，次边端口tr和st之间形成90夹角，次边端口tr

和s

t

分别与次边绕组rs

(牵引端口)形成45夹角。此时，每一组SVG的计算容量Q达到最小Q

=

s

−

sε2最小补偿容量接线变压器

7.1变电所同相供电与并联无功补偿

7.1.2组合式补偿方案或者等效地采用最小补偿容量的组合式方案：采用单相牵引变压器和双T接补偿变压器MT的组合，SVG1、SVG2的容量仍然最小。最小补偿容量组合式方案

7.1变电所同相供电与并联无功补偿

7.1.2组合式补偿方案2.采用标准联结组的组合式补偿方案采用Dd联结组的同相供电补偿方案连接示意图若补偿变压器采用标准联结组的普通三相变压器与单相牵引变压器构成同相供电方案，其中

补偿变压器分为两种：①补偿变压器MT采用YNd联结组；②补

偿变压器MT采用Dd

联结组。每一组SVG

的计算容量Q

为Q

=

s

−

sε

3采用YNd联结组的同相供电补偿方案接线示意图7.2同相供电与有功型补偿装置

7.2同相供电与有功型补偿装置

7.2.1有功型补偿原理利用端口接线角相差90的最佳负序特性来构造另一种同相补偿方案，即有功型补

偿方案：将一个(牵引)端口的有功功率的一部分转移到另一个(补偿)

端口，实现牵引侧的负荷共担和三相侧的负序补偿。构想一个黑盒子：原边牵引端口和原边补偿端口的接线角之差为90，次边牵引端口和次边补偿端口并联进行同相供电，共同担负牵引馈线的牵引负荷，其中，原边补偿端口与次边补偿端口之间的功率为从牵引馈线分得的一部分功率，是可控的：一是

方向可控；二是大小可控。

7.2同相供电与有功型补偿装置

7.2.1有功型补偿原理实现有功型补偿的装置需要将次边补偿端口(与次边牵引端口同相)与原边补偿端口 (与原边牵引端口垂直)连通，这就需要一个交流-直流-交流(AC-DC-AC)通道，即为单相交-直-交变流器，记为ADA，来实现有功功率传递和补偿。设馈线牵引负荷功率为s

(MV·A)，功率因数为1，次边补偿端口分得的功率为

sA(MV·A)，次边牵引端口的功率为sT

(MV·A)，则T

A合成负序值s

−

为负序功率允许值

sεεTAs

=s

=s

−sT

As

=s

−ss

=s

+s−−

7.2同相供电与有功型补偿装置

7.2.1有功型补偿原理牵引端口的功率sT

和补偿端口的功率sA

分别为「sT

]1「11]「s

]||=||||补偿端口的负序补偿量s

为补偿前后负序功率之差，即s

=s

−ss

=2sA

牵引端口与补偿端口负序相量图补偿端口的负序补偿能力(负序补偿量)是其补偿容量的2

倍。A−A−LsA

」

2L1−1」Lsε

」−−A

7.2同相供电与有功型补偿装置

7.2.1有功型补偿原理当电网足够强大或者牵引负荷较小时，此时便无需补偿，只用牵引端口，亦即使用单相牵引变压器便可满足国家标准(后简称为“国标”)关于负序电压不平衡度的要求。牵引变电所采用单相牵引变压器就是同相供电的最简方式。当电网较弱或者牵引负荷较大时，需要进行有功型补偿。单相牵引变压器实现的同相供电

7.2同相供电与有功型补偿装置

7.2.1有功型补偿原理有功型补偿使用单相交-直-交变流器，也称为补偿变流器，图所示是其中一个功率单元的拓扑结构，它主要包含：两个单相H

逆变桥TM1

~TM4

和TT1

~TT4

，两逆变桥之间的直流环节(公共直流电容)C，以及两逆变桥交流侧各自的并网电抗器LM

和LT。单相交-直-交变流器功率单元拓扑7.2同相供电与有功型补偿装置7.2.1有功型补偿原理交-直-交变流器的工作原理：通过控制逆变桥交流侧电压UMa-Mb

与补偿端口电压UMg

相对的幅值和相位，间接控制并网电抗LM

两端电压差UL

和通过并网电抗LM

的电流IMg

，控制L

的幅值和相位便可以使逆变桥交流侧产生与补偿端口电压UMg

同相位或者反相位的有功电流IMg

。当IMg

与UMg

同相位时，逆变桥向补偿端口输送有功功率；当IMg

与UMg反相位时，逆变桥从补偿端口吸收有功功率。逆变桥有功电流控制相量示意图U

7.2同相供电与有功型补偿装置

7.2.2有功型补偿方案根据黑盒子特征：原边牵引端口与原边补偿端口的接线角垂直、次边牵引端口与次边补偿端口来共同担负牵引馈线的牵引负荷，可以构造两种组合式有功型补偿变流器的同相供电方案。1.单三相组合式同相供电方案单三相组合式的名称意指单相牵引变压器TT

与三相高压匹配变压器HMT

之组合。单三相组合式同相供电方案示意图

7.2同相供电与有功型补偿装置

7.2.2有功型补偿方案单三相组合式同相供电变电所包括单相牵引变压器TT和同相补偿装置CPD。同相补偿装置CPD包括高压匹配变压器HMT、并网电抗器L、交-直-交变流器ADA、牵引匹配

变压器TMT。国铁集团立项支持的首座单三相组合式同相供电变电所在瓦日线沙峪建成，现场全景图见图。牵引变电所两侧系统划分

7.2同相供电与有功型补偿装置

7.2.2有功型补偿方案2.单相组合式同相供电方案单相组合式的名称意指单相牵引变压器与单相高压匹配变压器之组合。单相组合式同相供电牵引变电所包括牵引变压器TT

和同相补偿装置CPD；同相补偿装置CPD

由高压匹配变压器HMT、交-直-交变流器ADA和牵引匹配变压器TMT

构成；牵引变压器TT和同相补偿装置CPD

均为单相结构。单相组合式同相供电方案示意图

7.2同相供电与有功型补偿装置

7.2.2有功型补偿方案只要电网的负序功率允许值sε＞0，牵引端口的功率(对应牵引变压器的计算容量)总是大于补偿端口的功率(对应同相补偿装置的计算容量)，因此牵引变压器TT与高压匹配变压器HMT

将构成不等边Scott

接线。正常运行中，牵引变压器TT

(M座)和同相补偿装置CPD

一道给牵引馈线的牵引负荷供电，牵引变压器TT

(M座)担负主要供电任务，同相补偿装置CPD

担负辅助的供电任务，但主要担负负序治理任务，因此，同相补

偿装置也称为同相供电装置。为了便于安装和节省用地，不等边Scott接线变压器M座、T

座共箱制造使用，此时，交-直-交变流器ADA

和牵引匹配变压器TMT

组成同相供电装置CPD。

7.2同相供电与有功型补偿装置

7.2.2有功型补偿方案被国家发改委批准的“十二五”国家战略新兴产业示范工程、首批两座单相组合式同相供电变电所在温州市域铁路S1线建成，并于2018年10月1日开通运行，同相供电装置采用风冷，运行场景见图。温州市域铁路S1线同相供电装置运行现场

7.2同相供电与有功型补偿装置

7.2.2有功型补偿方案粤港澳大湾区主干线—广州地铁18/22号线4座变电所均采用单相组合式同相供电，2021年9月28日投运，见图，其中同相供电装置采用水冷模式、使用3.3kV的IGBT

元件。广州地铁18号线和22号线现场图

7.2同相供电与有功型补偿装置

7.2.2有功型补偿方案同相供电装置中的交-直-交变流器要完成两侧交流电压90的相位转换。两种组合式同相供电方案特点比较列于表。两种组合式同相供电特点比较指标单三相组合式同相供电方案单相组合式同相供电方案适用场合既有线改造、新线建设新线建设负序电流可控，保证满足国家标准要求可控，保证满足国家标准要求优点高压侧有中性点，可大电流接

地；YNd11接线可提供三相电源容量利用率高；牵引变压器和高压匹配变压器构成不等边Scott接线，

方便共箱布置，集成度高，占地少缺点YNd11接线匹配变压器容量利用率稍低高压侧无中性点，不可大电流接地

7.2同相供电与有功型补偿装置

7.2.3交-直-交变流器有功型同相供电装置的核心设备是交-直-交变流器ADA，而交-直-交变流器单元的交流测端电压只有几百伏。单相组合式同相供电变电所的交-直-交变流器主电路拓扑图，采用1700V

IGBT

功率器件和

H桥串并联结构：串联(级联)侧通过并网电抗器与T

座次边绕组(高压匹配变压器HMT

次边)连接，额定电压

10kV，并联侧通过牵引匹配变压器TMT升压到27.5kV与牵引母线连接。交-直-交变流器主电路拓扑

7.2同相供电与有功型补偿装置

7.2.3交-直-交变流器上图所示的主电路共有18个功率单元，

单个功率单元的拓扑见下图。同相供电装置正常运行时，18个功率单元全部投入，每个功率单元两端交流电压为556V。当一个功率单元出现故障时，其并联侧分断开关分闸，串联侧旁路开关合闸，故障单元退出且不影响同相供电装置继续运行。5MW同相供电装置运行时最多允许两个功率单元故障退出。当发生功率单元故障退出时，剩余功率单元的串联侧电压稍作调整。功率单元拓扑

7.2同相供电与有功型补偿装置

7.2.4设计方法与步骤在同样的牵引负荷条件下，电网越强大，交-直-交变流器的计算容量sA

就越小，投资就越小，应尽量选择短路容量较大的PCC

来给牵引变电所供电。组合式同相供电设计方法与步骤如下。步骤1：由供电计算得牵引负荷过程sL

(t)，根据国家标准规定的三相电压不平衡度限值uε

(%)和系统短路容量sd

(MV·A)计算负序功率允许值sε

。步骤2：若sε

≥S

，通过同相供电装置的功率，不需要加装同相供电装置，只用单相牵引变压器即可，它产生的三相电压不平衡度满足国家标准要求，令sA

=0，得牵引变压器计算容量ST

=

sT

=

S

，转至步骤5；若sε

S，则通过同相供电装置的功率sA

0，即需要加装同相供电装置。

7.2同相供电与有功型补偿装置

7.2.4设计方法与步骤步骤3：将s＝S

代入式得牵引变压器计算容量STp和同相供电装置计算容量SAp

分别为「S

]1「11]「S

]|LSAp」|

=

2

|L1

−1」||Lsε

」|步骤4：同相供电装置中的核心元件是交-直-交变流器，按照其过负荷能力计算其安装容量SA

。步骤5：根据牵引变压器的过负荷能力计算其安装容量ST

。步骤6：给出结果，结束。

7.2同相供电与有功型补偿装置

7.2.5组合式同相供电运行方式当交-直-交变流器安装(额定)容量为SA

时，同相供电装置的额定负序补偿能力为

s

=2SA同相供电装置应在额定负序补偿能力范围内运行来满足国家标准规定的负序功率允许值sε

，设时刻t

的牵引负荷功率为s(t)，则应控制同相供电装置的出力sA

(t)满足sε

≥s(t)−2sA

(t)≥0得到同相供电装置(交-直-交变流器)两种基本运行方式。A−

7.2同相供电与有功型补偿装置

7.2.5组合式同相供电运行方式得到同相供电装置(交-直-交变流器)两种基本运行方式。方式

Ⅰ：已知交-直-交变流器额定容量SA

，当负荷功率s(t)小于等于SA

的2倍，即s(t)≤2SA时，控制同相供电装置的交-直-交变流器从牵引馈线分流，使其和牵引变压器分别供给负荷功率的1/2，此时负序电流得以完全补偿，由此引起的三相电压不平衡度为零，

自然满足国家标准要求；当负荷功率大于交-直-交变流器额定容量SA

的2倍时，同相供电装置按其交-直-交变流器额定容量SA

供给，其余部分由牵引压器满足供给，此时将产生剩余负序功率，但低于负序功率允许值sε

，即对应的三相电压不平衡变度国家标准要求。

7.2同相供电与有功型补偿装置

7.2.5组合式同相供电运行方式方式

Ⅱ：当s(t)≤sε时，同相供电装置平时处于热备状态，通过功率为0；当s(t)＞sε时，控制同相供电装置的交-直-交变流器运行，即它和牵引变压器分别供给负荷功率s

与负序功率允许值sε

差值的1/2，由此保证超额的负序功率得以补偿，三相电压不平衡度保持在国家标准规定值的范围内。sA

(t)=[s(t)−sε

]

7.2同相供电与有功型补偿装置

7.2.6变电所同相供电的特殊情形一是半交-直-交变电所。如果要求补偿全部负序，可令负序功率允许值sε

=0

，则ssT

=sA

=2即要求同相补偿装置和牵引变压器各担负一半的牵引负荷才能使负序为0。此时，对应负荷功率最大值或95%概率大值，可得同相补偿装置的交-直-交变流器计算容量＝牵引变压器的计算容量，称为半交-直-交变电所，也称半功率变电所。

7.2同相供电与有功型补偿装置

7.2.6变电所同相供电的特殊情形2007—2010年，团队承担了“十一五”国家科技支撑计划重大专项，研制的世界首套电气化铁路同相供电装置就属于半交-直-交变电所方案，原理如图所示，其中，两个背靠背的SVG构成交-直-交ADA

电路。同相供电眉山变电所试验现场半功率同相供电方案原理图

7.2同相供电与有功型补偿装置

7.2.6变电所同相供电的特殊情形还有一个更极端的特例需要加以说明，这就是全交-直-交变电所，其优点是：通过交直交变流器的直流缓冲，隔绝牵引网和电网之间的负序、无功、谐波的联系，从而消除对电网的电能质

量影响，实现全线多个牵引变电所牵引网的贯通供电，而问题在于它的复杂度和成本上。全交-直-交变电所的功率通道由牵引变压器(还应设置降压变压器)和交-直-交变流器以及升压变压器串联而成，如图所示。因交-直-交变流器是其核心元件，故称之为全交-直-交变电所。其中交-直-交变流器要承担全部牵引负荷，故也称为全功率变电所。全交直交变电所拓扑示意图

7.2同相供电与有功型补偿装置

7.2.6变电所同相供电的特殊情形全交直交变电所在牵引变压器为三相-两相平衡接线时，使用两套交直交变流器ADA1、ADA2

分别串入牵引变压器的两个牵引端口，再在牵引母线实现同相供电。全交-直-交变流器的计算容量s

由将sT

+

sA

计算得到。全交直交同相供电示例

7.2同相供电与有功型补偿装置

7.2.6变电所同相供电的特殊情形【例】某电气化铁路牵引变电所短路容量为1773MV·A，最大负荷55.8MV·A，试计

算全交直交变电所变流器、半交直交变电所变流器和组合式同相供电变流器的计算容量。其中根据国家标准电压不平衡度最大值按2.6%考虑。解：如果不考虑变流器的过负荷能力，则全交直交变电所的变流器应满足最大负荷需求，即其计算容量应为(不小于)55.8MV·A，半交直交变电所的变流器容量应为(不小于)17.9MV·A。根据国家标准，电压不平衡度允许最大值取2.6%，则负序功