《毕业设计电气化铁道无功补偿.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计电气化铁道无功补偿.doc（70页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、摘要本文研究的两相型SVG ( Static VarGenerator, 静止无功发生器)电铁电能质量综合治理装置是针对我国某牵引变电站的运行方式而设计的,该牵引变电站从220kV变电所引入两回110kV电源,经阻抗匹配平衡变压器后分两个供电臂向电力机车供电。本课题设计的通过直流电容藕合的两相型SVG是针对该牵引变电站的电气特点提出的,可以有效减少牵引供电系统对电力系统的不良影响、保证电力机车的电压不低于正常工作的电压水平,从而提高系统和机车运行的可靠性和改善牵引供电系统电能质量。本文简要论述了电能质量的概念与我国电铁电能质量的现状,介绍了当前基于电力电子技术的柔性交流输电系统的部分装置。阐述
2、了牵引供电系统的原理及其负荷特性,对我国当前普遍采用的谐波和无功电流的检测方法进行了介绍。介绍了SVG原理,在此基础上提出了适用于我国的、基于阻抗匹配平衡变压器的高速电气化铁路牵引供电系统的电能质量综合治理的两相型SVG方案,并研究了该SVG的补偿机理与算法。该方案和传统仅作为无功补偿的SVG相比,共用直流型SVG由于能进行有功功率的交换,抑制三相不平衡的能力进一步加强,充分发挥了SVG可以利用电压源型变流器。关键词:电气化铁路,电能质量,无功补偿，阻抗匹配平衡变压器,两相型SVGABSTRACTTwo phase SVG study (Static Var Generator, withou
3、t static var generator ) electrical railway power quality comprehensive treatment device is designed for the operation mode of our country in a traction substation .The two 110kV power traction substation is introduced from 220kV, the impedance matching balance transformer consists of two power supp
4、ly to the electric locomotive power supply arm. The DC capacitor coupled two-phase type SVG this topic is the design of the electrical characteristics of the traction substation ,can effectively reduce the adverse effects. Traction power supply system for power system to ensure the voltage level vol
5、tage of electric locomotive is not lower than the normal work , so as to increase the reliability of the system and the operation of the locomotive and improve the traction power supply system the quality of electric energy.This paper briefly discusses the concepts of power quality and our power in
6、ferroelectric energy quality , introduces the current detection method commonly used and wattles current is introduced in this paper. Introduces the principle of SVG, puts forward the suitable for China ,based on high speed electrified railway traction power supply system of the impedance matching b
7、alance comprehensive quality of governance, and the traditional wattless compensation only as compared to the SVG ,common DC type SVG due to the exchange of active power , ability to suppress the unbalanced three-phase to further strengthen ,give full play to the SVG using a voltage source converter
8、.Keywords: electric railway,power quality ,no power compensation ,the impedance matching balance transformer ,two phase SVG. 目录第一章 绪论1.1研究牵引供电系统电能质量治理的意义11.2无功功率及其影响21.3负序电流的影响71.4基于电力电子技术的无功和谐波补偿技术8第二章 牵引供电系统原理及其负荷特性2.1牵引供电系统的原理112.2我国高铁牵引供电系统存在的问题及解决措施122.3牵引变压器对供电特性的影响142.4本章小结25第三章 基于阻抗匹配变压器的并联补
9、偿装置3.1基于电压型逆变器的SVG263.2 SVG的基本原理273.3二极管箝位型三电平变换器303.4本章小结34第四章 两相型SVG的控制策略4.1电流值的实时检测方法354.2 SVG的控制404.3 本章小节44第五章 总结46参考文献47致谢51附录671 绪论1.1研究牵引供电系统电能质量治理的意义铁路是我国重要的运输方式之一,随着我国国民经济和社会的不断高速发展,铁路的运输已经成为日益紧张的资源。电力机车和内燃机车是现在我国使用的两种铁路牵引装置。和传统的内燃机车相比,电力机车牵引有很多优势,如运输能力强,污染小,行车安全等。电气化铁路将是未来铁路的发展方向。当前,我国的电气
10、化铁路正在迅猛发展。到2005年底,我国铁路营业总里程达7.5万公里,其中复线铁路2.5万公里,电气化铁路20132公里,己超过日本、印度,跃居亚洲第一位、世界第四位。“十一五期间,铁路投资将加速,电气化铁路将迎来飞速发展时期。在中长期铁路网规划中显示,到2020年,全国铁路营业里程达到10万公里,国内铁路复线率、电气化率均达到50%,分别比2002年增长17个百分点和25个百分点,提升空间较大,承担的运量比重也将达到80%以上。到目前为止,铁道部己开工高速铁路项目12个,总里程3282km。计划新开工项目26个,总里程7420km,项目需建设牵引变电所188座,近期牵引变压器安装容量8925
11、MVA,远期达到13077MVA,近期用电量338.20亿度,远期826.40亿度。铁路电气化的飞速发展在拓展运输能力、促进经济发展的同时,也暴露出一些问题和弊端,尤其是在我国现行电网条件下,电力机车运行时,对供电电网产生了很大的影响,如:谐波、无功、负序、通信干扰、“过电分相”等,降低了供电的效率与质量,且对高速铁路的安全、可靠运行构成了威胁。牵引供电系统的电能质量问题受到日益广泛的关注,因此研究并解决这些问题,发展适合高速铁路的新型电能质量治理装置不仅必要且很有意义。电能质量：电能是一种清洁、高效的能源,是社会经济快速发展的重要物质保证,是各种高新技术,尤其是信息技术应用的前提。近几年来,
12、随着现代科学技术的不断发展和电力市场的不断完善,各电力用户对电能质量的要求越来越高,对电能应用过程中出现的各种负荷在产生谐波的同时会伴随着吸收一定量的无功;通常无功补偿装置能起到一定的谐波抑制作用,而许多谐波补偿装置又具有无功补偿的能力。由此可见,无功和谐波在许多情况下是交互存在的。1.2无功功率及其影响传统的无功功率是指由储能元件引起的负荷与电源之间能量交换的最大值,是负荷与电源间交换能量的一种量度。但随着科技的发展,许多非储能元件也会吸收无功,这主要是由器件的非线性引起的。电力系统中的无功消耗主要来自两个方面,一是输电系统自身吸收的无功,另一方面是负荷消耗的无功。输电设备在输送电能时要吸收
13、一定的无功功率,在高压输电网络中,为了提高线路的输送容量和系统的稳定性一般会对这部分无功进行补偿,如对输电线路进行串联补偿以及在一些重要的节点进行并联补偿等。负荷吸收的无功功率主要是指感性负载和大量的非线性负荷消耗的无功,如工业生产和日常生活中经常使用的异步电动机、日光灯,以及各种变流装置、工业电弧炉、电气机车等,这些负载当中有些容量非常大,在启动和正常工作时都要吸收大量的无功功率,常常会引起电压的波动和畸变。足够的无功电源是保证电力系统电能质量及其安全运行所必需的。在电力系统中,无功不足将会引起系统电压下降,严重时还会导致设备损坏,甚至系统解列。我国电气化铁道所采用的电力机车主要是交-直整流
14、型的,整流型电力机车的功率因数一般为0.8-0.85之间,由于牵引网阻抗的影响,牵引变压器低压侧的功率因数又要降低0.01-0.05,通常取0.80-0.82,由于牵引变压器阻抗的影响,牵引变电所高压侧的功率因数还要降低约0.05,平均取0.77-0.78。电力牵引负荷的功率因数低,不但使牵引变压器等牵引供电系统设备不能得到充分利用,而且对电力系统会产生下列不良影响：(1)降低发电机组的输电能力和输变电设备的供电能力,使电气设备的效率降低,发电和输变电成本提高。(2)增加了输电损耗,降低了系统的经济效益。(3)增加输电网络中的电压损失,引起电压的波动和闪变。 图1-1 半控桥的高次谐波幅值和相
15、位特性而由于实际电路中直流电流的脉动和换向重叠角的存在,使交流输入电流中高次谐波的含量较方波电流有明显的改善。但交流电抗的增加一方面有利于抑制原边电流中高次谐波含量,但另一方面却加大了交流侧基频电流和接触网电压之间的相位差,也即导致功率因数的下降,并进而增加运行的损耗,所以实际应用中必须加以折中。针对以上,可以知道电气化铁道的谐波有以下特点:(1)单相独立性,我国铁路供电系统均采用两相供电制,但两相负荷相关性很小,通常认为两臂负荷是独立的。所以整流器电力机车所产生的谐波中将包括大量的三次谐波,这是电气化牵引供电负荷与常规拖动系统谐波特性上的一个重要不同。(2)随机波动性,由于相控机车电流的波形
16、随相控角的变化而改变,谐波电流随基波负荷剧烈波动,因此谐波含量将取决于机车的运行工况。(3)相位广泛分布,电气化铁道谐波向量可在复平面4个象限上广泛分布。(4)高压渗透性,电气化铁道是为数不多的高压用户,其任一次谐波都通过高压系统向全网渗透,不受变压器接线方式的阻碍。(5)稳态奇次性,单相整流负荷在稳态运行时只产生奇次谐波,只在涌流中含有偶次谐波。实测机车谐波电流为负荷电流的百分数:3次20-25%,5次10-13%,7次6-8%。在整个牵引供电系统中,机车的基波和各次谐波的阻抗比系统阻抗大得多,所以电力机车可视为谐波恒流源,由于列车起运、加速、停车、经过弯道、上下坡等不同工况,机车取流不断变
17、化,其谐波电流分量也随之不断变化,所以每台电力机车应视为一个移动的、量值不断变化的谐波电流源。2.谐波的危害：理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现,对公用电网是一种污染,它使用电设备所处的环境恶化。谐波产生的危害是多方面的,根据危害对象分为三类:对输电系统的危害、对电力用户的危害和对通讯系统的干扰。谐波对输电系统的危害主要有四点:(1)谐波使供电网中的元件产生了附加的谐波损耗,降低了发电、输电及用电设备的效率,大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。同时为了提高供电的可靠性,还会为此增加设备的预留裕度,从而降低了系统的输送能力
18、和经济效益。(2)谐波影响各种电气设备的正常工作，谐波对电机的影响除引起附加损耗外,还会产生机械振动、噪声和过电压,使变压器局部过热。当系统阻抗在谐波电流的激励下产生共振时,还会出现谐波过电压,使电容器和电缆设备过热、绝缘老化、寿命缩短,以至损坏。(3)谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振,从而使谐波放大。谐波成分过高时,可能引起继电保护误动,从而导致误操作,诱发系统解裂甚至大面积停电等一系列重大事故;也可能使自动装置失灵,二次回路频繁动作,造成继电器弹性疲劳、接触不良或触点粘连。(4)谐波会导致继电保护和自动装置的误动作,并会使电气测量仪表计量不准确。3谐波对电力用户的危害主要表现在
19、:(1)使机械加工工业和精密制造业的加工精度达不到要求,造成产品质量不合格,带来资源浪费,也影响了生产的连续性,给企业和社会造成了损失。(2)谐波电压可能引起局部的并联或串联谐振,形成局部过电压,造成负荷的绝缘损坏或过流。(3)谐波对电能质量要求较高的计算机用户也会产生较大的影响。(4)谐波对通讯的干扰也很大,影响通信的质量,甚至可以导致信息的丢失,使通信线路不能使用。12.1负序电流的影响电气化铁道供电系统的牵引负荷是电力系统中一个不对称程度较为严重的负荷,对于更大容量的高速电气化铁路客运专线,由负序电流引起的三相电压不平衡问题将更加突出。三相相电压不平衡问题不可忽略地给电力系统造成不利的影
20、响,主要危害是在系统中产生过量的负序电流和电压。负序电流对输电线路和电力变压器的影响一般不大,因为大多数线路和变压器不是满载的,在热容量方面有很大的余地。但对系统中发电机和电动机,由于一般在满载或接近满载的情况下运行,其热容量没有余地或余地很小,额外的潮流会带来额外的温升,容易使电机过热而缩短绝缘寿命。因此,负序电流对系统中的发电机和电动机影响较大。1.2.2谐波及其危害谐波的产生及特点:电力系统中的谐波都是由谐波源产生的。谐波源是指造成系统正弦波波形畸变、产生高次谐波的设备和负荷,一切非线性的设备和负荷都是谐波源。由谐波源产生的谐波,与其非线性特性有关。当前,电力系统的谐波源,按其非线性特性
21、分主要有三类:铁磁饱和型、电子开关型、电弧型。我国电气化铁道采用单向工频交流制供电,电力机车的受电弓由接触网获取电流,经过降压变压器、整流装置、平波电抗器驱动直流牵引电动机,经钢轨和大地流回牵引变电所。由于机车牵引变压器、整流器、平波电抗器等的影响,使机车原边侧电流发生畸变,交流侧不再是正弦波,包含丰富的谐波成分。机车每个转向架的牵引电动机各由一套整流装置供电,整流装置为两段半控型整流桥,交流侧分别由独立的牵引绕组供电,输出整流电压串联后经平波电抗器供给直流牵引电机。由于移相触发导通和换流过程,牵引绕组侧交流电流会发生畸变和相位移,从而使电流中含有各次谐波,并且各次谐波电流与谐波次数成反比例变
22、化，切值伴随移相控制角的增加而增加。在研究交流电气化铁路的高次谐波特性时,可以将单相相控整流电路看作是由基频负荷和谐波信号源组合而成,它所产生的谐波电流将经牵引网注入电网,对其他用户造成干扰。由于作为整流器负载的直流电机和平波电抗器可以看作是感性负荷,故在忽略换向重叠角和直流电流脉动的条件下,变流器所输出的交流电流为理想方波。1.3基于电力电子技术的无功和谐波补偿技术在电能的输送过程中,必须同时保持有功功率平衡和无功功率平衡,有功功率供给不足将引起系统频率下降,无功功率供给不足将导致节点电压下降。不仅大多数网络元件要消耗无功功率,而且大多数负载也要吸收无功功率。显然,无功功率都由发电机经输电线
23、远距离输送是很不合理和很不经济的,合理而经济的方法应是在需要无功功率的地方装设无功补偿装置,进行就地无功补偿。现在常用的无功补偿有串联补偿和并联补偿:串联补偿就是采用串联电容对线路参数一电抗进行补偿,主要用于超高压远距离输电和一些负荷波动大、功率因数低的35kV及以下线路上;并联补偿是采用并联无功电源(如调相机、静止无功发生器)或并联无功负荷(如并联电容、并联电抗、静止无功补偿器等)对负荷吸收的无功进行补偿,是使用较为广泛的方法。在电力电子技术引入电力系统前,并联补偿的主要方式是并联电容和调相机。并联电容补偿投资少、结构简单、维护方便、容量可大可小、实用性强,是目前应用最广的一种补偿装置。其缺
24、点是不能连续调节、补偿特性差、对系统的高次谐波比较敏感,在一定情况下滤波器还可能与系统阻抗发生谐振,从而使原来较小的谐波放大产生很大的谐波污染。因此主要用于一些负荷波动不大、谐波含量少的场合,如对大型异步电机的补偿。同步调相机是一种专门设计的无功功率发电机,优点是输出无功可双向连续调节、有较大的过负荷能力,缺点是投资大、运行维护复杂、动态响应慢、发生失磁故障时将加重系统的电压波动。因此近年来人们不断寻求新的谐波补偿方法。1.4电力电子器件发展以及应用从历史上看,功率器件像一颗燃起电力电子技术革命的火种一代新型电力电子器件的出现,总是带来一场电力电子技术的革命。电力电子器件是电力电子技术的基础和
25、源头。1957年美国通用电气公司(GE)开发的晶闸管标志着电力电子技术的诞生。近50年来,它以优化功率变换为己任,以高效节能节材为专长,以自动化、智能化、机电一体化为服务目标,逐步渗透到电能的产生、传输、分配、应用和质量优化中,并日益显示出其强大的生命力。同时,电力电子器件在高电压、大电流、高速化等方面取得了长足发展,各种电力电子器件相继问世并在制造工艺、产品性能等方面日益成熟,依据自身的特和优点,在不同场合发挥各自的作用。1.4.1晶体闸流管在特大功率的工频开关应用中,晶闸管以其耐压高,通态压降小,通态功耗低而应用在高电压直流输电(HVDC)、动态无功功率补偿(SVC)、超大电流电解等方面。
26、6500V/13000A级的晶闸管己在直流输电工程中获得了广泛应用。不久的将来,光控晶闸管将应用于HVDC。1.4.2从GTO发展到IGCT常规的GTO因其关断增益不可能太大而必须借助于足够大的负门极电流(约为主电流的三分之一左右)实现关断。为了克服此缺点,上世纪90年代,出现了一种靠外附MOSFET组来关断的GTO组件,即IGCT(集成门极换流晶闸管),并己逐步完善。从这个意义上说,IGCT是外关断的GTO。它们关断时,是靠分组串接在阴极和门极的两STATCOM作为FACTS的重要成员己引起各国电力科研和工业界的广泛重视,得到迅速发展和应用。但由于STATCOM的技术含量高,目前掌握并应用这
27、一技术的还只限于小数国家,如日本、美国、德国、英国和中国等。据不完全统计,自1980年至2004年底,全世界已投入工业运行的大容量(10MVar及以上)STATCOM工程超过20个,总的可控容量超过3000MVar。SVG是新一代并联型无功补偿装置,它具有传统的固定容量的电容器以及静止无功补偿器SVC等无功补偿装置无法比拟的优点。1999年3月,由河南省电力局和清华大学共同研制成功了 STATCOM,随后清华大学和上海电网公司等单位联合研制成功了 STATCOM安装在黄渡分区西郊变电站,并通过了专家鉴定。这代表着我国该领域的最高水平,也标志着我国在该领域的研制和开发能力已步入了国际先进行列。2
28、 牵引供电系统原理及其负荷特性在我国已建设的电气化铁路中,为保证电力机车安全可靠运行,一般牵引变电所采用2路相互独立的电源进线,2台牵引变压器,一台运行,一台备用。110kV或者220kV高压电经过牵引变电器后降压为25KV或225kv.然后供给牵引网。牵引网一般由馈电线，接触网，轨道回路组成。接触网架设于轨道上空。电力机车通过受电弓与接触网的滑动接触而受电。2.1牵引供电系统的原理电气化铁道牵引供电系统通过牵引变电所与电力系统相连接。牵引供电系统由牵引变电所和牵引网组成,牵引网由接触网、轨道(地)、接地线及有关设备组成。牵引变电所的功能是将三相的110KV(或220KV)高压交流电变换为两个
29、单相的27.5KV的交流电，然后向铁路上、下行两个方向的接触网(额定电压为25KV)供电，牵引变电所每一侧的接触网都被称做供电臂。该两臂的接触网电压相位是不同的，一般是用分相绝缘器隔离开来。相邻变电所间的接触网电压一般是同相的，期间除也用分相绝缘器隔离外，还设置了分区亭，通过分区亭断路器或隔离开关的操作，实行双边(或单边)供电。电气化铁路的牵引变电站接入供电电网,通常采用直流连接与交流连接两种方式。在长距离电气化铁路建设中,一般采用交流供电方式,其连接示意图如图2-1所示。在这种方式中,牵引变电站将接入的三相高压交流电通过特殊变压器(这里为V/v接线)转化为单相交流电,然后通过单相交流输电线路
30、向电气机车供电。接触网回流线电力机车电力机车回流线图2-1电气化铁路的交流供电示意图2.2我国高铁牵引供电系统存在的问题及解决措施我国高速铁路牵引供电系统要能保证列车的快速受流和可靠供电,关键技术问题包括确定电源电压等级,牵引变压器类型选择,最低网压选择和解决机车过电分相等几个问题。1.存在的主要问题高速电气化铁路具有机车牵引电流大,供电臂中负荷电流波动大等特点。因此,系统中产生的负序电流会更加严重;电分相的存在,限制了高速铁路机车平滑连续地受流,电分相环节成了供电系统的薄弱环节;高速铁路由于采用交-直-交型电力机车,机车运行功率因数一般高于0.93,产生的谐波较小(总谐波电流畸变率小于5%)
31、。与普通电气化铁道相比,低次谐波含量减少,但高次谐波的含量明显增多。因此,谐波和无功冲击等问题对电力系统的影响较小,对有线通信影响会变大。同时由于单相牵引负荷的随机性和剧烈波动性,无论采用那一种接线方式,都将导致三相电压不对称而产生负序电流。负序电流对电力系统的危害和影响是十分严重的。这主要表现在:一是造成系统网络节点电压不对称,降低三相电动机出力;二是负序电流在电网中产生负序功率损失,降低了电网的运行效益;三是负序电流在发电机定子中产生和转子旋转方向相反的空间旋转磁场,它以二倍同步转速切割转子导体,在其中产生感应电势,致使转子附加发热,严重时导致转子绕组烧毁。2.相应的解决措施为了防止对电力
32、系统和电力设备带来不利影响,各国对负序电流都有严格的限制标准。为了使系统不平衡程度限制在规定标准以内:(1)当前解决不平衡问题主要采取以下几种措施:(a)采用三相-两相平衡变压器,如阻抗匹配平衡变压器、Scott变压器、变形Wood-bridge变压器等。如前所述,这些变压器的优点是,当两个端口负荷完全相同时,变压器原边三相电流对称。即使两个端口负荷不相同,也能使不平衡度有所减弱。日本广泛采用Scott变压器和变形Wood-bridge变压器,我国则主要采用了Scott变压器和具有自主知识产权的阻抗匹配平衡变压器。(b)采用高电压、大容量电源供电,因为高电压、大容量电源系统具有较强的承受不平衡
33、负荷的能力。如日本采用154kV,220kV和275kV三种电压等级,法国采用235kV电压等级,意大利采用130kV等级,西班牙采用132kV,220kV两种电压等级。(C)采用不平衡补偿装置,如日本采用单相负荷补偿装置(SFC)。(d)采用换相联接,也就是牵引变电所变压器原边侧轮换接入电力系统不同相,这样可以减小系统总负序电流。如第2.3节分析,当两个端口的接线角相差90、三个端口的接线角分别相差60。或120时,端口负荷作用的结果,将使三相总负序电流减小。(2)解决电分相问题的措施:(a)采用机车自动过电分相装置,它可以减少电分相对高速运行的影响。国外自动过分相装置包括车上方式和地面方式
34、。(b)减少或取消电分相。可有以下几种途径:采用AT供电方式,增大牵引变电所间距,减少分相点;采用单相变压器供电,取消变电所出口处的电分相;变电所采用同相供电,取消变电所出口及所间电分相。(3)解决谐波问题的措施:安装专门的滤波装置。2.3牵引变压器对供电特性的影响当前我国普遍采用的交-直型电力机车。而即将大规模兴建的高速电气化客运专线,将采用具有良好谐波特性的交-直-交新型电力机车。交-直-交新型电力机车的使用除获得良好的谐波特性外,还将使得无功功率不成问题;同时由于高速客运专线的大负荷运行,也将使负序问题更为突出。因此,对于高速电气化铁路进行负序综合补偿将成为电铁电能质量治理的重点工作。2
35、3.1设备容量与补偿端口的一般关系目前,国内外牵引供电系统所采用的牵引变压器的接线方式是多种多样的,但概括起来可分为四类,即单相接线、V/v接线、YN/d11接线和三相-两相平衡接线。为通用起见,我们暂且撇开这些各式各样的具体接线方式,用系统变换的方法研究并联补偿(PRC)及牵引负荷的一般表达式。设一次侧电力系统相电压、相电流分别为,和,.牵引测有n个端口，端口电压，电流，分别为,m=1,2. . . .n有 （2-1）同时设Km为牵引侧第m端口的电压与一次侧线电压3。Km= (2-2)和滞后的相角则：=Ume= (2-3)当取端口m的电流滞后端口电压的角度为有： =Ime （2-4） 注意到
36、牵引测任一端口单独运行时都不在三相电力系统产生零序电流，则由造成的三相电流与共线并满足:+=0 (2-5)再从功率守恒原理（电压取共轭，忽略变压器内部损失）得： + + = (2-6)联立式（2-1）式（2-6）和式（2-5）得 (2-7)上式两边左乘复数变k换阵 (2-8)可得 (2-9)可得从上式解出并利用叠加原理可得n个端口共同作用时的原边三相电流为： （2-10） 则分解正，序电流，并把式（2-10）代入，可得所有端口负荷电流也就是各供电臂负荷电流）在三相系统中造成的总正序电流I和总负序电流I分别为： （2-11）用3乘以式（2-10）的共轭复数可得通用三相系统的正，负序功率表达式：
37、（2-12）牵引负荷和装置通过三相系统的正序功率可分为有功功率和无功功率两部分即：S=P+jQ （2-13）(2)对于并联无功补偿(PRC)端口,要么-90,要么=90,m=1,2,n,那么PRC占有的系统正序容量仅表现为无功功率,不论他们在端口上如何分布,其中并联电容器与并联电抗器的无功功率相互削弱。结论2-2:牵引供电系统通常有两个相异相位的单相牵引端口,且电压模值相等。令i=0则由式（2-11）得：ie=ie (2-14)因此:当两牵引负荷大小不等时,无论采用何种接线方式的牵引变压器均不能自行彻底消除负序电流或负序功率,只有当i=i和=+, （2-15）方能使得i=0。 2.3.2牵引变
38、压器的供电特性电气化铁道通过牵引变电所高压侧从供电系统受电,低压侧(统一为27.5kV)向馈电臂送电,各馈电臂下的各台运行电气机车的谐波电流汇总到牵引变电所再注入供电系统。因此电气化铁道的谐波不但取决于电气机车,也取决于牵引变电所的类型、接法和接入供电系统的电压等级。由于交流电气化铁道牵引负荷一电力机车为变化频繁的单相负荷,它将在电力系统中产生较大的负序电流,造成三相电压严重不平衡。不平衡程度与牵引负荷的大小及其分布状况、变电所主变压器接线形式有关。以下针对当前电气铁道牵引系统主要采用的接线形式,包括单相接线、V/v接线、YN/d11接线、阻抗匹配平衡接线和T型斯科特(Scott)接线,所造成
39、的三相系统负序电流做简要分析。显然各端口负荷造成的三相系统正序电流与端口的接线角无关,而各端口负荷造成的三相系统负序电流与端口的接线角有关,端口数量和端口的接线角不同,在三相系统中产生的负序电流也不同。（1）纯单相接线时三相系统的负序电流 图2-3单相接线图纯单相接线仅有一个端口，见图2-3图中变压器原边绕组接CA相间，所以端口的接线脚=-150.实际中变压器原边绕组可能接BC相间，所以端口的接线角有三种不同取值，见表2-2所示。表2-2 单相接线时端口接线角端口相别ABBCCA端口接线角-3090-150 定义电流不对称系数,为负序电流与正序电流之比值，显然单相接线正序和负序电流大小相等，电
40、流不对称系数=1，三相不对称程度十分严重。YN/d11接线时三相系统的负序电流图2-4 YN/d 11和V/v变压器的牵引供电系统图如图2-4(a)所示，这种接线同样有两个端口，端口的接线角分别为=0，=120，根据叠加原理，则三相系统总正序电流和总负序电流分别为： （2-14）同样，一般情况下K=K,若两端口负荷电流大小相等，相位相同，也即I=I,时，电流不对称系数为0.5；当一个端口有负荷，另一端口无负荷时，不对称系数为1，所以电流不对称系数的变化范围：0.5-1. 由于端口相别可能是A,B和C相，所以端口的接线角有0,120，-120三种取值。见表2-3：表2-3 YN/d11接线时端口
41、的接线角端口相别ABC端口接线角0120-120 V/v接线时三相系统的正负序电流如图2-4（b）所示，这种接线牵引侧有两个端口，三相系统的正序和负序电流可认为是由两个端口的负荷电流I，I.独立作用产生的三相系统正序和负序电流的叠加。对于图2-4接线，两个端口的接线角分别为=-30，=90，所以，总正序电流和总负序电流，可由式（2-14）得： （2-15）一般情况下K=K，当I=I,=时，电流不对称系数，当时，电流不对称系数将大于0.5；当I其中一个不为零，电流不对称系数为。所以电流不对称系数变化范围：。系统不平衡程度比较严重。一般情况下K当I=时，电流不对称系数所以电流不对称系数变化范围为：
42、，系统不平衡程度比较严重。 T型Scott接线时三相系统的正负序电流（a）系统接线图 （b）等闲电路图 （c）电压相量图 图2-5 斯科特变压器的牵引供电系统图T型接线的斯科特变压器为一、二次侧三相-两相变压器，原理接线及电压相量图如图2-5所示。两个端口的接线角分别为=90，=，代入式（2-10）并令KK,可得： （2-16）当两个端口(M座和T座两供电臂)负荷电流相等、功率因数相同时,即I=,电流不对称系数最小=0；当只有一个端口有负荷时，正负序电流大小相等，电流不对称系数最大，电流不对称系数的变化范围是：(5)阻抗匹配平衡接线时三相系统的正负序电流我国首创并自行研制成的阻抗匹配平衡变压器
43、,自1992年3月在铁道牵引供电系统投运以来,经受了现场的各种运行状态的考验,技术经济效益显著。阻抗匹配平衡变压器是三相-两相的新型牵引变压器。他在继承YN/d ll三相变压器结构优势的基础上,具有斯科特变压器的换相功能。对如图2-6所示的阻抗匹配平衡变压器结构,分析其原副边电气量之间的关系如下。(a)原理接线图 （b）二次侧电压向量图图2-6 阻抗匹配平衡电压器如图2-6所示，这种接线同样有两个端口，两个端口的接线角分别为， ，令K,代入式（2-10）得 （2-17）与Scott变压器相同,若两端口负荷电流大小相等、功率因数相同,也即当I=,I=0.,阻抗匹配平衡变压器原边侧三相电流对称,电
44、流不对称系数=0。这就是采用平衡变压器的优势所在。但是,根据对有关山区单线牵引变电所实测负荷统计,两供电臂同时有牵引负荷的机率很小,当一供电臂出现较大牵引负荷时,时常是另一个供电臂没有负荷或者较小。当仅有一个供电臂有负荷时,=1。所以变电所即使采用阻抗匹配平衡变压器接线,多数情况下系统仍是不平衡的。电流不对称系数的变化范围为:=0-1。为了有效发挥该型变压器的平衡特性,本文提出了能够实现有功功率在两牵引臂之间流动的两相型SVG综合补偿装置。2.3.3牵引变压器的供电特性电气化铁道通过牵引变电所高压侧从供电系统受电,低压侧(统一为27.5kV)向馈电臂送电,各馈电臂下的各台运行电气机车的谐波电流
45、汇总到牵引变电所再注入供电系统。因此电气化铁道的谐波不但取决于电气机车,也取决于牵引变电所的类型、接法和接入供电系统的电压等级。由于交流电气化铁道牵引负荷-电力机车为变化频繁的单相负荷,它将在电力系统中产生较大的负序电流,造成三相电压严重不平衡。不平衡程度与牵引负荷的大小及其分布状况、变电所主变压器接线形式有关。以下针对当前电气铁道牵引系统主要采用的接线形式,包括单相接线、V/v接线、YN/d11接线、阻抗匹配平衡接线和T型斯科特(Scott)接线,所造成的三相系统负序电流做简要分析。由式(2-16)知,显然各端口负荷造成的三相系统正序电流与端口的接线角无关,而各端口负荷造成的三相系统负序电流
46、与端口的接线角有关,端口数量和端口的接线角不同,在三相系统中产生的负序电流也不同。2.4本章小结 理解牵引供电系统的原理及熟悉其负荷特性是进行电气化铁路电能质量治理工作的基础。本章在阐述牵引供电系统原理,介绍国内外高速铁路牵引供电系统特点的基础上进行了以下工作:(1)介绍了国内外高速铁路牵引供电系统的特点和我国牵引供电系统存在的问题及当前的解决措施,就并联补偿(PRC)装置的无功功率及负序进行了一般分析,并得出了2-1和2-2两个结论。(2)以分析当前我国主要牵引变压器的无功负序特性为基础,在假设各端口牵引负荷大小相等、功率因数相同以及严重不对称情况下求得了不对称系数的变化范围,得出了不同的牵引变压器对供电特性的影响。3 基于阻抗匹配变压器的并联补偿装置经过以上章节的讨论,构建性能优越的牵引供电系统对于提高高速电气化铁路客运专线和重载货运线路的供电可靠性,提升运能具有重要的实际意义。本章在现有牵引供电系统的理论基础上针对高速客运专线,提出了基于电压型逆变器的两相型SVG补偿装置。
