电气化铁路电能质量综合治理与仿真

1、电气化铁路电能质量综合治理与仿真伴随着电力牵引供电方式的不断改进和电力机车性能的提 高，电气化铁路在铁路运输中占有了极其重要的地位。 面对我国 电气化铁道建设高潮，迫切需要加强电气化铁道技术方面的研 究。牵引供电系统是牵引负荷的动力来源，其供电质量的优劣， 会对电气化铁路运输产生影响。 而当前牵引供电系统存在的一些 问题，如谐波、三相不平衡，降低了供电的效率与质量【 1-3 】。 因此， 研究并解决这些问题， 建立高效的牵引供电系统不仅必要 而且很有意义。1、牵引供电系统的特殊性 铁道牵引供电系统由电气化铁道一次供电系统、牵引变电 所、牵引网三大部分组成。 牵引供电系统处于三相的电力系统和 电

2、力机车之间，起到变压、变频、变相的作用，将电力系统的或 三相电能转换为特定电压、频率、相数的电能，以满足电力机车 的需要。 从牵引供电系统的位置可以看出， 它既是电力系统的负 载，又是电力机车的电源， 由于它所处的地位决定了它的性能必 须同时满足负载和电源的双重要求，即作为三相电力系统的负 载，应表现出对称的、纯电阻的特性，也就是从电网吸取三相对 称的、纯有功的电流，而且不向电网注入谐波，同时作为电力机 车的电源， 必须不断地向负载提供满足特定指标的电能， 包括负 载的有功功率和无功功率，并吸收负载可能产生的谐波【4】。2、牵引供电系统存在的问题及采取的措施 尽管工频单相牵引供电系统具有很多优

3、点， 但是仍然面对着 谐波和负序电流等问题。谐波电力机车是一个随机变化的感性负载， 其基波电流滞后电压 一定的角度，由于变压器、牵引电机等设备的非线性，以及电力 电子器件的非线性调节作用， 使得机车的电流中包含了大量的谐 波成分， 这些谐波成分在三相供电系统中的分布是不对称的。 由 于牵引负载的功率大、空间和时间分布随机性强、三相不对称， 牵引供电系统是电力系统中一个主要的无功源和谐波源。 电力系 统产生的谐波与其它整流负荷产生的谐波一样， 对电力网及用户 带来影响。负序电流 单相牵引负载对三相供电系统的影响与变电所的联接形式 有关，牵引变电所采用这三种基本接线方式时， 都会在三相电力 系统产

4、生负序电流。 对于负序电流的影响， 为了使系统不平衡程 度限制在规定标准以内， 主要采取的措施有： 采用高电压大容量 电源供电、 采用三相一两相平衡牵引变压器、 利用相序轮换技术 实现牵引供电系统公共接入点的三相平衡、同相供电等。结合以上措施，本文对YN-VD接线平衡变压器的新型同相供 电系统进行分析仿真。3、基于YN-VD接线平衡变压器的同相供电系统分析及仿真系统的总体结构及性能要求图 1 所示，图中 SS1, SS2 和 SS3 为同相供电牵引变电所， 它由主变压器和平衡变换装置 （即）组成; 平衡变换装置可采用无 源网络 （电感、电容 ） 构成，也可以由有源滤波器构成，其作用是 消除系统

5、不平衡，滤除谐波并补偿无功 ；SP1和SP2为分段断路 器，并根据需要断开或闭合分段断路器， 实现单边或多边或贯通 式供电。图 1 同相供电系统结构示意图BCD（ Balance Converting Device ）表示平衡变换装置。当 各牵引变电所都能满足三相负载的平衡条件， 且输出的电压同相 位时，就可以实现同相供电的牵引供电系统。同相供电系统与既有供电系统在结构上的主要区别是； 将现 有牵引变电所的 2 个供电臂合并， 取消分相绝缘器； 每个变电所 输入侧的接线方式相同，输出侧只有一个绕组连接到供电臂上， 使各个变电所输出相位相同的电压。 为了防止电力系统经多个变 电所及牵引网构成环路

6、，不同变电所之间采用分段绝缘器隔开。 由于分段绝缘器两边的电压相位基本相同， 所以机车不必采取任 何措施就可以直接通过，不会对机车及牵引网造成不利的影响， 几乎不会造成机车功率的损失及车速的降低，因而能满足安全、 高速、重载的牵引发展要求。从电力系统的角度考虑， 各个变电所除了要满足三相负载平 衡的要求外， 其取用的电流应该是纯基波有功电流， 即机车的无 功功率和谐波电流应该在变电所内完全补偿。 对平衡变压器的工 作过程作进一步的分析发现， 当副边两端口仅输出相同的基波电 流，且与各自的输出电压同相位时， 变压器原边电流不仅是对称 的，而且是纯基波有功电流。因此，为实现同相供电，并满足电力系统

7、的负载要求，在 变电所内必须安装BCD是变压器副边两端口仅输出与各自电压 同相位的、幅值相同的基波电流。当 BCD按此要求工作时，在电 力系统与牵引供电系统的任一接入点处， 都只相当于接入了一个 三相对称的纯电阻网络。 这一供电系统的性能， 无论对电力系统， 还是对电力机车，都将是理想的【 5-6】。 平衡变化装置的结构及控制原理图2为同相供电系统采用的 BCD结构图。它由2个单相的四 象限变流器组成， 2 个变流器“的背靠背”地连接在一起，共用 同一个直流环节， 以实现有功能量的传递。 采用 2个背靠背单相 变流器的系统， 变电所内平衡器结构简单， 只需 2台单相变流器 即可实现对系统的平衡

8、补偿及无功和谐波的补偿， 单相变流器易 控制、容易实现、平衡效果好，变电所接线简单、安装维修方便 【7-9 】。图 2 平衡变换装置结构图 为了验证此系统的正确性， 用 Matlab/Simulink 中的电力 系统仿真元件库建立仿真模型。 仿真采用的电力系统电压等级为 110kV，正馈线与接触网之间电压为 55kV。电力机车牵引电压和电流如下式所示：设定负载的功率因数为 0.866 （滞后）， 3 次、5 次谐波的含量依次为20% 12%平衡变换装置中交流侧电感 L=0.6mH,直 流侧电压给定位6kV，平衡器中变压器变化 K=55/2.5=22，控制 电路中，内为滞环比较器的滞环宽度分别给

9、定为8A和12A。图为平衡器投入后的电力系统三相电流。 平衡变换后的电力系统三 相电流为对称的纯正弦基波波形与高频调制波形叠加， 不含无功 电流，是与电压相位相同的纯正弦波【10】图为平衡器投入后变压器副边绕组电流， 副边绕组只存在两 相电流，相位相差 120度，满足变压器原边平衡条件。图 8 为平衡器实际输出波形， 其中一个单相变流器因为要补 偿负载基波无功和谐波电流， 因此波形不是正弦波； 另一个单相 变流器是要满足三相平衡，因此输出的波形是纯正弦波。4、结论 分析了现有牵引供电系统的特殊性， 及目前制式带来的三 相负载不平衡、 无功和谐波的问题， 对这些问题目前采取的措施 及效果进行讨论， 指出了这些措施的不足， 提出了设计综合解决 负载不平衡、无功和谐波问题的平衡供电装置的