电气化铁道牵引供电系统111

1、西南交通大学本科毕业设计（论文）第 I 页摘 要电气化铁道牵引供电系统由于使用频繁变化的单相交流负荷，因此存在供电系统三相不平衡、无功和谐波电流等问题。虽然牵引变压器可以解决三相不平衡的问题，但由于其换相联接导致各供电区段电压不同相，所以还是必须采用分相绝缘器。而分相绝缘器却是供电的薄弱环节，使得机车不能连续无阻的受流，这限制了高速和重载铁路的发展。因此本文想到采用变压器原边无需轮换的同相供电技术，变电所仅单相供电，避免了分相绝缘器的设置。对于变压器的选择，本文选用Vv接线变压器，因为基于有源滤波器和Vv接线变压器的同相供电系统能够通过实时监测补偿电流来达到控制有源滤波器，滤除无功和谐波电流以

2、及平衡三相的目的。本文不仅研究了Vv接线变压器和三相三桥臂变流器的系统结构还对直接供电方式下的同相供电系统结构进行了模拟仿真。通过对系统平衡变换条件的讨论，得出了滤波器所需指令电流与负载电流的变化关系；同时对系统各部分容量及容量利用率和平衡变换装置工作时的系统功率关系进行了探讨，对有源滤波器指令电流的生成方法和滤波器的控制方法进行了研究。本文采用MATLAB/SIMULINK模拟仿真软件对设计的同相供电系统进行了仿真分析。仿真结果表明在完全补偿条件下，同相供电方案是可行且正确的。该方案的优点在于能够实现三相平衡，在满足高速和重载机车的运行要求下，取消了电分相，另外在无需再单独设置补偿器的前提下

3、改善了无功和谐波问题。关键词：同相供电；Vv接线变压器；有源滤波器 西南交通大学本科毕业设计（论文）第 36 页第1章 绪论1.1 电气化铁道牵引供电系统电气化铁道牵引供电系统主要是通过牵引变电所与电力系统相互连接。供电系统主要由牵引网和牵引变电所组成，其中牵引网又由接触网、接地线、轨道(地)及相关设备共同组成。 1.牵引变电所 以降压、分相以及给牵引负荷供电为主要功能的牵引变压器是牵引变电所设备的主要构成部分。为了满足牵引供电系统电流大、电压高的用电需求，牵引变压器采取了不同的接线方式，这也同时减轻了其对电力系统产生的不对称影响。其中纯单相接线、Vv接线、Y/-11接线和三相-两相平衡接线已

4、经成为牵引变压器常见的接线方法。2.牵引供电方式分类由于通讯受到干扰或者自身的技术需求等问题的存在，牵引供电系统为了解决如上问题，逐渐发展出了下列几种供电方式：(1) 直接供电方式直接供电方式是直接由轨道(地)与接触网以及吸上线组成的牵引网的供电方式。这种供电方式有许多的优点，如：牵引网回路的结构十分简单，并且经济投入少，最关键的是使用过程中不需要过多的维修；但同时这种方式也有一些缺点，比如它会严重干扰和影响通讯线路，并且需要很高的钢轨电位。(2) BT供电方式这种方式的主要工作原理是，将变压器变比为1:1的吸流变压器以一定距离的间隔设置在牵引网中，其中一次线圈和二次线圈都以串联的方式分别接在

5、接触网和轨道、回流线中，这种供电方式也叫吸流变压器的供电方式。(3) AT供电方式AT供电方式也叫自耦变压器供电方式，自耦变压器配置的绕组匝数为。其中电力机车受电弓上的电压仅为接触线和正馈线间的电压的二分之一，电力机车受电弓上的电压的供电方式与前两种供电方式一样。AT供电方式的工作特点是可以成倍的提高牵引供电的电压，相较于BT供电方式而言，由于牵引变电所的间距较大，所以对邻近通讯线路的防护效果较好。(4) CC供电方式当电铁穿越长隧道或大城市时，前面几种方式将不再适用，这时采用CC供电方式比较合适，CC供电方式亦指供电方式为同轴电力电缆的供电方法。1.2 高速铁路牵引供电系统高速铁路牵引供电系

6、统对牵引供电系统有更高、更严的要求，他与普速铁路相比，高速铁路牵引供电系统需要更大的单相功率，并且目前高速铁路牵引供电系统的许多技术和问题都正处于研究阶段，并未得到真正的解决。1.2.1 国内外高速铁路牵引供电系统特点日本、法国和德国是世界高铁技术的引领者，拥有先进的高铁的牵引供电系统，早在1964年日本就建成并开通了世界上的第一条高铁。随着科技的进步，目前很多国家的高铁的牵引供电系统全都有了很大的改进，也已经达到了较高的水平。下面就几个发达国家的高铁技术展开表述：1.日本AT供电方式由日本铁研所开发并应用于日本新干线项目，每60km建立一个变电所，变电所提供的最大的电流范围在20003000

7、A之间。新干线将AT供电方式定义为牵引供电方式的标准。由于变形伍德桥接线和斯科特接线的三相变压器能够减少系统的负序，因此被日本用在了一般牵引变压器中。同时日本为了防止再生工况（即一臂牵引，一臂再生）下，平衡变压器的平衡效果被严重恶化，因此采用了移相ScottSVC(无功补偿)、单相SVC、不等边ScottSVC、三相接线SVC等补偿装置。另外，日本还研究了单相负载补偿装置(SFC)，用于补偿变电所电源系统侧的负序以及负载不对称情况。通过减少谐波量、将供电臂的末端安装HMCR装置和精心地设计列车各主回路间的相位配合可有效的降低高次谐波对车上设备和供电所带来的危害。地面开关站的切换被用于列车通过接

8、触网的相分段。但是这种方式也存在一些缺点，如：机车在过分相时由于地面切换涉及面积较大，因此在中性段容易产生开关重燃和异相短路，这是因为机车在中性段容易产生过电压。2.法国法国的高铁牵引供电系统与日本牵引供电系统相同，都是采用AT供电方式，但是变压器选用的是单相变压器。单相变压器的选用导致不平衡现象，因此法国采取了以下措施来抑制不平衡：（1） 为了满足变电所与系统联接点间有充足的短路容量，因此选用225kV作为牵引变电所的供电电压。（2） 为了降低电气化铁路之间产生的负序电流，采用将牵引变电所轮换相序地接入电力系统，从而抵消不同的变电所产生的负序电流。（3） 变电所采用单相与Vv接线相互转换的方

9、式来适应电力系统薄弱且需要大密度行车的情况。（4） 通过配置补偿电容器，来弥补电网短路时容量不足的情况。3.德国、西班牙与法国和日本不同，德国和西班牙将带回流线的直接供电方式应用在高铁路的牵引供电系统中，但是牵引变电所仍然选用的是单相变压器。与此同时，西班牙采用相序轮换以及规划列车的运行等方法来降低牵引变电所的不平衡现象。随着我国高铁技术的发展，我国现已经在改造中的高铁线路，还有将来要修建的高速铁路全都会采用AT供电的方式；同时将220kV的电压供给牵引变电所，以此提高送电能力和增强负序承受能力。1.2.2 高速铁路牵引供电存在的问题及解决措施通过解决确定电源电压的等级，选择牵引变压器的类型，

10、选择供电方式，选择最低网压和解决机车的过电分相等问题，才能保证高速铁路的牵引供电系统的机车的快速受流和可靠供电。1.存在的主要问题高速铁路牵引供电系统中存在严重的负序电流，这是由于高铁供电臂中负荷的电流波动较大，机车牵引电流较大引起的；高速铁路中的电分相环节是供电的薄弱环节，这是因为电分相的存在，将导致高速铁路机车不能平滑连续的受流；高速铁路机车采用交-直-交传动方式，这种方式与交-直传动方式相比低次谐波的含量虽然减少了，但是高次谐波含量却增加了，这会影响到有线通信。2.相应的解决措施前文对国外高速铁路牵引供电系统所存在的问题进行了概述，通常解决上述问题主要采取如下方法：（1）对不平衡问题的解

11、决方案：增大供电电源的容量。选用像斯科特、变形伍德桥、阻抗匹配平衡变压器等特殊接线方式的变压器。选择换相连接方式，相邻变电所从三相电源中交替选择两相。采用补偿装置来补偿不平衡度。（2）电分相问题的解决方法通过电力机车自动过电分相装置的使用，能够减轻高速运行过程中电分相所带来的影响。取消或者减少电分相的方法有：选择AT供电方式、采用单相牵引变压器供电和采用同相供电。这三种途径分别是通过增加牵引变电所之间的距离来减少分相点，取消变电所出口处的电分相以及取消变电所出口及所间的电分相的原理来实施的。（3）通过安装滤波装置来解决谐波的问题。3.高速铁路采用同相供电技术的特点同相供电技术即高铁所有变电所都

12、选择单相供电而非轮换相位，通过安装专门的平衡变换装置将原来的单相负荷更改为三相纯阻抗平衡负荷，取消了原有牵引变电所与分区亭处接触网中的分相绝缘器。电分相的问题由于同相供电技术的使用得到了解决，并且使得机车速度得到了提高，同时满足了重载牵引和高速的发展要求；为了补偿谐波和无功使用了补偿装置，并且使得系统中三相不平衡问题得以解决。1.3 同相供电技术的研究现状在高铁中，由于变电所选择单相供电的供电方式及高铁中负荷波动加大，在其共同作用下，负序问题进一步严重，所以三相一单相的对称补偿成为了同相供电技术的关键。通过补偿装置，来达到三相平衡的效果。1. 采用对称补偿技术实现的同相供电系统为了实现同相供电

13、，需要依靠并联电容补偿(PCC)或并联无功补偿(PRC)，达到减弱或消除单相负荷中的负序电流，并且获得无功补偿。同相供电的好处在于操控方便，结构简单，但同时也存在一些缺点，如谐波通过补偿装置得不到抑制和补偿，因此滤波电路需要单独设计；如果补偿装置中含有电容器，那么电容器和谐波电流之间就要互相干扰；在负载剧烈变化的情况下，由于系统动态响应速度小，因此得不到较好的补偿。2. 基于有源滤波器实现的同相供电原供电系统的系统结构图可由图1-1表示，该系统结构中的有源滤波器能实现谐波、负序或无功的综合补偿。其中牵引变电所由SS表示，有源滤波器由APF表示，接触网由T表示，轨道由R表示。有源滤波器的补偿技术

14、具有补偿时动态响应速度快，精度高，实用价值高的特点，因此引起了国内外学者广泛的研究。文献2225中就针对第一种对称补偿方法存在的缺点，深入探讨了有源滤波器实现同相供电的方案，可以用图1-2表示。有源滤波器实现同相供电的方案与原供电系统中的系统结构相比取消了变电所出口位置的分相绝缘器，且所有的变电所都使用单相供电方式。 图1-1 基于有源滤波器的 图1-2 基于有源滤波器的原系统 同相供电同相供电方案使得三相一单相对称、无功和谐波得到补偿，这是因为牵引变电所内安装了基于有源滤波器的平衡变换装置。单相或三相变压器是平衡变换装置由电压型有源滤波器与变电所互相连接的桥梁。桥臂的输出电压是由有源滤波器的

15、各个开关控制的，在这个电压和电源电压的共同作用下，使得流过有源滤波器各桥臂电感的电流变化规律符合负载的基波正序无功和负序、谐波电流的变化，电源电流也因此得到控制，三相平衡，谐波和无功也得到补偿。上述同相供电系统具体的工作方式可表述为：有源滤波器负责供给负载的基波无功电流、谐波电流和负序电流，同时电源负责供给负载所需的基波有功电流，当有功电流与电源各相上的电压存在同相位关系并且三相之间对称时，电源就只提供有功功率，由此系统实现同相供电和平衡变换的目的。国内外学者对此种方案进行了如下研究：（1）采用Y/一11接线的牵引变电所的同相供电 通过三相变压器与变电所的三个输出端口相连接的一三相变流器是该系

16、统的平衡变换装置。该系统应用三相关联的边带电流控制策略来实现滤波器的控制。 （2）牵引变电所采用Scott接线的同相供电两个单相变流器构成了此种系统的平衡变换装置，这两个单向变流器共用同一直流环节，并通过两个单相变压器分别与牵引变电所相连。在控制滤波器时，需要对负荷电压和电流进行计算，得到一个电源周期内的有功功率来获得滤波器发出的指令电流，最终利用单极性的优化边带控制法控制滤波器输出相应的补偿电流。（3）牵引变电所采用阻抗匹配平衡变压器的同相供电此种系统拥有与采用Scott接线的同相供电系统相同的平衡变换装置的结构和滤波器的控制策略。上面提到的几种基于有源滤波器的同相供电方案既具有兼顾补偿谐波

17、、无功和负序电流，补偿精度高等优点，又可以在直接供电方式的条件下实现同相供电。然而这几种基于有源滤波器的同相供电方案也有一些缺点： 高速铁路中经常用到的AT供电方式不再适用，只适合直接供电方式。 Scott和平衡变压器制造十分困难并且成本较贵。检测结果需要积分一个周期才能得到，因此动态响应速率低，在电流波形突变的情况下滤波器不能快速得到检测结果。1.4 本文的主要研究内容本论文设计了一种采用直接供电方式的同相供电方案，并且在比较了国内外电铁中几种常用的牵引变压器后，选择了Vv接线的变压器。在直接供电的前提下，选用Vv接线的变压器，平衡变换装置为三相变流器的同相供电方案是本文的重点研究内容。本文

18、着重研究了同相供电方案的平衡变换原理，主要包含完全滤除谐波、无功和负序的完全平衡变换和考虑谐波、无功及负序补偿度的一般平衡变换这两种方案；在平衡变换条件下指令电流与负载电流之间的联系，各种设备的容量和容量是否有效利用，系统内部的功率关系都得到了充分的研究。补偿的动态性和精确性受到有源滤波器指令电流的影响，因此有源滤波器指令电流的生成和其控制在同相供电技术中显得尤为重要。所以本文将能够把平衡变换条件与常用的瞬时无功功率理论法和有功电流分离法有很好结合，以此来达到平衡变换需求的同相供电技术指令电流的生成方法作为研究重点。本文采用MATLAB/SIMULINK模拟仿真软件对提出的同相供电系统进行了仿

19、真分析。仿真结果表明在完全补偿条件下，同相供电方案是可行且正确的，该方案的优点在于能够实现三相平衡，在满足高速和重载机车的运行要求下，取消了电分相，另外在无需单独设置补偿器的前提下改善了无功和谐波问题。第2章 新型同相牵引供电系统2.1 原牵引供电系统的结构与特点图2-1为原牵引供电系统的系统结构图。图中分相绝缘器的设置解决了变电所出口处和相邻变电所间的电压不同的问题。SS一牵引变电所；T一接触网；NS一分相绝缘器；R一轨道、地图2-1 原直供牵引供电系统该系统所存在的问题如下：（1）由于电分相的存在使得机车在通过时需要经历一些复杂繁琐的操作过程，电力机车在通过时，需经过退级、关辅助机组、断主

20、断路器等过程才能进入下一阶段并恢复到正常运行的状态。虽然通过采用自动过分相装置能够简化操作过程，但同时也制约了电力机车牵引力的发挥并且限制了速度的提升，这对高铁的发展将是不利的，因此这种方式也仅仅治标不治本。（2）负序电流会引起三相不平衡，而该系统中的单向交流负荷由于频繁的变化就会导致系统中产生负序电流。换相联接可以改善三相负载的不平衡现象，所谓换相连接就是电气化铁路中各相邻变电所的变压器的原边各端子轮换地接入电力系统的不同相，但是由于其牵引负荷随机性强的特点导致三相不平衡并不能得到非常有效的改善；即使是像斯科特变压器和阻抗匹配变压器这种平衡变换的变压器，也只能在一定条件下实现三相平衡，即两牵

21、引臂负荷相同时。 （3）在高速、重载牵引的条件下，电气化铁道对电力系统谐波、负序和无功的影响将会更加明显。如果在此条件下仍然使用异相供电和常规补偿办法，那么经济和技术将会面临极大的挑战。为了更好的适应高速、重载铁路的发展需求，取消电分相，使用同相供电，并且通过平衡变换来实现三相平衡，补偿谐波和无功才是正确的选择。2.2 新型同相牵引供电系统的整体结构2.2.1 牵引变压器的选择在众多牵引变电所的变压器接线方式中，斯科特接线变压器，Vv接线变压器、单相接线、和Le Blance接线变压器及Y/一11接线变压器最为常见。它们具体的优缺点如下：（1）从制造的复杂性和成本来讲，采用斯科特和Le Bla

22、nce接线变压器的牵引变电所的主接线比较繁杂，由于设备多也导致维修的费用及工作量增加。（2）单相接线的变压器的优点是主接线简单，成本也较低，容积利用率也较高，缺点是对电力系统的负序有较大的影响，不能向地区以及牵引变电所提供三相负荷用电。（3）相对单相接线变压器来讲Y/-11接线的变压器主接线稍微复杂一点，因此成本和维护工作量更大一些。（4）Vv接线变压器综合了前面几种变压器的优点，既投资费用少，安装维护方便还能为牵引变电所和地区三相负载供电。综上所述，Vv接线变压器在众多变压器中具有一定的优势，也是应用最广泛的变压器之一。但是Vv接线变压器也存在一些缺点就是它对电力系统的负序影响较大。如果将V

23、v接线变压器应用于对系统进行平衡变换了的同相供电中，那么就不存在影响电力系统的负序问题了。 2.2.2 直接供电方式下的同相供电系统结构与特点牵引变电所在同相供电系统中统一使用的是单相供电方式，它的特点在于无需轮换原边相位，并且使用分段绝缘器代替牵引变电所和分区亭处接触网中的分相绝缘器。图2-4表示的是在直供方式条件下的同相供电系统结构。电力机车上的电压为27.5kV，三相电力系统的电压为110kV，经过牵引变电所降压后给机车供电。为了保证同相供电，所有变电所的输出电压还要相位一致。为了能对电力系统实施平衡补偿，兼谐波和无功补偿，将平衡变换装置BCD(简称平衡器)安装在牵引变电所内。BCD一平

24、衡变换装置；SI一分段绝缘器图2-4 直供下的同相供电系统总体结构图上述供电系统具有如下优缺点：（1）由于取消了电分相，使得电分相对高速机车运行带来的影响从根本上被消除。因此高速机车在全段运行中无需中途断电，进而大大提升了列车速度。（2）根据第三章内容可知，该系统既满足了消除负序电流的要求，也补偿了谐波和无功电流。（3）由于同相供电的使用使得牵引变电所结构简化，全都采用一样的结构，大大降低了成本和维修工作量。第3章 牵引变电所结构及其工作原理第二章分析并讨论了在直接供电方式下的同相供电系统结构和Vv接线变压器的接线方式。本章将对Vv接线牵引变电所的结构、工作原理、功率和容量要求进行详细的研究和

25、分析。3.1 变电所结构实现同相供电的关键是设计好牵引变电所的结构。本文设计的同相供电的牵引变电所的结构是由两大部分构成： Vv接线的牵引变压器、基于有源滤波器的平衡变换装置。该牵引变电所除了和一般牵引变电所一样可以降压、选择相位输出，还具有使单相负载变换成三相平衡负载，补偿牵引负载的谐波和无功的作用。图3-1及3-2为在直接供电方式下采用Vv接线变压器的同相供电变电所结构。由一台变压器给轨道和接触网提供27.5kV的单相电压，两台变压器的副边则与平衡变换器同时相连以达到平衡变换的目的。结构一中，两台单相变压器副边相接，三相三桥臂的变流器为平衡变换装置；结构二中，两台单相变压器副边不相接，只有

26、其中的一台的副边与轨道相接，而另一台的副边与平衡器直接相连，两个共同使用一直流环节的单相变流器组成了平衡变换装置。这两种变流器都是由变压器与牵引变压器相连接，而平衡变换装置结构的不同是因为牵引变压器的副边的不同的绕组接线方式。由于变电所主接线不复杂，使用单相变流器的平衡器则更容易控制；当平衡变换装置存在问题时，系统转变为单相接线供电，平衡变换停止，但是机车的正常运行不受影响；Vv接线变压器则是由两台单相变压器组成，如果其中一台变压器发生故障问题，则也转变为单相接线供电，机车的正常运行不受影响，同时停止平衡变换。(a) 变电所结构(b) 平衡变换装置结构图3-1 结构一(a) 变电所结构(b)

27、平衡变换装置结构图3-2 结构二3.2 平衡变换原理在直供方式下，采用三相变流器和采用两个背靠背的单相变流器的平衡器，其平衡变换原理基本相同。为了叙述简洁及系统实现容易，又能同时讨论到平衡器为三相和两个单相变流器的情况，本章下面研究的内容及以后各章，均以采用三相三桥臂变流器为平衡器的系统作为讨论模型。3.2.1 变电所电流期望值与负载电流的关系图3-3为采用三相三桥臂变流器的Vv接线同相直接供电方式的平衡变换原理图。其中，为变压器的原边三相电流；为变压器的副边三相电流；为平衡器输出的补偿电流；为机车电流。图3-3 采用三相三桥臂变流器的平衡变换设电源的相电压为： 变压器副边的绕组电压和电流的表

28、达式为: 其中馈线中的负载基波电流可以表示为: 则负载的基波有功电流和基波无功电流分别为： 设，负载的有功功率为： 电源的功率为： 由于平衡器的存在，当电源提供负载的全部有功功率且谐波、无功和负序电流全部得到完全补偿时，电源只负责供应负载的有功功率，因此存在关系式:。由式(3.6)和式(3.7)可得: 式(3.8)中，表示牵引变压器的变比。平衡变换后，电源电流转变为三相对称的基波正序电流，电源电流的瞬时值应为: 变压器副边线电流的瞬时值为： 当电源给负载供应的只是有功功率时，负载所需的其它电流则由平衡器来提供，这些电流包括负载的基波正序无功电流，谐波电流和负序电流。根据图3-3，平衡器各桥臂电

29、流与负载电流之间的关系式为(3.11)。根据式(3.11)，输出的瞬时电流包含全部基波无功电流及谐波电流。因此，的作用是补偿负载基波无功电流和谐波电流。式(3.11)被称为完全平衡变换条件。3.2.2 负序、无功和谐波补偿度的讨论综上可知，式(3.11)为系统谐波、无功和负序完全补偿时的平衡关系式。但是在实际中，系统的功率与谐波、无功和负序的补偿度有关，因此有以下的讨论。负载中只含有基波有功电流时，设其为，则变压器的副边三相电流、负载电流及平衡器的输出电流之间的关系如下所示: 将式(3.12)分别表示为正序、负序和零序电流，有: 上式中，。因为电源可以提供所有的基波有功电流，且没有零序电流，所

30、以0，0。当负序电流得到完全补偿时，0，因此存在： 设负序补偿度为，且，表示实际补偿的负序电流。当等于0时，说明负序电流得不到补偿；当等于1时，则说明负序电流可以实现完全补偿，即式(3.14)。当负序补偿度被考虑在内时，式(3.14)可写成： 所以： 也即： 上述的分析都是在基于负载中只含有基波有功电流的前提下，所以当负载电流中还含有谐波及基波无功电流时，设谐波电流补偿度为，无功电流补偿度为，且，其中表示剩余的谐波电流分量，表示负载所含的谐波电流分量，表示剩余的基波无功电流分量，表示负载所含的基波无功电流分量。当和等于1时，谐波和无功电流得到完全补偿；当和等于0时，谐波和无功电流则不被补偿。因

31、为，所以，当平衡器的负序补偿度，谐波补偿度和无功补偿度被考虑在内时，式(3.17)可写成： 同时有： 为了讨论方便，负载的谐波不在考虑范围内，即令式(3.18)中的0，将式(3.18)代入式(3.19)得: 当负载谐波不被考虑时，当=1，=1时，式(3.10)与(3.18)，(3.11)与式(3.20)完全相等。式(3.20)被称为一般平衡变换条件。3.3 系统的功率和容量分析3.3.1 功率关系当完全补偿时，由式(3.2)、(3.3)可得负载的瞬时功率为： 因为，设，式(3.21)可以写成: 其中，表示负载的谐波功率。设电源相电压，和，且，由式(3.9)可以得到电源的瞬时功率为: 如果将Vv

32、接线的两个单相变压器的瞬时功率和进行单独考量，则两个单相变压器流过的电流分别为式(3.10)中的、，可得: 由式(3.23)、(3.24)及(3.25)可知，完全补偿时，电源只输出负载所需的有功功率；而两个单相变压器则各自输出一半的负载所需的有功功率。当三相变流器作为平衡器时，由于平衡器的输出瞬时功率为，则通过式(3.22)、(3.23)，可以得出其瞬时输出功率为: 现在分析式(3.20)表示的基于考虑补偿度时的系统功率关系。当三相变流器作为平衡器时，其输出的瞬时功率为: Vv接线的两个单相变压器输出的瞬时功率分别为: 3.3.2 容量分析在考虑补偿度的情况下，讨论式(3.18)、(3.20)

33、中的系统容量和容量利用率。在分析平衡补偿下的系统容量时，设负载电流中只含有基波电流，其初始功率因数为0.8，且无功完全补偿，即为1。1.牵引变压器的容量分析设牵引变压器的输出视在功率为，其值为两个单相变压器的容量之和。有： 将式(3.18)中的、 (不考虑谐波)表示成复数的形式，然后计算出其共轭复数，可以分别得到两个单相变压器的复功率为: 其中，且。由式(3.30)、(3.31)和式(3.29)可得牵引变压器的容量为: 负载容量，牵引变压器的容量利用率为: 当负序完全得到补偿即=1时，由式(3.33)可以得出变压器的容量利用率是108.3%。因为负序补偿兼顾无功补偿从而导致其容量利用率大于10

34、0%。由表达式(3.30)和（3.31）可以看出，当电力系统输出负载基波中只有有功功率时，两个单相绕组的变压器在输出一定量的有功功率的同时，还会传输一定量的无功功率，由于这部分无功功率的存在大大增加了变压器的容量。2.平衡器的容量分析负载的复功率，因此在平衡器使用三相变流器的时候，根据式(3.20)计算出各桥臂电流的有效值、和后，由式计算可得平衡器的容量利用率为： 同理，当负序得到完全补偿即=1时，根据式(3.34)可以得出应用三相变流器为平衡器时的容量利用率是89.8%。第4章 指令电流的生成和有源滤波器的控制 从上一章的分析讨论中可以看出，实现同相供电的关键是让平衡变换装置输出期望的电流值

35、，按要求消除负序，补偿谐波和无功。平衡变换装置中有源滤波器指令电流的生成方法和滤波器的控制方法的使用，对正常进行动态平衡补偿有着决定性作用，因此对此过程进行讨论和研究。本章及下一章是基于平衡器在完全补偿的条件下来进行讨论和研究的。4.1指令电流的生成方法4.1.1 无功和谐波电流的常用检测方法常见的无功和谐波电流检测方法有： (1)利用模拟带通滤波器检测：先通过滤波器得到电流的基波分量，然后减去被检测的电流，从而得出谐波分量。由于电路元件参数对其影响较大，而且这种方法对电网频率的波动也十分敏感，因此设计难度和检测误差比较大。(2)基于频域分析的FFT检测法：对采集到的一个电源周期的电流值进行计

36、算和分析，能够得到各次谐波的幅值和相位以及无功电流。这种方法的缺点是需要一定时间的电流值，需要进行两次转换且需要大量的计算，实时性能不够好。(3)基于瞬时无功功率的谐波检测：利用瞬时无功功率理论可以得到瞬时无功功率和有功功率并分解为直流和交流，最终计算出三相电路谐波分量和无功电流。文献34中指出当该检测方法应用于单相电路时，需要构造出三相中的另两相电流，而构造的过程中存在延时，所以实时性能较差。(4)自适应检测法：是利用信号处理技术中的自适应干扰对消原理来检测谐波的方法。该方法可以应用于三相电路，同时也能应用于单相电路，然而这种方法的缺点是其动态响应速度比较慢，所以实时性能较差。除此之外，针对

37、单相电路中的谐波和无功电流检测方法，文献3738中专门论述了用于单相电路的有功电流分离法，由于它不需要构造出三相中的另两相电流，所以不存在上述描述的构造延时缺点，实时性能比较好。4.1.2 同相供电指令电流的生成方法因为电气化铁道牵引供电系统是单相电路，因此负载电流的检测应该采用适合单相电路的检测方法。上述分析讨论了的几种检测无功和谐波电流的方法，目前都只能用来检测无功和谐波电流，无法检测负序电流，但是同相供电系统中的负序问题是首先需要解决的。考虑到有功电流分离法存在电路结构简单、实时性能较好、检测精度较高的优点，本节就将这种有功电流分离法与上述提出的同相供电平衡变换相结合，从而得到滤波器的指

38、令电流；由于瞬时无功功率理论法在应用于单相电路时有构造延时的缺点，于是本文提出了另一种滤波器指令电流的生成方法，此方法将瞬时无功功率谐波检测与同相供电中的平衡变换相结合，构造延时的缺点不再存在，同时实时性能和检测精度显著提高。需要提出的是，本章所说的检测方法以及下一章对系统的仿真分析都是在系统完全补偿的条件下来实现的。1.方法一该方法结合有功电流分离法和平衡变换，从而得到滤波器的指令电流。 式(3-3)中的负载电流可表示成： 其中，分别为基波有功电流分量、基波无功电流分量、所有的瞬时谐波电流的总和。将式(4.1)乘以得： 式(4.2)等号右边是由直流分量和交流分量两部份组成，低通滤波器过滤交流

39、分量后，可以得出负载的基波有功分量。通过式(3.11)的完全平衡变换条件能够得出平衡器的综合补偿电流。综上分析，能够得出图4-1所示的生成滤波器指令电流的第一种方法。当平衡变换装置为三相变流器时，所需的指令电流包括、和。图4-1 指令电流生成方法一图中的表示和负载电压同相位的正弦信号，表示和负载电压同相位的余弦信号，两者信号是通过锁相环和一个正、余弦信号发生器来产生。而和分别与和有如下关系： 2.方法二这种方法结合了瞬时无功功率检测理论与平衡变换，只构造三相中的两相，其中的一相电流是接触网馈出的负载电流，另一相电流不需要经过延时构造而是取它为零，即:令，0： 由下列变换可计算出、： 将式(4.

40、5)代入式(4.6)得： 其中，、为： 式(4.7)等号右边是由直流分量和交流分量两部分组成。由式(4.8)可知，在使用倍增益的低通滤波器后可以得到基波有功分量的有效值。图4-2 指令电流生成方法二 根据平衡变换条件及上面分析的基波有功分量检测，能够得到图4-2所示的另一种生成滤波器指令电流的方法。图中为: 一样地，表示和负载电压同相位的正弦信号，表示和负载电压同相位的余弦信号，同样也通过锁相环与一个正、余弦信号发生器来获得。和也可以由式(4.3)和式(4.4)得出，至于则可由下式得出: 上述分析和讨论了两种生成滤波器指令电流的方法。这两种方法对于本文中生成同相供电系统中的指令电流来说其实是一

41、样的，只是因为采用方法二，基波有功和无功分量可以被同时检测出，因此改善了之前瞬时无功功率理论中所存在的构造延时的缺点，而且方法二在改善了延时构造这一缺点的同时，承袭了实时性能好的优点，所以需要单独区分开这两种方法。4.2 有源滤波器的控制有源滤波器在工作时通过控制各功率开关管的状态，从而输出能够及时跟踪指令电流变化而变化的补偿电流来得到理想的补偿效果。滤波器控制方法一般为三角载波控制方法、滞环控制方法等。一般在控制滤波器的过程中，最重要的就是降低开关频率，从而降低功率开关管的开关损耗，但又不能影响波形的品质，同时还需要能快速地跟踪指令电流的变化。在本文中，有源滤波器的控制方法采用的是滞环电流控

42、制法，以下将对该方法进行讨论和分析。这种控制方法是一种电流瞬时值比较控制，补偿电流的指令信号和实际的补偿电流信号在通过比较后，将它们的差值作为滞环比较器的输入信号，而电力电子器件的控制信号则由其输出信号来表示。电力电子器件的通断是通过信号来控制的，通过控制其通断来改变电流。图4-3表示的是其原理图。图4-3 滞环比较法原理图滞环比较器的环宽由H表示，当（即与的差值）的绝对值小于时，滞环比较器的输出稳定保持不变；当的绝对值大于时，滞环比较器的输出开始翻转，以此来开通或关断对应的电力电子器件。因此补偿电流能够不断地追踪既定的电流波形，并且其波动范围在允许偏差范围里面。在滞环电流控制方法中，补偿电流

43、的追踪性能很大程度上受滞环的宽度的影响。环宽H过宽时，开关动作频率较低，此时对电力电子器件的要求较低，但是其追踪的误差变大；环宽H过小时，其追踪的误差变小，而开关动作频率则相应的增大，这导致开关进一步损耗乃至使得开关动作频率有可能超过可关断器件所允许的工作频率范围，最终致使电路无法正常运作。该控制方法的好处在于硬件电路非常简易，并且可以实现实时控制，因此其响应速度快；控制过程中不运用载波，所以特定频率的谐波电压被消除，不存在于输出电压中。滞环电流控制法的结构简易且容易实行，这些优点使其在实际工程中得到广泛的应用。第5章 系统仿真本章利用MATLAB/SIMULINK对本文提出的直接供电方式下的

44、同相供电方案进行了仿真分析，以此来验证本文提出的平衡变换原理的正确性和可行性，同时通过仿真结果还能验证本文提出的检测方法和滤波器的控制方法是否正确。5.1 有源滤波器主电路的参数问题首先来分析一下有源滤波器的主电路的参数设置方面的一些问题。有源滤波器的主电路的参数包含很多，其中有些参数的设置这里不进行过多的讨论分析，比如主电路中四象限变流器开关元件的一些参数设定，它的额定电压、电流及频率主要影响开关器件的选择，不是本文要分析的重点，所以这里就不赘述了。有些参数的确定会直接影响到仿真结果，这是需要注意的地方，下面就某些重要参数的设置要求做个总结： (1) 直流侧电压值。该值的大小不仅对仿真结果有

45、所影响，还会对开关频率的要求有所影响，的取值越大，需要的开关频率越高，所以电流的变化也越快，一般的取值只要大于交流电源相电压峰值的3倍即可，因为的取值越大，对器件的耐压要求也越高，所以在满足要求的情况下，不需要将的值取得太大。 (2) 交流侧输出电抗器的电感值。该值的大小同样也对开关频率的要求有所影响。其值取得越大，则开关频率越低，那么电流变化得越慢，反之，其值取得越小，则开关频率和电流的变化情况同前面相反。电感的取值除了对开关频率的要求有所影响之外，还会对电流波形的品质有所影响。 (3) 滤波器控制器中的滞环宽度。滞环宽度同电压和电感一样，也会对开关频率造成影响，同时影响电流波形的品质。的取

46、值越小，需要的开关频率越高，则电流的变化越快，补偿的效果越好；的取值越大，需要的开关频率越低，则电流的变化越慢。5.2 直接供电方式下的系统仿真图5-1 基于Vv接线变压器的同相供电系统电路图针对图5-1给出的直接供电方式下的同相供电系统电路图，用MATLAB/SIMULINK建立了图5-2的仿真模型。主电路中各器件的通断由驱动电路控制，它将逻辑信号转换为各器件的驱动信号，所以主要起到一个信号转换的作用，在仿真时可忽略掉。图5-2 基于Vv接线变压器的同相供电系统仿真图5.2.1 仿真参数的给定仿真中，电力系统端的电压设置为110kV，牵引网的电压设置为27.5kV，电力机车的电压和电流由下式确定:式中，负载的功率因数设定为0.866(滞后)，3次谐波的含量为20%，5次谐波的含量为12%，7次谐波的含量为5%。平衡变换装置中，将直流侧的电压设置为，交流侧的电感设置为；平衡器中，将变压器的变比设置为= 20；控制电路中，将滞环比较器的滞环宽度设置为。5.2.2 变压器原、副边电流波形图5-3是变压器的原边线电流和次边线电流的波形图，此时，平衡器暂未投入使用。