完整版基于斯科特变压器的新型同相AT 牵引供电系统毕业论文.docx

1、完整版基于斯科特变压器的新型同相AT 牵引供电系统毕业论文基于斯科特变压器的新型同相AT 牵引供电系统原作者：张秀峰 连级三 0 引言 由于牵引供电系统结构和负荷的特殊性，造成了电力系统三相严重不平衡，需采用平衡变压器和换相连接。尽管这样能够改善三相不平衡状况，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改善程度受到了限制。此外换相连接后各供电区段需要用分相绝缘器分隔，而分相绝缘器的存在使电力机车安全平稳性存在较大隐患，制约了高速、重载铁路的发展。 采用有源滤波器的同相供电技术，可以从根本上解决上述问题。文献提出的基于有源滤波器的同相供电系统方案，不仅能实现三相平衡同相供电，

2、而且能动态补偿谐波和无功，是较理想的新型牵引供电系统方案。但这些供电系统方案仅局限于BT 供电方式和简单直供方式，不能直接也不宜应用于A T 供电方式。与BT 和简单直供方式相比，AT 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。当前有不少电气化铁道采用了斯科特变压器和A T 供电方式，如我国北京秦皇岛、大同秦皇岛、郑州武昌等电气化铁路。我国新建客运专线，也计划采用A T 供电方式。其次，由于A T 供电方式的特殊性，变电所接线方式、牵引网的结构等都与B T和简单直供方式不同，其同相供电系统的平衡变换原理、补

3、偿电流检测算法等也与BT 和简单直供方式大不相同。所以研究基于AT 供电方式和斯科特变压器的新型同相牵引供电系统，不仅必要而且很有价值。 1 现有系统结构及特点 图1 为斯科特变压器接线AT 牵引供电系统结构示意图（图中未示出用于通信防护的自耦变压器，以下同）。图中SS 表示牵引变电所，它采用斯科特变压器接线方式；T 、R 、F 分别表示牵引网的接触线、钢轨和正馈线；DK 表示分相绝缘器（图中共有10 个，仅2 个有标号）。为了改善三相不平衡状况，变电所一次侧采用了换相连接。各供电臂之间采用分相绝缘器分隔。图2 为变电所接线原理示意图。 这种供电系统的优点是： 牵引网阻抗小，约为BT 供电方式

4、牵引网阻抗的14 左右，从而提高了牵引网的供电能力，大大减小了牵引网的电压损失和电能损失。牵引变电所间距可进一步增大，由此可以减小变电所数量，降低投资；经分析和试验表明，A T供电方式对邻近通信线的综合防护效果优于BT供电方式。 无需在AT处实行电分段，故有利于高速、重载列车顺利通过。 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 则 式中：KM=11055为M 座变压器变比。 存在问题是： a.据对部分山区单线牵引变电所被测负荷统计，2个供电臂同时有负荷的时间只占全天的10%左右，而当一个供电臂出现较大牵引负荷时，另一个供电臂常常没有牵引负荷，即使有也较小。所以采用换相连接

5、和平衡变压器对三相不平衡改善程度是有限的。 b.由于采用换相连接，各供电臂电压不同，必须用分相绝缘器分隔（图中用DK 表示），增加了机车操作的复杂性，严重制约了高速、重载铁路的发展。 2 同相供电系统的结构 2.1 2 55 kV同相供电系统如图3 所示，斯科特变压器M 座和T 座二次侧电压为55 kV。图中pp 为平衡变换装置（以下简称平衡器），其结构见图4 所示，它主要是由PWM 变流器构成，其作用是通过适当的控制提供负载所需的谐波和无功电流，并实现由单相到三相的平衡变换。接线方式与原系统不同点是：T 座55 kV 出口处不再需要自耦变压器，且出口2 个端子不再直接接于另一方向接触线T 和

6、正馈线F，而是分别通过平衡器接于同一个接触线T 和正馈线F；各变电所接线方式完全相同，且在平衡器作用下都能输出相同相位的电压，不再换相连接，取消了分相绝缘器，实现了各供电区段同相供电。 该方案的特点是： 平衡器可由2 个背靠背的单相变流器构成，见图4 所示。平衡器的控制方法相对简单，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55 kV 出口仍需要1台自耦变压器，以提供接钢轨的中点抽头。 2.2 227.5 kV同相供电系统图5是227.5 kV同相供电系统，斯科特变压器M座和T座二次侧电压为27.5 kV，

7、M 座的b 端子和T 座的a端子分别接接触线T和正馈线F，M座的d端子和T座的c端子连接后接钢轨。同样，通过对平衡器适当控制，能够使各变电所输出同相位的电压，取消分相绝缘器，实现同相供电，并能达到三相完全平衡，同时滤除谐波和无功。 该方案的优点是： M 座和T 座出口不再需要自耦变压器提供中点抽头，故可节省2 台自耦变压器。 当平衡器故障时，系统变为简单直供方式，仍能继续供电。 该方案的缺点是： 平衡器核心部分是四桥臂变流器，其控制方法相对比较复杂，且各桥臂电流不均衡。 当平衡器故障时，虽能能保证供电，但牵引网失去了通信防护能力。 综上所述，2 55 kV 同相供电系统方案，具有供电可靠、容易

8、实现等优点，故以下主要讨论这种同相供电系统。 3 平衡变换与补偿电流检测 3.1 平衡变换的基本原理 图6为255 kV同相供电平衡变换原理示意图，图中iA、iB、iC为110 kV侧三相电流；ia、ib分别为牵引侧T座和M 座负荷电流；iap、ibp 为平衡器提供的电流；iL 为电源馈出的接触网电流。根据图6 并结合图4 ，可写出以下关系式： 式中：T 表示矩阵转置。 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。 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，根据以上原理可得 4 系统仿真

9、为了观察本文提出的同相供电系统运行状况和谐波与无功的补偿效果，验证本文提出的平衡方法和补偿电流检测方法的正确性，针对图3 给出的供电系统，基于MatlabSimulink 建立了仿真模型，并进行了仿真。其中平衡器采用了图4 所示的2个单相变流器结构，平衡器参数设为L=1.510-3H，C=20 mF，直流侧电压给定为10 kV ；平衡器的2 个单相变流器经2个单相变压器分别接入斯科特变压器M 座和T 座55 kV 出口的2 个端子，2个单相变压器变比设为k=552.5 ；变流器采用了图8 所示双滞环电流比较状态优化控制方法，内外滞环比较器滞环宽分别给定为5 ，8；牵引网电压为27.5 kV；负

10、载电流滞后于M座出口电压ubd 30，功率因数为0.866，若以电源A相电压uA为参考，则负载电流iL可表示为 仿真结果见图9图11 所示。 图9（a）为1 1 0 k V 电压波形，图9（b）、(c)分别为负荷电流和接触网电流波形。 为了便于比较还给出了图2所示的原系统( 无平衡变换装置)的仿真结果，见图10 所示，其中，(a)、(b)分别为仅M 座有负荷时的变压器一次侧三相电流和二次侧两相电流。由此可见110 kV 侧三相电流极不平衡，并含有大量的谐波和无功。 图11为基于斯科特变压器的新型同相牵引供电系统仿真结果，可见，变压器两侧电流完全对称，一次侧A相电流与相电压同相位，不含有谐波和无

11、功。所以对于新型同相牵引供电系统，单相不平衡负载仅相当于电力系统的一个纯阻性三相对称负载，说明本文提出的同相供电系统方案是正确的。 5 结论 通过分析和仿真证实，基于斯科特变压器的新型同相牵引供电系统，能够实现牵引供电系统同相供电和由单相牵引负荷到三相电力系统的平衡变换；可以动态滤除谐波和补偿无功，从而使变化频繁，谐波含量高，并消耗大量无功的牵引负荷，对电力系统而言，仅相当于一个纯阻性的三相对称负载。与其他同相供电方案相比，其优点是： 具有AT 供电方式的优点。如沿线牵引变电所间距大、数量少；AT 处无断点，有利于高速、重载列车通过；通信防护效果好，综合经济技术性能优越等优点。 可节省1台自耦变压器。 当平衡器故障时，仅相当于原系统仅一供电臂有负荷的情况，不影响系统正常供电，且仍保持了原来的通信防护效果，供电可靠性高，通信防护效果好。 平衡器结构简单、易控制，变流器各桥臂电流均衡，平衡效果好，实现方便可靠。