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1、 大学毕业设计(论文) 第IV页电铁V/v变压器供电的牵引变电站电能质量治理 摘 要电气化铁路牵引系统由于负荷波动频繁、冲击大，因此会产生很多的电能质量问题，比如谐波电流问题和负序电流问题。谐波和负序等电能质量问题不仅增加电能的损耗，而且威胁着电力设备的安全可靠运行，甚至会引发电力事故，给铁路部门和国民经济造成严重的损失。为了解决铁路牵引系统中的谐波和负序问题，本文提出三相V/v变压器下负序电流和谐波电流检测和治理的方法，即利用铁路功率调节器(railway static power conditioner，RPC)进行谐波和负序等电能质量问题的治理。RPC由两个公用直流侧电容的背靠背式的变流
2、器组成，通过控制其功率可以实现谐波的电流和负序电流的治理。通过仿真实验表明，RPC能够很好地治理电气化铁路牵引系统的谐波和负序问题。关键词： 负序电流，谐波电流，铁路功率调节器 AbstractDue to the frequent fluctuations and the great impact on the grid, the load of electrified railway traction system has many problems such as the negative sequence current and harmonic current. These prob
3、lems has not only increased the consumption of power, but also posed serious threats to the security and reliability of equipment operations. Moreover, these problems may lead to electrical accidents or contribute to serious losses to the railway sector and the national economy.In order to solve the
4、 problems of negative sequence and harmonic current in the electrified railway traction system, this thesis proposes a method of adopting the railway static power conditioner (RPC) to detect and govern the negative sequence current and harmonic current in three-phaseV/Vtransformers. The railway stat
5、ic power conditioner (RPC) has two inverters which connect with each other by sharing a DC capacitor and it can solve the problems of negative sequence current and harmonic current by controlling the power. The results of simulation experiment show that the railway static power conditioner(RPC) can
6、well tackle the problems of negative sequence current and harmonic current in the electrified railway traction system.Key Words : negative sequence current，harmonic current，railway static power conditioner(RPC) 目 录第1章 绪论11.1 课题背景和意义11.2 电气化铁路电能质量治理的研究现状和发展21.3本论文主要内容与布局3第2章 电气化铁路牵引变压器的工作原理与基本结构52.1
7、牵引变压器的种类和特点52.1.1 纯单相变压器52.1.2 V/v接线变压器62.1.3 斯科特(Scott)接线变压器72.1.4 阻抗匹配平衡变压器82.2 各牵引变压器特性分析与对比92.3 牵引变压器的发展趋势10第3章 V/v接线牵引变压器下RPC的基本原理和控制策略123.1 RPC的拓扑结构123.2 RPC原理分析133.3 RPC的控制方法163.3.1 负序和谐波电流的检测方法173.3.2 RPC控制策略研究19第4章 基于Matlab/simulink仿真实现及结果分析204.1 仿真平台介绍204.2 仿真模型204.2.1 仿真模型参数204.2.2 仿真模型结构
8、224.3 仿真结果分析25结论与展望28致 谢29 大学毕业设计(论文) 第 30 页第1章 绪论1.1 课题背景和意义铁路的牵引动力设备为机车。从铁路牵引动力的发展过程来看，机车的种类主要分为三种，依次为蒸汽机车、内燃机车和电力机车。与此相对应的牵引方式分别为蒸汽牵引、内燃牵引和电力牵引。采用电力作为牵引动力的铁路称为电气化铁路。以电力牵引为动力的机车本身不带能源，它必须从外部电源和牵引供电系统获得电能，电能经过变换后输送到牵引电动机，从而带动机车运行。自电力机车问世后，电气化铁路的发展速度非常迅猛。从刚开始利用直流电机作为电力传动的工具，到采用三相低频交流供电技术，再到采用单项低频交流供
9、电技术。现如今普遍采用的技术是单相工频交流供电技术。现代电力电子技术的发展更为电气化铁路的发展注入了活力1。电气化铁路的发展不断向前推进与电气化铁路的优越性是分不开的。电气化铁路的优越性2大致分为以下几点：1） 运输能力大，速度快，可以满足重载、大运量、高速的铁路干线和陡坡、隧道等山区铁路运输的需要。2） 综合利用能源，减少了能源的损耗。蒸汽牵引通过燃烧优质煤提供动能，其功效约为6%。内燃牵引以柴油等化石燃料为燃料，功效约为25%。电力牵引利用电能牵引机车运动，若为火力发电厂供电，其功效可以达到25%，若为水力发电厂供电，其功效可达到60%。因为电力牵引从电力系统取得电能，相当于间接综合利用了
10、火力、风力、水力等能源，所以可以达到综合利用能源，减少了能源损耗的目的。3） 对环境污染小，有利于实现环保运输。蒸汽机车和内燃机车在运行过程中会产生大量的有害气体，污染环境。电力机车运行时则不会产生有害气体，对环境无污染，实现环保运输。4） 有利于铁路沿线实现电气化发展，促进沿线工农业的发展。牵引供电系统除了向电力机车供电以外，还可以向铁路沿线的其他工农业等的用电设备进行供电，从而促进铁路沿线的工农业发展。综上所述，电气化铁路有其独特的优势，电气化铁路的发展对促进国民经济发展以及节能环保等方面都做出了重大的贡献，发展电气化铁路已成为现今社会的必然趋势。但是电气化铁路也存在着一些急需解决的问题3
11、：1） 由于电气化铁路牵引负荷波动频繁、冲击大，会产生大量的谐波和负序电流，同时由于电力牵引机车的制造与设计存在缺陷等原因，导致电力机车的功率因数变低，铁路牵引系统向电网吸收大量无功功率，造成电网容量的浪费，并增大了线路损耗。2） 对沿电气化铁路架设的通信线路造成干扰。因为我国铁路牵引系统基本上都采用单相交流供电方式，当接触网流过牵引电流的时候，会导致导线周围形成磁场和电场，从而对通信信号造成干扰。3） 电气化铁路的建设费用比蒸汽牵引和内燃牵引大，投资成本高。对于上面存在的问题，我们可以通过采取各种不同的方法进行优化和改进。其中对于投资建设费用大这个问题，可以利用其运输能力大的优点得以补偿。对
12、于信号干扰的问题，我们可以通过改变其供电方式，如采用BT供电、AT供电等方式，以达到减少对铁路沿线通信的干扰的目的。谐波和负序电流问题是电气化铁路现阶段面临的最大的问题，很多学者和科研人员都在研究克服这个问题的方法。本文主要内容是就电气化铁路的谐波和负序问题提出了自己的解决方案。1.2 电气化铁路电能质量治理的研究现状和发展 电气化铁路牵引系统由于机车负载的波动频繁，冲击大，会引起三相电流不平衡，从而产生大量的负序电流和谐波，影响电力系统的安全性和可靠性。其中负序电流会使发电机的附加损耗增加，引起转子发热和振动等现象，对电力系统的稳定性造成了严重的影响。谐波电流会使电力设备产生额外的损耗，甚至
13、会引起继电保护装置的拒动或误动，使电力系统的安全性和可靠性下降。所以人们对电气化铁路负序电流和谐波等电能质量问题4越来越重视。牵引变压器的类型对负序电流的大小的影响很大。牵引变压器的类型有很多，例如三相V/v变压器、阻抗匹配平衡变压器、斯科特变压器等。这些变压器对负序电流的治理效果很明显，是今后研究电气化铁路的主流方向。阻抗匹配平衡变压器和斯科特变压器为平衡变压器，而三相V/v接线牵引变压器是不平衡变压器，即当三相V/v变压器二次侧负载的有功平衡时，在三相侧依然有50%的负序电流5。三相V/v变压器的优点是结构简单，容量利用效率高等。若能通过控制方法消去V/v接线牵引变压器的负序电流问题，那么
14、这种牵引变压器将能够充分发挥利用率高、结构简单等优点，因此采用三相V/v接线牵引变压器治理电气化铁路负序电流和谐波的方法值得深入探究。近些年来各国对电气化铁路电能质量问题都进行了一定的研究与尝试。有些方案采用在高压侧添加无功补偿器和静止同步补偿器等补偿装置来治理负序电流和谐波。这种方案的缺点是电路承受的电压非常大6，其方案会增加工程的复杂性和难度。有些方案采用有源滤波，有源滤波对抑制谐波的效果非常明显，但是对产生的负序电流不能进行有效的治理。还有一种方案是日本学者提出的铁路功率调节器7(railway static power conditioner，RPC)方案。铁路功率调节器RPC不仅能够
15、对负序电流进行有效的补偿，而且能够对谐波进行治理，使电气化铁路的电能质量问题得到很大的改善。基于三相V/v变压器和RPC的优点，三相V/v变压器下RPC的基本原理和控制方法的研究具有深远的意义。1.3本论文主要内容与布局 本论文主要内容是三相V/v接线牵引变压器下RPC基本原理和控制方法的实现。通过理论推导和仿真实验观察加入补偿装置RPC后电气化铁路牵引系统负序电流和谐波的变化。第一章绪论主要介绍电气化铁路的特点以及发展现状。第二章对电气化铁路牵引变压器的工作原理与基本结构进行原理性的阐述。本章对几种常见牵引变压器的性能和特点进行分析和比较，得出V/v接线牵引变压器具有很多其它牵引变压器所没有的特点，阐明了V/v接线牵引变压器是未来电气化铁路牵引变电站的发展趋势。第三章主要是对V/v接线牵引变压器下RPC的基本原理和控制策略进行研究和分析。通过对RPC的工作原理进行分析和
