单三相组合式同相供电系统的负序影响研究

负序是我国电气化铁路牵引供电系统中存在的主要电能质量问题之一,为研究单三相组合式同相供电系统负序的影响情况,介绍了单三相组合式同相供电系统结构及特点,采用通用方法分别计算了异相供电系统和单三相组合式同相供电系统下牵引负荷产生的负序电流,并对比分析了单三相组合式同相供电系统和异相供电系统中列车处于牵引或再生制动状态下负序影响情况,计算结果表明,单三相组合式同相供电系统平衡变压器绕组容量利用率比YNvd平衡变压器高,其容量利用率最小为85.7%.      

Vx接线组合式同相供电系统建模与分析

作为新一代牵引供电系统的关键技术,同相供电系统设计需要匹配牵引变压器接线方式,优化电能质量综合补偿策略,降低潮流控制器（PFC）容量及其造价。针对高速和重载铁路推广采用的自耦变压器（AT）供电方式和Vx接线牵引变压器,设计了一种组合式同相供电系统。首先,基于该系统各端口接线角关系,建立了三相电网与单相牵引负荷之间的电气量变换模型;其次,利用三相电压不平衡与无功功率综合补偿理论,将相关电能质量限值为约束条件,给出了组合式同相供电系统各端口补偿电流计算方法,提出了潮流控制器动态跟踪补偿控制方案,与已有补偿方案相比,在达到相同补偿目标时所需补偿容量可以减少10%~58%;最后,通过对多种牵引负荷工况下系统运行特性的仿真模拟,验证了上述补偿模型的正确性和控制策略的有效性。      

重载铁路树形贯通式同相供电系统的运行状态

重载铁路树形贯通式同相供电系统能够最大限度降低线路中电分相带来的安全隐患,提升牵引供电系统再生制动能量直接利用率、供电能力和供电品质.为保障树形贯通式同相供电系统的良好运行,从均衡电流、供电能力、负序评估、故障分析及保护配置4个方面研究该系统的运行状态.构建不同拓扑结构下双边供电系统均衡电流评估模型,揭示重载铁路树形贯通式同相供电系统的外部电源构成方式;以某重载铁路树形贯通式同相供电改造方案为例,探究正常和故障运行工况下系统的供电能力以及系统对外部电网的负序影响;对该系统不同类型的故障进行分析,并提出保护配置方案.研究结果表明：相较平行双边供电,当两相邻牵引变电所变压器变比相同时,树形贯通式同相供电系统不会产生均衡电流;改造方案上、下行牵引网最低网压为22.74 kV,满足牵引网电压要求;设置组合式同相供电装置后,系统的三相电压不平衡度95%概率大值和最大值分别为1.20%和1.65%;相较于传统保护装置方案,所提保护配置方案能够确保牵引网停电区间最小.     

基于有源滤波器和斯科特变压器的同相牵引供电系统

提出了一种采用斯科特变压器和平衡变换装置的铁道牵引供电系统同相供电方案。平衡变换装置由两个电压型单相有源滤波器构成，用以补偿负载的无功和谐波电流，以及变压器两副边绕组的不平衡电流。无论负载实际的特性如何，经过变换之后在变压器的输入侧都表现为三相对称的纯阻性负载。文中分析了系统的结构和工作过程，提出了单相有源滤波器的状态优化控制方法。以一列满载运行的机车为对象，进行了供电系统的软件仿真研究，仿真结果证实了该系统的正确性。     

论新一代牵引供电系统及其关键技术

与既有电气化铁路牵引变电所换相接入电力系统不同,提出新一代牵引供电系统,即在同一电力系统内实现电气化铁路无分相的同相贯通供电系统.本文讨论了与新一代牵引供电系统相关的三项关键技术:一是牵引变电所采用组合式同相供电技术,治理负序,取消变电所出口处的分相;二是新型双边供电技术,取消分区所处的分相,减小均衡电流及其对电力系统的影响,同时,调整功率因数,保证牵引网电压水平;三是牵引网分段供电与测控技术,将供电臂适当分段,运用同步测量技术,更准确、更及时地判别故障类型与部位,并把故障限制在最小范围内.文章还说明了系统的经济性和可靠性.      

新建牵引变电所的负荷预测及变压器容量优化配置

为了获得新建牵引变电所的负荷情况并校验优化所内牵引变压器的配置容量，将高斯混合模型用于牵引变电所实测数据聚类，然后引入神经网络对新建牵引负荷进行匹配分类. 依据聚类和分类结果，结合概率密度及蒙特卡洛抽样方法，实现新建电气化铁路牵引负荷的预测. 根据热传递原理和相对老化计算，建立新建牵引变电所牵引变压器温升与寿命损失的差分方程模型，对新建牵引变电所的牵引变压器容量进行优化配置. 通过对大量牵引变电所实测数据的分析，聚类后伪-F统计量达12.81，匹配分类后伪-F统计量进一步上升至12.90，表明本文聚类分类方法效果良好. 通过牵引变压器建模，将算例中变压器容量利用率从60%提高到96%，即使考虑安全裕度适当提高安装容量也能使容量利用率达到75%，实现了变压器容量的优化，充分利用了变压器的温度指标和寿命损失.      

YNvd接线变压器的阻抗匹配与运行特性

为在电气化铁道牵引供电系统中推广应用YNvd(星形-开闭三角形)接线变压器,基于磁势平衡方程、绕组接线方程、输出端口方程和电压传递方程,建立了YNvd接线变压器的数学模型,讨论了达到变压器良好的平衡特性应满足的设计条件;对电力系统阻抗进行了折算,给出了牵引变压器二次侧端口的电压输出方程和两相等值电路.研究表明,绕组阻抗不匹配将导致变压器在不同接地运行方式下产生零序电流和零序电压;牵引母线短路电流由系统阻抗、变压器漏抗及阻抗匹配程度决定.     

基于实测数据的高铁牵引变电所负序电流概率分析

为了研究高速铁路牵引供电系统三相电流不平衡问题, 通过分析高速铁路牵引供电系统负荷及V/v接线牵引变压器负序电流,基于概率理论建立了牵引变电所负序电流的概率分析模型.用该模型对京沪高铁某牵引变电所的负序电流进行了仿真分析和实测数据验证,结果表明,利用该牵引变电所的设计参数仿真得到的负序电流概率分布与利用实测数据的分析结果一致,该牵引变电所负序电流概率分析模型能够真实地模拟高速铁路牵引变电所的负序电流分布情况.      

同相供电直挂变流器拓扑结构与容量匹配关系

为优化同相供电变电所变流器的拓扑结构,改善补偿容量,并减少设备占地,运用牵引变电所三相-单相电气量通用变换方法,研究了功率直通型、有功补偿型和无功补偿型3类直挂变流器.结合有源综合补偿特性和功率子模块特点,设计了同相供电直挂变流器的拓扑结构,研究了牵引变电所接线形式与直挂变流器容量匹配关系,最后分析了直挂变流器的器件容量利用率.研究结果表明:有功补偿型和无功补偿型直挂变流器容量不仅与牵引变电所接线形式有关,还与牵引负荷的接入端口和负载类型有关;对有功补偿型,当负荷功率因数大于0.961时,宜选择90°接线牵引变压器,当负荷功率因数小于0.961时,宜选择120°接线牵引变压器,且牵引负荷接入超前相;对无功补偿型,当为交-直-交牵引负荷时,宜选择90°接线牵引变电所,当为感性牵引负荷时,宜选择120°接线牵引变电所.在相同的交-直-交牵引负荷及调制比为0.8条件下,有功补偿型直挂变流器的器件容量利用率最高,达到11.34%.     

市域铁路双边供电系统的稳态潮流

针对市域铁路列车不中断供电的要求,对市域铁路采用双边供电技术取消电分相进行分析研究.根据不同的外部电源供电方式建立平行双边供电和树形双边供电的等值电路模型,推导均衡电流的计算模型,分析减小均衡电流的措施;并以某市域线路为例,仿真计算系统不同运行方式下的潮流分布和均衡电流,验证均衡电流计算模型的正确性以及市域铁路单相交流牵引供电采用双边供电方式的可行性.研究结果表明：实例中的市域线路合环时,牵引变压器最大功率为70.36 MV·A,最大电压波动为0.702 5%,110 kV输电线路承受的最大电流为833.418 A,双边供电系统中“电磁环网”对电网潮流分布的影响均在牵引变压器、输电线路承受范围内,稳态情况下满足电力系统要求;合环线路中均衡电流占比为2.322%,对系统的影响较小.     

电气化铁路同相储能供电系统能量管理及容量配置策略

为进一步降低电气化铁路对三相电网的负序影响,兼顾牵引变电所节能经济运行,提出了一种电气化铁路同相储能供电系统能量管理策略和容量配置方案.首先,以三相电压不平衡度限值为约束,确定了不同负序超标情况下储能装置启动阈值;而后,建立了储能供电系统负序补偿模型,计算储能装置充放电电流;最后,以牵引变电所实测数据为例,给出储能装置容量配置方案,并计算验证了所提能量管理策略的可行性和正确性.研究结果表明：该同相储能供电系统通过实时控制储能装置充放电,可实现负序满意度补偿、负荷削峰填谷、兼顾再生能量利用,负序补偿度由储能装置放电功率决定,削峰填谷效果和再生能量利用率由储能装置启动阈值和储能容量决定;储能容量一定时,越小阈值,再生制动能量利用率越高.     

电气化铁路同相储能供电技术

为进一步优化电气化铁路牵引变电所经济节能运行，提出了一种电气化铁路同相储能技术研究方案. 该方案基于运行图和历史数据，以负荷削峰为控制目标，实时控制储能装置充放电，治理以负序为主的电能质量问题；同时，降低系统对设备容量要求，节省运行费用，并能有效利用列车再生制动能量. 以京沪高铁实测数据分析了同相储能供电系统解决负序的有效性，并以飞轮作为储能装置进行了仿真分析和试验验证，最后分析了同相储能供电系统的经济性能. 研究结果表明:同相储能供电技术可取消50%电分相环节，治理负序的效果由储能装置功率决定，当储能装置功率为牵引负荷功率95%概率大值的10%时，可降低负序限值10%.      

交流电气化铁路牵引电缆供电分析

为了实现交流电气化铁路牵引电缆供电,采用双芯电缆电磁感应原理和Carson原理,研究了电缆与接触线分流系数,分析了电缆的波阻抗和自然功率,并将电缆牵引供电的能力与自耦变压器供电进行比较.结果表明:当电缆截面积大于240 mm2时,电缆分担电流是接触线的3倍以上,表明电缆供电能力是自耦变压器供电能力的1.13~1.34倍.仿真结果表明,当供电臂延长至100 km时,线路电压质量仍能得到保证.      

市域铁路牵引电缆贯通供电方案及潮流算法

研究了市域铁路牵引电缆贯通供电方案，该方案全线贯通式供电，设置一主一备两个主变电所，在主变电所内设置同相供电装置. 对贯通式供电时双边供电、单边供电下供电臂距离的设置进行了建模求解，模型以电压损失作为约束条件，通过逐渐增加列车数量的方式，求得供电臂所能承担最大列车数量，进一步得到供电臂距离的可行值，为牵引变压器位置的设置提供参考和校验. 采用基于线路的牵引供电系统建模，将牵引供电系统分为电缆层和牵引层，提出适用于牵引电缆贯通供电的分层交互迭代潮流算法. 该算法在层内进行潮流求解，同时层之间进行变量取值修正，以实现交互迭代，能够达到矩阵降阶、提高计算效率的目的. 在本文案例分析中，相较于传统供电方案，牵引电缆贯通供电方案再生制动能量利用率提升至99.15%，每年通过再生制动能量利用可以节省的电费为2 955万元，一次性投资可以节省大约13 672万元.      

含光伏和混合储能的同相牵引供电系统日前优化调度

既有牵引供电系统中以负序为主的电能质量问题以及电分相环节严重制约了其安全、高效运行，目前理想的解决方案是基于对称补偿理论的同相供电技术. 通过同相补偿装置中的直流母线接入光伏发电系统以及混合储能装置，进一步实现再生回馈能量利用和牵引负荷削峰填谷，提高光伏渗透率. 因此，建立了一种同相牵引供电系统优化运行模型，该模型以同相牵引变电所日运行成本最低为目标，以混合储能装置充放电策略、光伏出力以及潮流控制器功率为决策变量，尤其考虑了电网侧三相电压不平衡度约束；进一步将原始优化模型中非线性约束进行线性化处理，得到混合整数线性规划模型，并利用商业规划求解器CPLEX进行求解. 算例分析结果表明:接入光伏与混合储能装置后日运行成本可节省36.45%，且三相电压不平衡度满足国标上限2%的要求.      

城市轨道交通交流牵引供电系统及其关键技术

在地铁、轻轨等城市轨道交通中,为了避免现行直流牵引供电系统的迷流,同时发挥其无分相的优势,提出并研究了一种交流牵引供电系统.该系统由主变电所(MSS)和电缆牵引网(CTN)构成,主变电所由单相主牵引变压器(MTT)和负序补偿装置(NCD)组合而成,电缆牵引网由双芯电缆(DCC)、牵引变压器(TT)和接触网(OCS)、钢轨(R)等构成.讨论了该系统的3项关键技术:电缆牵引网的供电原理,等效电路和输电能力,电缆与接触网的匹配技术,接触网电压等级选择等;牵引网分段供电技术,牵引网供电状态辨识方法,分布式保护与集中式保护方案等;单条线路主变电所供电方案,2条及以上线路共用主变电所的供电方案.该系统技术性能优良,经济性好,可靠性高,为地铁、轻轨等城市轨道交通提供了新的、更好的选择.      

牵引网高次谐波对高低压三相系统的渗透特性

为研究牵引网高次谐波对高低压三相系统的影响,建立了阻抗匹配平衡变压器谐波模型,分析了高次谐波对公共电网高压三相系统的渗透特性;建立了牵引变电所用逆Scott变压器谐波模型,分析了高次谐波对牵引变电所低压三相系统的渗透特性;对牵引侧高次谐波含量较高的牵引变电所进行了测试,分析了谐波实测数据,并与谐波模型分析结果进行了对比;提出了一种适用于牵引变电所低压三相系统的Y型阻波高通滤波器滤波方案,并研制了一套滤波试验装置.研究结果表明,牵引网高次谐波对公共电网高压三相系统的渗透较小,但会明显渗透到牵引变电所低压三相系统;滤波装置投入运行后,牵引变电所低压三相系统a相电压谐波畸变率由12.25%降为1.94%,b、c两相电压谐波畸变率也明显降低,滤波装置有效的滤除了高次谐波,改善了低压三相系统供电质量.      

交流电气化铁路AT供电牵引网电气分析

为深入了解交流电气化铁路AT(自耦变压器)供电网络,明确物理概念,利用基于两相对称分量变换的 复合序网分析法,给出了牵引网、自耦变压器、牵引变压器、牵引负荷和电源等网络元件的序模型及AT 供电网 络复合序网的建立方法;定义了供电能力及其利用率,通过比较2X27.5kV AT供电模式与55kV AT供电模 式的特点和性能,说明了供电能力与负荷供电容量需求之间匹配的重要性.仿真结果表明,基于两相对称分量变 换的AT网络复合序网分析方法具有简单可行、物理概念清晰等特点.