電能質量與控制(201009)1匯編

1、電氣化鐵路電能質量及其綜合控制技術西南交通大學 電氣工程學院主要內容緒論電能質量概述電氣化鐵路電能質量實例電氣化鐵路外部電源電氣化鐵路電能質量控制及新型供電技術1 緒 論1 緒論 電力作為商品擺脫傳統(tǒng)的計劃經濟模式進入市場，以市場運作規(guī)則來制約供用電雙方，是我國電力市場建設與發(fā)展的必然。 我國電力市場建設是一項長期復雜的系統(tǒng)工程，涉及電力系統(tǒng)規(guī)劃、電力生產、電網運行和負荷管理等諸多方面。 電能質量是評估電力系統(tǒng)運行水平的重要技術標準，優(yōu)良的電能質量應由供電、電氣設備、電力用戶三方共同保證。 自20世紀90年代起，國際上開始將電能質量以及電磁兼容構筑成一個技術體系加以研究。電能質量已經成為電力系

2、統(tǒng)研究領域一個新的學科分枝。 電能質量管理已經成為電力市場管理中的一項系統(tǒng)工程。 優(yōu)質電能質量的基本要求 優(yōu)質的供、用電應具有以下特征： (1) 供電電壓具有穩(wěn)定的標稱頻率、幅值和波形； (2) 保持三相電壓和電流的平衡，保證電網最大傳輸效率； (3) 持續(xù)穩(wěn)定和充足的電能供應； (4) 低廉的電價； (5) 對環(huán)境的不良影響較小。 保證優(yōu)質電能的目的 (1) 現(xiàn)代用電設備對電能質量的要求更高，許多帶有微處理器和功率電子器件的裝置對電磁干擾極為敏感。 (2) 電力用戶提高了對諸如供電間斷、電壓凹陷、電路通斷引起的暫態(tài)現(xiàn)象的認識，提出更高供電質量要求。 (3) 電網各部分是相互聯(lián)系的，供電部門在

3、保證向用戶優(yōu)質供電的同時，還需極力避免遭受用戶產生的電力干擾，維護電網安全運行。 建立電能質量監(jiān)管體系的目的 近年來，在經濟發(fā)達地區(qū)高端產業(yè)快速增長的同時，非線性負荷大幅增加，電網中的電能質量問題日益突出。據美國電力科學院的粗略估計，認為每年因電能質量相關問題，造成美國經濟損失達260億美元。發(fā)達國家電能質量問題主要是供電電壓暫降，占供電質量投訴量的80%。 因此，有必要建立電能質量監(jiān)管體系，使其成為保證電網安全運行、保護電氣環(huán)境、保障電力用戶正常使用電能的基本技術規(guī)范，同時也是實施電能質量管理、維護供用電雙方合法權益的法律依據。自20世紀60年代起，世界大多數國家制定了有關供電頻率和電壓允許

4、變動的技術指標，部分國家還制定了限制諧波電壓、電流畸變以及電壓波動等推薦導則。近十幾年來，許多工業(yè)發(fā)達國家已制定了更加完備的電能質量系列標準，而且各國的電能質量標準正在與國際相關專業(yè)委員會推薦標準接軌，逐步實現(xiàn)標準的統(tǒng)一與完整。電氣化鐵路與電能質量 電氣化鐵道負荷的波動性、不對稱性、功率因數低和非線性一直是電力專家關注的電能質量問題。 我國第一條電氣化鐵路寶成鐵路寶雞至鳳州段于1961年8月15日建成通車。由于當時向該段供電的電網容量較小，電網三相不平衡是當時專家們關注較多的問題。 1961年寶鳳段供電示意圖 在寶（雞）鳳（州）段開通時，考慮到寶雞電廠無法承受電氣化鐵道產生的負序電流，所以在供

5、電上“舍近求遠”，從關中系統(tǒng)興平地區(qū)變電所受電。直至上世紀90年代，隨著電網容量擴大，該地區(qū)的電壓不平衡問題得以緩解。 1961年到1980年底，我國共建成電氣化鐵路1676km，發(fā)展十分緩慢。 自1980年改革開放后，電氣化鐵路開始從山區(qū)走向平原；由低標準邊遠地區(qū)鐵路向主要長大干線、重載、高速鐵路發(fā)展。 到2009年底,我國電氣化鐵路已達3.2萬公里。電氣化率約30%，承擔的運量比重近50%。 在此期間，電力、鐵路兩部門在電能質量，尤其是在諧波、負序、無功方面的爭議一直沒有停止。 “十一五”期間, 鐵路里程新增2萬公里; 其中高速鐵路9800公里，時速在300公里以上的有5457公里；既有線

6、電氣化改造15000公里。 根據國務院批準的中長期鐵路網規(guī)劃（2004年批準，2008年調整），至2020年，我國鐵路營運總里程將達到12萬公里，電氣化率60%，其中高速鐵路達到1.6萬公里；包括“四縱”、“四橫”八條時速在200公里以上的客運專線。 我國200km/h客貨共線鐵路的單臺機車功率達8000 12000kW；設計列車追蹤間隔為5min；牽引變電所主變安裝容量為31.550MVA；部分達到63MVA。 高速鐵路的單臺機車功率達到23000kW；設計列車追蹤間隔為3min；牽引主變安裝容量達到73MVA 以上，甚至達到120MVA。 在這些線路上，一方面，電氣化鐵路需要電力系統(tǒng)提供高

7、質量、高可靠性的供電電源；另一方面，電氣化鐵路產生的電能質量問題也會更加突出。 例如，電氣化鐵路進入我國經濟較發(fā)達的東部地區(qū)，電氣化鐵道負荷對電網以及高端制造業(yè)的影響已經引起當地電力部門的高度重視，這些電鐵線路的供電協(xié)議談判進行得比較艱難。 對從事電氣工程的技術人員和研究人員來說，對電能質量相關知識的了解，是很有必要的。2 電能質量概述2 電能質量概述電能質量定義電能質量的分類電能質量問題的起因電能質量相關標準什么是電能質量目前無統(tǒng)一定義IEEE定義：合格的電能質量是指供給敏感設備的電力和設置的接地系統(tǒng)是適合于該設備正常工作的。IEC標準對電能質量的定義為:電能質量是指供電裝置在正常工作情況下

8、不中斷和不干擾用戶使用電力的物理特性。導致供電設備或用戶設備故障或不能正常工作的電流、電壓或頻率偏差。電能質量的分類IEEE第22標準統(tǒng)籌委員會(電能質量)和其他國際委員會推薦用如下術語表述幾種主要的電能質量干擾：斷電( interruption)頻率偏差（frequency deviation）電壓凹陷/下跌( voltage sags)電壓上升(swell)瞬時脈沖或暫態(tài)(impulse，Transient)電壓波動和閃變( voltage fluctuation and flicker)電壓切痕( voltage notches)諧波/諧間波(harmonics/ interharmon

9、ics)電能質量問題的起因95的電能質量問題由用戶側引起（相對于計量點）。80的經濟損失是由5的系統(tǒng)側（相對于計量點）電能質量問題引起的。電力系統(tǒng)引起的電能質量問題絕大多數是電壓暫降。電能質量問題起因出現(xiàn)頻率用戶負荷氣候因素（強日照、狂風、暴雨等）配電系統(tǒng)輸電系統(tǒng)發(fā)電系統(tǒng)電能質量國家標準GB/T15945-2008電能質量 電力系統(tǒng)頻率偏差（ GB/T 15945-1995）GB/T12325-2008電能質量 供電電壓允許偏差(GB/T12325-2003)GB/T15543-2008 三相電壓不平衡 （GB15543-1995）GB/T 145491993，電能質量 公用電網諧波GB/Z

10、17625.42000，中、高壓電力系統(tǒng)中畸變負荷發(fā)射限值的評估GB/T12326-2008 電能質量 電壓波動和閃變 （GB12326-2000）GB/T18481-2001，電能質量 暫時過電壓和瞬態(tài)過電壓3 電氣化鐵路電能質量實例3 電氣化鐵路電能質量實例直接接入高壓系統(tǒng)一般電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)接入110kV電網 新建客運專線均擬直接接入220kV電網 不對稱性牽引供電系統(tǒng)運行方式由牽引變壓器接線方式決定除純單相接線外，都是兩相（異相）供電 非線性 交直型電力機車功率因數低、諧波含量大可能有交-直-交機車與交-直機車混用局面，負序、無功和諧波仍然存在 波動性線路條件司機操作3.1 電力

11、系統(tǒng)頻率偏差影響系統(tǒng)頻率的主要因素是有功功率僅當所有發(fā)電機的總有功出力與總有功負荷（包括電網的所有損耗）相等時，系統(tǒng)頻率才能保持不變。當所有發(fā)電機的總有功出力與總負荷不平衡時，各發(fā)電機組的轉速及相應的頻率就要發(fā)生變化。大型沖擊負荷因短時從近區(qū)發(fā)電機大量吸收有功功率，會造成局部電網短時頻率波動 。GB/T15945電力系統(tǒng)頻率偏差 基本條款電力系統(tǒng)額定頻率為50Hz。電力系統(tǒng)正常頻率偏差允許值為0.2Hz。當系統(tǒng)容量較小時，頻率偏差值可以放寬到0.5Hz。制定依據保證電力系統(tǒng)，發(fā)電廠和用戶的安全和正常運行相關國標和規(guī)范的規(guī)定相關國際標準規(guī)定（0.5Hz 甚至0.1Hz ）各個電網的實際情況有所差

12、別GB/T15945電力系統(tǒng)頻率偏差附加條款用戶沖擊負荷引起的系統(tǒng)頻率變動一般不得超過0.2Hz。測量儀表頻率測量儀表絕對誤差不大于0.01Hz 電氣化鐵路牽引供電頻率基本能夠達到國標規(guī)定。電網頻率實測案例：圖為成(都)-達(州)鐵路大英牽引變電所110kV電網頻率實測結果，其偏差遠小于0.2Hz，表明主網有功功率比較充足。 但在弱小電網，負荷較小的變動都可能導致電網頻率較大波動,下圖是青藏線安多35kV配電所的頻率測試情況。當雄安多297km鐵路專用輸電線路退出時,那曲安多各個35kV鐵路配電所由查龍水電站（裝機容量8000 kW）供電。從安多35kV配電所頻率測試結果可以看出，在這一過程中

13、，電網頻率出現(xiàn)12分鐘的較大波動。3.2 供電電壓允許偏差GB/T12325-2008供電電壓偏差基本條款35kV及以上供電電壓正、負偏差的絕對值之和不超過標稱電壓的10%。如供電電壓上下偏差同號時，按較大的偏差絕對值為衡量依據。20kV及以下三相供電電壓允許偏差為標稱電壓的7。 220V單相用戶的供電電壓允許偏差為標稱電壓的+7%、-10%。 對供電點短路容量較小、供電距離較長以及對供電電壓偏差有特殊要求的用戶，由供、用電雙方協(xié)議確定。 計算電壓偏差式中，Sk為負荷端口的系統(tǒng)三相短路容量，MVA；ST為負荷三相變壓器容量，kVA；負荷功率因數角。 上式表明，可以通過以下兩條途徑，來保證供電電

14、壓偏差滿足國家標準要求：（1）電網中傳輸的無功功率盡可能??；（2）負荷端口的系統(tǒng)三相短路容量盡可能地大。 由此可見，維持良好的供電電壓水平，取決于供電部門和電力用戶雙方的共同努力。 我國邊遠地區(qū)電氣化鐵路目前面臨的問題是電網短路容量偏小，供電能力較弱。 電網短路容量偏小意味著系統(tǒng)發(fā)電容量偏小或電源距負荷中心偏遠。 國外專家通常認為，電網公共連接點短路容量不足用戶容量的30倍時，可以視其為小電網，小電網常見的電能質量問題之一就是供電電壓偏差較大。 在弱小電網中，牽引負荷可能引起電網電壓較大的偏差和波動。圖為內昆鐵路鹽津牽引變電所的測試情況，上圖為110kV母線A相電壓，下圖為A相電流。向該所供電

15、的云南昭通電網較為薄弱，造成空載時變電所110kV母線電壓偏高，負荷時偏低。牽引變電所名稱田林平林系統(tǒng)最小短路容量（MVA）195.64211.8 110kV母線空載電壓Uab(kV)120.74121.87110kV母線負荷下最低電壓Uab(kV)93.6296.889正負偏差的絕對值之和(%)24.6522.7127.5kV母線空載電壓Ua(kV)29.9329.75供電臂最低電壓（標準值27.5）（kV）18.7319.46接觸網末端電壓(kV)16.7618.077南昆線牽引測試數據（時間：2002.6.46）對于更弱小的電網，情況更是如此，運行中，系統(tǒng)較小的變動都可能導致網壓較大波動

16、，下圖是青藏線安多35kV配電所的電壓測試情況。在當雄安多鐵路專用輸電線路退出時，35kV鐵路配電所均由查龍水電站（裝機容量8000 kW）供電，此時電網電壓出現(xiàn)較大波動。改善電壓水平的措施為保證電網具有良好的電壓水平，電網公司除進行全局無功優(yōu)化調整外，還要求大宗電力用戶對無功做到“就地補償”，使用戶月平均功率因數達到0.90以上，并對用戶實行獎懲制度。提高牽引變電所功率因數的主要方法是在27.5kV側設置并聯(lián)電容補償裝置。目前我國鐵道電氣化鐵路較多采用固定補償方式。3.3 公用電網諧波 國際標準IEC61000-3-6G5/4（G5/3）IEEE STD519-1992（IEEE STD51

17、9-1982）國家標準GB/T14549-1993GB/Z17625.4-2000GB/T14549-1993 公用電網諧波限值電網標稱電壓/kV電壓總諧波畸變率/%各次諧波電壓含有率/%奇次偶次0.385.04.02.064.03.21.510353.02.41.2661102.01.60.8IEC61000-3-6 提出了決定大型畸變負荷（產生諧波和/或諧間波）接入公用電力系統(tǒng)所依據的一些基本原則目的在于為工程實踐提供指導保證對所有接入系統(tǒng)的用戶都有合適的供電質量兼容水平是用來協(xié)調供電網絡設備或由供電網絡供電的設備發(fā)射和抗擾度的參考值，以保證整個系統(tǒng)（包括網絡及所連設備）的電磁兼容性。規(guī)劃

18、水平是在規(guī)劃時評估所有用戶負荷對供電系統(tǒng)的影響所用水平。發(fā)射水平是針對用戶的。表5-5 中壓（MV）、高壓（HV）和超高壓（EHV）系統(tǒng)中諧波電壓規(guī)劃水平 奇次諧波（非3倍數）奇次諧波（3倍數）偶次諧波諧波次數諧波電壓/諧波次數諧波電壓/諧波次數諧波電壓/MVHV-EHVMVHV-EHVMVHV-EHV55234221.61.574291.214111131.5150.30.360.50.5132.51.5210.20.280.40.4171.61210.20.2100.40.4191.21-120.20.2231.20.7-120.20.2251.20.7-250.20.5(25/h)0.2

19、0.5(25/h)- 規(guī)劃水平分配方法由于用戶協(xié)議容量通常是與其承擔的電力系統(tǒng)投資份額相一致，所以根據用戶協(xié)議容量Si和用戶接入系統(tǒng)的公共連接點處修正的網絡總可用功率St之比分配發(fā)送限值是合理的。用戶發(fā)送諧波電壓的允許值為： （3）考慮高壓系統(tǒng)負荷之間的同時系數FHV的影響，用戶發(fā)送諧波電壓的允許值為： （4） 同時系數FML計算方法 FHV估算方法 電磁兼容技術文件中對于FHV并未給出詳細的估算方法，但給出了中壓系統(tǒng)負荷與低壓系統(tǒng)負荷同時系數FML的估算方法。因此FHV的估算方法可以參照FML的估算方法進行。 （5） 式中：SHVi高壓負荷Si峰值時刻除高壓負荷Si以外的高壓負荷的總功率；

20、SHVp高壓負荷Si以外的高壓負荷的總功率峰值。 同時系數對諧波發(fā)送允許值的影響 圖1 疊加指數2.0 牽引負荷同時系數高壓電力系統(tǒng)諧波電壓規(guī)劃水平的指標值（用標稱電壓的百分數表示） 非3倍次數的奇次諧波3倍次數的奇次諧波偶次諧波諧波次數/h諧波電壓/%諧波次數/h諧波電壓/%諧波次數/h諧波電壓/%523221.5729141111.5150.360.5131.5210.280.4171100.4191120.2230.7250.7注：總諧波畸變率（THD）為3%。 牽引負荷同時系數表1 實測牽引負荷同時系數 公共連接點上牽引變電所個數同時系數FHVA相B相C相平均20.380.330.37

21、0.3630.410.420.430.4240.470.460.470.4750.480.490.460.48 牽引負荷同時系數考慮牽引負荷同時系數在0.30.5范圍內變化 ，取牽引變電所個數為5 。表3 同時系數對用戶諧波發(fā)送限值的影響 非3倍次數的奇次諧波 3倍次數的奇次諧波 偶次諧波 諧波次數 諧波電壓畸變率/% 諧波次數 諧波電壓畸變率/% 諧波次數 諧波電壓畸變率/% FHV=0.3 FHV=0.5 FHV=1.0 FHV=0.3 FHV=0.5 FHV=1.0 FHV=0.3 FHV=0.5 FHV=1.0 51.631.260.8931.631.260.8921.220.950.

22、6771.631.260.8990.820.630.4540.820.630.45111.220.950.67150.240.190.1360.410.320.22131.220.950.67210.160.130.0980.330.250.18170.820.630.45100.330.250.18190.820.630.45120.160.130.09230.570.440.31250.570.440.31 牽引負荷同時系數從結果看出，同時系數為0.3和0.5時的用戶總諧波畸變限值分別為2.4%和1.9%，比同時系數為1.0時的用戶總諧波畸變限值（1.3%）分別大84.6%和46.2%。這

23、說明同時系數對用戶諧波發(fā)送限值的影響非常明顯。根據有限實測數據可知，牽引負荷同時系數一般在0.30.5，因此在分配用戶諧波發(fā)送限值時考慮用戶之間的同時系數是十分必要的。牽引負荷的特點之一就是隨機波動性，制定牽引負荷諧波標準時應充分考慮牽引負荷之間的同時系數，使牽引負荷的諧波標準更加合理。 三級評估流程圖 電氣化鐵道實例 系統(tǒng)西昌變220kV110kV中屯變110kV德昌牽引站黃聯(lián)關牽引站安寧開關站瀘沽牽引站瀘沽變馬道變35kV35kV磨房溝電站西昌北牽引站至越西變電站至越西變電站表4 牽引變電所主變容量牽引變電所西昌北瀘沽黃聯(lián)關德昌容量/MVA216220210216表5 西昌電網牽引變電所諧

24、波總電壓畸變率/% 牽引變電所西昌北瀘沽黃聯(lián)關德昌總電壓畸變率2.212.432.192.96表6 各牽引變電所分配到的諧波電壓發(fā)送限值/% 牽引變電所西昌北瀘沽黃聯(lián)關德昌諧波電壓發(fā)送限值（FHV =0.5）1.792.001.411.79諧波電壓發(fā)送限值（FHV =1.0）1.271.411.001.27牽引變電所西昌北瀘沽黃聯(lián)關德昌諧波發(fā)射水平超標倍數1.271.261.591.65表7 各牽引變電所諧波發(fā)射水平超標情況 將從公共連接點處總可用容量中除去牽引負荷容量后剩余的部分定義為容量裕度。表8 利用系統(tǒng)容量裕度50%時牽引變電所諧波發(fā)送限值/% 牽引變電所西昌北瀘沽黃聯(lián)關德昌諧波電壓發(fā)

25、送限值（FHV =0.5）1.982.211.561.98諧波電壓發(fā)送限值（FHV =1.0）1.401.571.111.40 平果變A相電壓總諧波畸變率 田東變A相電壓總諧波畸變率典型案例：南昆電氣化鐵道廣西境內由南寧電網和百色電網供電，南寧電網主要由廣西主網供電，百色地區(qū)電網則由廣西電網一部分以及地方小水電、小火電廠聯(lián)合供電。 平果和田東變電所相鄰，地理情況和鐵路運量相當。由于百色電網容量較小，所以田東變電所諧波電壓情況較平果變電所嚴重得多。洛陽東牽引變電所諧波測試實例： 河南電網較強大。該時段內，最大電壓綜合畸變率為2.62%；95% 概率大值為 1.89%，符合諧波國標要求。 左圖為豐

26、臺供電段雁翅牽引變電所電壓總諧波畸變率測試數據，其諧波狀況與江油變相當。右圖為綿陽供電段江油牽引變電所電壓畸變率測試數據，95%概率值為2.17%，表明諧波電壓超標。交直機車與交直交機車諧波特性分析 交直型電力機車諧波特性 單相獨立性 隨機波動性 相位廣泛分布 穩(wěn)態(tài)奇次性 高壓滲透性 交直交動車組諧波特性（CRH2） 圖5-39 CRH2動車組網側諧波含有率 CRH2網壓網流典型波形 3.4 三相電壓不平衡 GB/T15543-2008 三相電壓不平衡主要由不平衡負荷引起，因此標準的衡量點選在電網的公共連接點（PCC），以便在保證其他用戶正常用電的基礎上，給干擾源用戶以最大的限值。 主要條款電

27、力系統(tǒng)公共連接點正常電壓不平衡度限值為2%，短時不得超過4%。低壓系統(tǒng)零序電壓限值暫不作規(guī)定，但是各相電壓必須滿足GB/T12325的要求。標準規(guī)定對每個用戶電壓不平衡的一般限值為1.3%，短時不超過2.6%。根據公共連接點的負荷狀況以及臨近發(fā)電機、繼電保護和自動裝置安全運行要求，該允許值可作適當變動，但是必須滿足上述規(guī)定。 GB/T15543-2008三相電壓不平衡由電壓不平衡度換算為負序電流值，標準中推薦的近似公式 式中：I2負荷電流的負序分量/A；U線電壓/kV；SSC公共連接點的短路容量/MVA。電氣化鐵道測量實例 某牽引變電所三相相電壓曲線 電氣化鐵道測量實例某牽引變電所電壓不平衡度

28、曲線該牽引變電所三相電壓不平衡度95%概率大值為1.72%，沒有超過國標規(guī)定的2%的限值。 測試實例：測試期間，洛陽東牽引變電所110kV電壓不平衡度最大值為 2.33%，95% 概率值為1.30%，符合國標要求, 說明河南電網比較強大。 瀘沽牽引變電所110kV母線最小短路容量為600MVA左右。盡管該所負荷遠遠小于洛陽東牽引變電所，但從測試結果看，該所110kV母線三相電壓不平衡度遠遠高于洛東變電所。另一案例，成昆鐵路瀘沽牽引變電所，裝接容量為220MVA。西昌電網為小電網，西昌220kV變電所供電設備容量180MVA；110kV公共連接點最小短路容量為613MVA。3.5 電壓波動和閃變

29、 國家標準GB12326-90電能質量 電壓允許波動和閃變參考了日本的V10標準 GB/T12326-2008 電能質量 電壓允許波動和閃變參考了國際電工委員會（IEC）電磁兼容（EMC）標準IEC61000-3-7 表5-14 電壓波動限值 r,h-1d，%LV、MVHVr1431 r1032.510 r10021.5100110kV10.8圖5-42 IEC閃變儀模型的簡化框圖 輸入適配自檢信號框1平方解調器框2帶通加權濾波框3平方一階低通濾波框4在線統(tǒng)計評價框5輸入S(t)輸出電氣化鐵道測量實例圖5-43 采用Simulink實現(xiàn)的IEC閃變儀模型測試案例：成達鐵路金堂變電所110kV母

30、線，測試期間處于空載狀態(tài)，沒有超標。4 電氣化鐵路外部電源主要內容4.1牽引供電系統(tǒng)原邊的供電方式4.2外部供電電源電壓選擇 4.3外部供電電源容量與可靠性 4.4國外高速鐵路外部供電電源情況 4.1牽引供電系統(tǒng)原邊的供電方式4.2外部供電電源電壓選擇 4.3外部供電電源容量與可靠性 4.4國外高速鐵路外部供電電源情況 環(huán)形供電 單側供電 雙側供電 放射供電 有更高一級電網時，低一級電網不再結環(huán)運行。目前220kV及更高電壓系統(tǒng)逐步形成，采用110kV系統(tǒng)給鐵路牽引供電時，就較少采用環(huán)形方式，雙側供電等方式。實際電力系統(tǒng)的電源與牽引變電所的布局是各式各樣的。4.1牽引供電系統(tǒng)原邊的供電方式4.

31、2外部供電電源電壓選擇限制電力網送電能力的因素有4個方面： 導線發(fā)熱； 電壓損失； 功率和能量損耗； 穩(wěn)定破壞。 解決的方法就是提高供電電壓 額定電壓（kV）輸送功率（MVA）輸送距離（km）11010505015022010015010030050010001500150850外部供電電源電壓選擇 過去我國牽引供電系統(tǒng)的電源電壓等級一直采用110kV，均保證了安全、可靠供電。 高速電氣化鐵路，由于牽引功率更大，如果仍采用110kV供電，就很難滿足供電要求，電力網的運行指標也會惡化。 由于牽引負荷電流大，波動比較劇烈，諧波含量豐富，并且屬單相負荷，為了增大電網對諧波、負序的承受力，減小對其他負

32、荷的諧波、負序影響，減小牽引變電所母線電壓的波動，降低輸電線路損耗，保證輸電線路的動態(tài)、靜態(tài)穩(wěn)定，應盡可能選用更高的電壓等級，如220kV。4.3 外部供電電源容量與可靠性（1）短路容量 外部供電電源容量一般用短路容量來衡量 電力系統(tǒng)的發(fā)電容量越大，短路容量越大；負載點距離電力系統(tǒng)電源越近，短路容量也越大 提高輸電線的電壓等級，可提高電力系統(tǒng)的短路容量Sd分布范圍(MVA)110kV電網4403500220kV電網370014000電網短路容量分布范圍4.3 外部供電電源容量與可靠性（2）供電可靠性停電引起國民經濟的損失平均值約為少售電量損失的3040倍。日本、法國、英國、美國平均每戶每年停電

33、時間分別為9、94、77、58min，即供電可靠率分別為99.998、99.982、99.98、99.989%。我國，1995年供電可靠率只有99.075%。 4.3 外部供電電源容量與可靠性（3）電氣化鐵路的供電可靠性 首先，牽引變電所供電的可靠性，即盡可能設置備用電源或實現(xiàn)環(huán)形及雙側供電； 其次，使電功率的損耗小，并盡可能減少投資。 從供電的可靠性出發(fā)，牽引變電所應盡量采用環(huán)形供電或兩側供電。 采用一側供電方式，須設雙回路輸電線。當這兩回輸電線路連接到同一變電站時，這兩回輸電線路須接至不同的分段母線上。4.4國外高速鐵路外部供電電源情況國名序號鐵路名稱最高速度(km/h ）供電電壓（ kV

34、 ）附注日本1東海道新干線300275個別站154kV2山陽新干線300275個別站154kV3北陸新干線3002754東北新干線260275個別站154kV5上越新干線275275法國1巴黎里昂3002251個站400kV2巴黎圖爾3002251個站400kV3巴黎加萊3002251個站400kV4里昂瓦朗斯3002255瓦朗斯馬賽3502256巴黎斯特拉斯堡3502251個站400kV西班牙1馬德里塞維利亞2502203個站132kV，短路容量不小于2000MVA2馬德里巴塞羅那3504003個站220kV德國德國高速鐵路最高速度330km/h，采用由鐵路自建電網供電。供電制式為15kV、

35、16又2/3Hz，采用獨特的同相供電方式，牽引站間隔約為普通不同相供電方式的1/3，牽引變壓器容量一般為215MVA。牽引站外部電源采用110kV，系統(tǒng)短路容量不小于1000MVA。5 電氣化鐵路電能質量控制及新型控制技術5、新型供電系統(tǒng)5.1牽引供電系統(tǒng)的負序、電分相與同相供電的概念 5.1.1當前限制不平衡程度幾種措施 5.1.2電分相對電力機車安全平穩(wěn)通過的隱患 5.1.3同相供電的概念5.2同相供電的實現(xiàn) 1.2.1采用無源對稱補償技術實現(xiàn) 1.2.2基于有源補償技術實現(xiàn)5.3獨立供電系統(tǒng) 1.3.1基本考慮與概念 1.3.2獨立供電系統(tǒng)的構成 1.3.3可靠性、可維修性與經濟性5.1

36、.1當前限制不平衡程度幾種措施采用三相一兩相平衡牽引變壓器 兩個端口負荷完全相同時，變壓器原邊三相電流對稱 日本廣泛采用Scott變壓器和變形Wood-bridge變壓器。我國主要采用了阻抗匹配平衡變壓器和Scott變壓器。 采用高電壓、大容量電源供電 日本主要采用154kV和275kV兩種電壓等級，法國采用225kV電壓等級，等。5.1.1當前限制不平衡程度幾種措施采用不平衡補償裝置如日本采用單相負荷補償裝置采用換相聯(lián)接 5.1.1當前限制不平衡程度幾種措施 相鄰兩供電臂電壓相角相差120時，電分相上承受的電壓為供電臂電壓的 倍。 相鄰兩供電臂電壓相角相差60時，電分相上承受的電壓等于供電臂

37、電壓。YNd11接線 5.1.1當前限制不平衡程度幾種措施5.1.2 電分相對電力機車安全平穩(wěn)通過的隱患 電分相不論在電氣上還是在機械上都是薄弱環(huán)節(jié)，當重載、高速列車通過時，由于絕緣器形成的硬點對受電弓構成嚴重威脅，同時絕緣器也常因拉弧而燒損； 一般沿電氣化鐵路每50km設一牽引變電所，若列車以300km/h行駛，則每5分鐘就要過一次“電分相”。每當過“電分相”時，機車都要需要提前退級、斷電，并依靠慣性滑過“電分相”。待過去之后再重新給電、進級行駛。這給列車司機的操作帶來了很大困難，對于高速行駛列車，人工操作幾乎不可能；5.1.2 電分相對電力機車安全平穩(wěn)通過的隱患 接觸網“電分相”處一般有1

38、00m左右的無電區(qū)，有的甚至達到300m，在無電區(qū)，電力機車只能靠慣性通過。當“電分相”處于上坡的長大坡道線路時，機車牽引滿載的列車通過“電分相”就十分困難。 目前解決該問題的一般方法是在“電分相”處裝設自動過分相轉換裝置，但裝置復雜，且因電壓高、轉換動作頻繁，使其準確性和可靠度在應用中受到嚴峻挑戰(zhàn)，至今在使用中的技術缺陷依然存在。5.1.3同相供電的概念 解決上述問題的理想辦法是采用新型的同相供電系統(tǒng)，即全線用同一相位的單相供電，更理想的是在同一線路或局界內貫通，則能最大限度地避免電分相，從而有利于重載和高速牽引。 5.1.3同相供電的概念 同相供電系統(tǒng)的優(yōu)點： 各變電所結構和接線完全相同，

39、一次系統(tǒng)不存在換相聯(lián)接，牽引側各供電臂電壓相同，從而可取消分相絕緣器，省去自動過分相裝置，避免了列車斷電過分相問題，實現(xiàn)了同相供電，消除了高速列車過電分相所存在的安全隱患，適宜高速鐵路運行;同時由于各變電所結構和接線完全相同，便于運行維護。由于對稱補償裝置作用，可以完全消除系統(tǒng)不平衡，濾除諧波并補償無功。使變化劇烈、含有大量諧波、低功率因數的不對稱單相牽引負荷，對電力系統(tǒng)而言僅相當于一個純阻性的三相對稱負荷。5.1.3同相供電的概念 同相供電系統(tǒng)的優(yōu)點： 可以最大限度地提高變壓器容量的利用率，常規(guī)的供電系統(tǒng)除單相變壓器外，無論是YNdll接變壓器，還是平衡變壓器（包括Scott變壓器、阻抗匹配

40、平衡變壓器、三相變四相變壓器等）在實際中其容量都不能得到充分利用。供電的靈活性和可靠性提高，可根據要求斷開或閉合分段斷路器，實現(xiàn)單邊或多邊或貫通式供電，使牽引網電壓損失和功率損失降低。5.2 同相供電的實現(xiàn)采用無源對稱補償技術實現(xiàn)基于有源補償技術實現(xiàn)5.2.1采用對稱補償技術構成同相供電系統(tǒng) 同相供電使用的對稱補償就是三相單相系統(tǒng)中無功與負序的綜合補償。 經各種接線變壓器和對稱補償來構成的單相供電系統(tǒng)可統(tǒng)稱為三相單相對稱補償系統(tǒng) 。同相供電系統(tǒng)中的變電所分為三種： (1) 全補償，它要求實現(xiàn)對稱補償，特別對負序有極好的抑制能力 (2) 半補償，對補償負序有適度要求； (3) 不補償，只用牽引變

41、壓器。 5.2.1采用對稱補償技術構成的同相供電系統(tǒng)同相供電系統(tǒng)的牽引變電所的接線方式： 線電壓型-能與單相牽引變壓器構成同相供電 相電壓型-其他形式， 主要代表是YNd11接線 線電壓型的同相供電： 一是既有或相似接線，主要是三相兩相平衡接線，其中多數接線具有兩重性，即能實現(xiàn)線電壓型，也能完成相電壓型的同相供電，如Scott，Leblanc，（變型）Wood-bridge及YN3d-1和YN等。因為，從等效觀點看，其牽引端口要么取之于三相系統(tǒng)的某一相電壓，要么取之于線電壓。 二是特殊接線，不論是全補償，還是半補償，它往往追求對稱補償裝置的容量為最小或盡可能小。5.2.1采用對稱補償技術構成的

42、同相供電系統(tǒng)（1） YNd11接線三相單相系統(tǒng)的對稱補償 綜合補償所要求的次邊3個端口的容性電流為： 為負序補償度 為無功補償度且有： 5.2.1采用對稱補償技術構成的同相供電系統(tǒng)YNd11接線牽引變電所三種模式的比較 全可調補償（模式）有最完善的技術性能，能使無功（功率因數）、負序、母線壓損等得到綜合、理想的補償。 半可調補償（模式）中的情形1除負序補償效果略優(yōu)于情形2外，無功（功率因數）、母線壓損等方面的技術指標都不及情形2，同時，情形2比情形1簡單，投資也少，故是半可調補償中的最優(yōu)方式。 不可調補償（模式）的各項動態(tài)技術指標無法與可調補償相比，但其結構最簡，投資最省。 5.2.1采用對稱

43、補償技術構成的同相供電系統(tǒng)YNd11接線牽引變電所三種模式的選擇 從技術方面講，當牽引變電所的一次系統(tǒng)較弱時，往往負序和壓損較為突出，這種各模式的選取順序往往是模式、； 從經濟方面講，投資和收益要權衡，投資是按模式、依次遞增的，而使牽引變壓器節(jié)容、穩(wěn)定或提高網壓從而增加供電運輸的能力也依次遞增，從中再選出經濟效益最優(yōu)的模式。 總的看，全可調補償（模式）更適用于電力系統(tǒng)較弱或牽引系統(tǒng)需要較大擴能的場合，不可調補償（模式）更適用于電力系統(tǒng)較強或牽引系統(tǒng)擴能要求不高的場合，半可調補償（模式，主要是其中情形2）則介于這二者之間。5.2.1采用對稱補償技術構成的同相供電系統(tǒng)（2）特殊接線實現(xiàn)三相單相對稱

44、補償系統(tǒng) 采用特殊接線方式完成三相單相對稱補償，有兩個目的： 一是尋求無功、負序完備補償的最簡方式和最小容量 二是能與單相接線牽引變壓器相配合，實現(xiàn)同相供電，以期盡可能利用電力系統(tǒng)承受負序的能力，簡化整個供電系統(tǒng)。 實現(xiàn)三相單相對稱補償的特殊接線方式主要有不等邊Scott接線、不等邊YNvd接線、不等邊V/v接線和YN2d接線等。2.2.1采用對稱補償技術構成的同相供電系統(tǒng) 不等邊Scott接線并聯(lián)電容端口k與并聯(lián)電抗端口L相互垂直，端口1放置牽引負荷。則實現(xiàn)三相單相對稱變換的并聯(lián)補償電容器和并聯(lián)補償電抗器容量隨牽引負荷的變化情況為：2.2.1采用對稱補償技術構成的同相供電系統(tǒng) 不等邊V/v接

45、線僅當 （滯后），即當牽引負荷功率因數 時， 不等邊V/v接線能使無功和負序得到綜合完備補償，其他情況下，對負序的補償是不完備的，但仍能取得較好的效果。 2.2.1采用對稱補償技術構成的同相供電系統(tǒng) YN2d接線2.2.1采用對稱補償技術構成的同相供電系統(tǒng) YN2d接線僅當 （滯后），即當牽引負荷功率因數 時， 能使無功和負序得到綜合完備補償，其他情況下，對負序的補償是不完備的，但仍能取得較好的效果。 5.2.1采用對稱補償技術構成的同相供電系統(tǒng)（3）不同接線形式特點比較主要經濟技術指標接線方式補償裝置容量利用率補償接線復雜性原邊能否中性點大電流接地能否輸出與單相變壓器同相位的電壓變壓器容量利

46、用率能否完備補償不受負荷功率因數限制其他YNd11接線低復雜能否高能適于既有線改造Scott接線低復雜否能較低能制造較難不等邊Scott高簡單否能高能制造較難不等邊YNvd高簡單能能高（次邊較低）能繞組接線較復雜不等邊V/v高簡單否能高否YN2d接線高簡單能否高（次邊較低）否繞組接線較復雜5.2.2采用有源技術實現(xiàn)同相供電系統(tǒng) 同相供電系統(tǒng)這種模式的主要特點：1、采用同相供電裝置的變換功能，將原有牽引變電所的兩相合并為一相，解決了變電所出口的分相問題，至少將全線的分相的個數減小一半，可大大提高運行的速度。2、全線可以實現(xiàn)同相，分區(qū)所兩邊的相位也可實現(xiàn)同相，過分相過程可大大減化。在一定技術條件下甚至可以實現(xiàn)完全的貫通供電。同相供電系統(tǒng)3、采用平衡變壓器，采用同相供電裝置實現(xiàn)有功傳遞，使得兩供電臂的輸出功率完全相等，功率因數相同，在電力系統(tǒng)看來，牽引負荷就完全對稱，使得日益突出的負序問題得到徹底解決；4、同相供電裝置可兼做無功諧波補償，不需要加其他設備就可以實現(xiàn)無功、諧波、負序的完美治理；5、同相供電裝置具有提高系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定的作用