电气化铁路电能质量综合治理与仿真
电能质量综合治理系统仿真分析
电能质量综合治理系统仿真分析作者：张鹏飞来源：《科技风》2017年第10期摘要：随着现代科学技术的快速发展，非线性负荷的应用引起的谐波电压、谐波电流和电磁干扰电能质量迅速恶化。
基于这一背景，本文针对配电网电能质量谐波治理使用Matlab软件进行仿真分析。
关键词：Matlab软件；谐波治理；仿真模型1 仿真模型的建立根据电能质量综合治理系统方案，可以在Matlab中搭建其仿真模型，根据某工厂的谐波实测数据，在软件中利用理想谐波源来模拟系统中的谐波情况，负载分为感应负载与可变负载；有源电力滤波器采用并联型结构，其补偿电流通过滤波电感以及耦合变压器之后注入到电网。
为了模拟配电网中常见的冲击性负荷，将低压侧接感性负载与可变负载，且为了方便在某一时刻投入负载，将断路器与可变负载相连。
本文在Matlab/sinmulink仿真平台中搭建了一套工业配电网电能质量综合治理系统的仿真模并，如图1所示：锁相环的主要目的是用于频率和相位的控制，输入到控制系统中，以保持输出电流与电网电压同相，在MATLAB中建立了锁相环。
2 投入冲击性负荷时无功补偿效果为了更好地模拟负载突变，本文设置了两种不同类型的负载，分别为感应负载和可变负载。
采用这两种负载模拟工业配电网中负荷状况，并对该系统进行综合治理，验证了不同负荷下的无功补偿效果。
2.1 只投一组感性负载系统仿真时间为0.1s，在0.04s时投入有源电力滤波器后的系统网侧电压、电流、功率因数、无功及有功功率很明显出现极短时间内电流波形与电压波形实现了同相位，功率因数基本为1。
可以得知工业配电网高压侧的无功得到了很好的补偿，功率因数由0.88达到了补偿后的0.99以上。
分析结果表明，有源电力滤波器对工业配电网中的无功功率具有良好的动态补偿性能。
假设投入两组负载时，在0.04s时刻投入有源电力滤波器的无功补偿波形与电压波形实现了同相位。
类似于第一组负载下的补偿结果，在第二组负载运行时，该配电网系统的无功功率也达到了良好的补偿效果。
电气化铁路电能质量问题
电气化铁路对电网电能质量的影响及治理措施1.电气化铁路带来的电能质量问题电气化铁路是当前我国重点发展的交通方式，它可以提高铁路运输能力、改进铁路运营，同时也有利于实现资源的合理分配、降低运营成本、保护生态环境等，因此，和其它牵引方式相比，电气化在铁路运输中显示出无可比拟的优越性。
国务院批准的《中长期铁路网规划》明确，到2020年，我国铁路总里程将达到100000km，其中电气化铁路为50000km，铁路电气化率约为50％，承担的运量比重在80％以上。
电气化铁路由接触网、铁道及电力机车构成，当然还包括各运行机构、指挥自动化系统及其他相关部分。
和传统的蒸汽机车或柴油机车牵引列车运行的铁路不同，电气化铁路是指从外部电源和牵引供电系统获得电能，通过电力机车牵引列车运行的铁路。
它包括电力机车、机务设施、牵引供电系统、各种电力装置以及相应的铁路通信、信号等设备。
它具有下述优点：可广泛利用多种一次能源功率大；速度高；效率高过载能力强运输成本低无烟气排放污染；可靠性好不受外界条件限制在山区和高寒地区电力机车功率发挥更好。
电气化铁路的牵引动力是电力机车，机车本身不带能源，所需能源由电力牵引供电系统提供。
牵引供电系统主要是指牵引变电所和接触网两大部分。
变电所设在铁道附近，它将从发电厂经高压输电线送来的电流，送到铁路上空的接触网上。
接触网是向电力机车直接输送电能的设备。
沿着铁路线的两旁，架设着一排支柱，上面悬挂着金属线，即为接触网，它也可以被看作是电气化铁路的动脉。
电力机车利用车项的受电弓从接触网获得电能，牵引列车运行。
牵引供电制式按接触网的电流制有直流制和交流制两种。
直流制是将高压、三相电力在牵引变电所降压和整流后，向接触网供直流电，这是发展最早的一种电流制，到20世纪50年代以后已较少使用。
交流制是将高压、三相电力在变电所降压和变成单相后，向接触网供交流电。
交流制供电电压较高，发展很快。
我国电气化铁路的牵引供电制式从一开始就采用单相工频(50赫)25千伏交流制。
电气化铁路电能质量问题及治理研究
电气化铁路电能质量问题及治理研究【摘要】电气化铁路作为交通运输体系中的重要基础设施，是国民经济发展和社会进步的有力保证。
然而，由于电力机车负载具有非线性、冲击性、三相分布不对称性等特点，电气化铁路给电力系统带来了谐波、电压波动、闪变以及负序电流等电能质量问题，降低了牵引供电系统本身和上级电力系统的供电质量，影响电力系统的安全和经济运行。
因此，必须采取切实有效的补偿措施对电气化铁路电能质量进行综合治理，保证牵引供电系统的稳定性。
本文针对现有的普通电气化铁路和飞速发展的高速电气化铁路中存在的电能质量问题分别进行了探讨，并提出了相应的治理方案。
【关键词】电气化铁路；电能质量；综合补偿我国高速发展的国民经济对我国铁路运输能力提出了越来越高的要求。
电力机车同蒸汽机车、内燃机车相比，速度快、载重高、能源利用率高且环境友好，因此电气化铁路在提高铁路运输能力的同时有利于减少化石燃料的使用、降低运营成本，实现资源的合理分配和有效利用。
目前，无论从政策还是已具备的条件来看，大力发展电气化铁路都是保障我国国民经济高速、健康、可持续发展的必由之路。
一、电气化铁路的电能质量问题及其危害电气化铁路的飞速发展为国民经济的腾飞发挥了巨大的作用,但与此同时对自身的牵引供电系统、上级电力系统和相邻的电力用户造成谐波干扰、造成电能质量下降等不利影响。
1. 波动性、冲击性强国内多种参考资料以及国外有关文献显示，电气化铁路的负荷与线路情况、机车类型及操纵、机车速度、牵引重量、运行图等多种因素有关，使其牵引负荷在时间和空间上的分布极其不均匀，具有很强的波动性，给电气化铁路电能质量综合治理带来很大难度。
2. 谐波和无功功率我国电气化铁路主要使用单相晶闸管相控整流模式的交直电力机车,目前运行电力机车主要是株洲电力机车厂一生产的韶山(SS)型电力机车,如554改进型、558和559型。
电力机车通过车载变压器从接触网降压,整流之后供给直流牵引电机。
电气化铁路电能质量的治理方案分析及研究
电气化铁路电能质量的治理方案分析及研究发表时间：2017-03-28T09:49:58.870Z 来源：《电力设备》2017年第2期作者：虞增成[导读] 文章以提升其运行质量为前提，提出了几点电能质量治理措施，从而对电气化铁路供电系统的安全运行提供了保障。
（江苏省镇江市大港新区金港大道68号威凡高科 212028）摘要：电气化铁路对于现阶段的交通运输具有非常重要的作用，文章以提升其运行质量为前提，提出了几点电能质量治理措施，从而对电气化铁路供电系统的安全运行提供了保障。
关键词：电气化铁路；电能质量；治理方案；供电系统电气化铁路的运用，可以有效提升铁路运输性能、降低成本，对生态环境保护也具有十分重要的作用，然而因为机车负载变化频率过大，使其经常出现阻性、容性、感性等负载特征，导致电气化铁路的供电系统运行不稳定，在保证其安全性方面造成了很大影响。
与此同时，如此造成的供电系统电能质量问题也在系统运行稳定性与保证用户合理用电方面造成了危害。
由此可见，对电气化铁路电能质量问题进行治理已经势在必行。
1 电气化铁路未来发展趋势在经济高速发展的大背景下，也为铁路运输水平带来了发展机遇，相较于蒸汽机车与内燃机车，电力机车的速度更快、载重更高，在能源利用率以及环境保护等方面也体现了一定的优势，所以，电气化铁路对于铁路运输水平的提升具有十分重要的作用，与此同时也可以有效降低化石燃料使用率、降低成本，真正达到资源分配的合理性[1]。
当前阶段，不管是政策层面还是已知条件层面，深入发展电气化铁路均是对国民经济全面、健康、高速发展进行保障的重要内容。
在2005年我国已经完全开通了超过40条电气化铁路线路，总里程可超过20000公里。
随后在2006年，浙赣线电气化改造工程得以开通，这也标志着电气化铁路总里程已经超过24000公里。
由此可见预见，在现如今的发展势头下，今后电气化铁路在我国必将会得到迅速发展，并且在我国交通运输行业中占据关键地位。
电能质量改善方案的仿真与优化
电能质量改善方案的仿真与优化电能质量是指电力系统中电压、电流等电力参数的稳定性和纯度。
它直接影响着电力设备的正常运行和用户的用电质量。
随着电力系统的不断发展和电气设备的不断更新，对电能质量的要求也越来越高。
本文将探讨电能质量改善方案的仿真与优化方法。
## 1. 电能质量问题分析电能质量问题主要有电压波动、电压暂降、电压暂增、电压闪变、电压谐波等。
这些问题可能导致设备的故障、损坏甚至生产事故。
因此，电能质量改善是非常必要的。
## 2. 电能质量仿真方法电能质量的仿真是通过建立电力系统模型，模拟电能质量问题，进行分析和评估，从而找到解决问题的方法。
目前常用的电能质量仿真方法有电磁暂态仿真和电力系统稳态仿真。
### 2.1 电磁暂态仿真电磁暂态仿真是基于电力系统的物理过程进行建模和仿真。
它可以模拟电能质量问题的发生和传播，对电能质量的影响进行定量分析。
### 2.2 电力系统稳态仿真电力系统稳态仿真主要是针对电能质量问题中的电压波动、电压谐波等问题进行模拟。
通过建立电力系统模型，分析系统中的电压和电流波形特性，找到改善电能质量的方法。
## 3. 电能质量改善方案优化方法在进行电能质量改善方案优化时，需要考虑多个因素，包括经济性、可行性和技术可行性。
以下是几种常用的优化方法：### 3.1 补偿器优化电力系统中常用的电能质量改善设备包括无功补偿器、滤波器和电压调节器等。
通过对这些设备的参数进行优化，可以提高电能质量。
### 3.2 控制策略优化电能质量改善设备的控制策略对于改善电能质量起着重要作用。
通过对控制策略进行优化，可以提高设备性能和电能质量。
### 3.3 多目标优化在进行电能质量改善方案优化时，往往需要考虑多个目标。
例如，改善电能质量的同时降低成本。
通过多目标优化方法，可以找到多个改善电能质量的方案，并进行综合评价。
## 4. 仿真与优化实例为了验证电能质量改善方案的仿真与优化方法的有效性，我们进行了一些实例仿真与优化。
系统仿真在电力系统电能质量分析与改善中的应用
系统仿真在电力系统电能质量分析与改善中的应用电力系统电能质量是指电力系统中电能的纯度和稳定性，对于电力系统的正常运行至关重要。
随着电气设备技术的不断发展，电能质量问题也越来越引起人们的关注。
系统仿真作为一种有效的工具，在电力系统电能质量分析与改善中发挥着重要的作用。
一、系统仿真在电能质量分析中的应用通过系统仿真技术，我们可以构建电力系统的数学模型，并模拟各种电能质量问题。
首先，我们需要收集电力系统的相关数据，包括各种电气设备参数、电能质量监测数据等。
然后，根据这些数据进行仿真分析，可以得到电能质量问题的具体表现，例如电压波动、频率偏差、谐波等。
系统仿真技术可以帮助我们深入理解电能质量问题的本质，并找出问题的根源。
例如，当电力系统频率偏离额定值时，我们可以通过仿真分析，确定是哪些因素导致了频率偏差，进而制定相应的改善措施。
仿真分析还可以帮助我们评估改善措施的效果，以及预测电力系统未来可能出现的电能质量问题。
二、系统仿真在电能质量改善中的应用电能质量改善是指通过采取适当的手段和措施，提高电力系统的电能质量水平。
系统仿真可以帮助我们评估各种改善措施的效果，从而找到最佳的改善方案。
首先，我们可以使用仿真软件对电力系统进行改善前的仿真分析，得到电能质量问题的具体表现。
然后，我们可以根据仿真结果，设计改善方案，例如增加电容器、滤波器等设备，以减轻电能质量问题。
在设计改善方案时，系统仿真技术可以帮助我们模拟和评估各种改善措施的效果，包括成本和性能等方面。
三、系统仿真在电能质量监测中的应用电能质量监测是指对电力系统进行实时、连续的电能质量参数采集和分析，以及对电能质量问题进行及时处理。
系统仿真可以帮助我们设计和优化电能质量监测方案，确保监测数据的准确性和稳定性。
利用系统仿真技术，我们可以模拟电能质量监测系统的运行情况，并进行仿真测试，以验证监测系统的性能和稳定性。
仿真测试可以帮助我们发现潜在的问题和改进空间，进而提高监测系统的可靠性和准确性。
系统仿真在电能质量分析与改善中的应用
系统仿真在电能质量分析与改善中的应用电能质量是指电力系统内电能所满足的电气需求程度，与电能供应的质量、传输的质量以及电能利用的质量密切相关。
随着电力系统的发展和电子设备的普及，人们对电能质量的要求越来越高。
然而，电力系统复杂的结构和电能质量问题的多样性使得对电能质量进行准确分析和改善成为一项具有挑战性的任务。
为了提高电能质量的管理和改善效果，系统仿真成为一种可行的方法。
系统仿真是通过构建数学模型和实验环境来模拟电力系统的运行过程，并通过模拟结果评估电能质量问题和采取相应的改善措施。
在电能质量分析与改善中，系统仿真具有以下重要应用：一、故障分析与预防电力系统中的故障是影响电能质量的主要因素之一。
通过系统仿真，可以构建电力系统的故障模型，并模拟各种故障类型对电能质量的影响。
同时，系统仿真还能够预测潜在的故障风险，帮助制定相应的预防措施，从而减少故障对电能质量的不良影响。
二、电力负荷管理电力系统的负荷管理是保障电能供应质量的关键。
系统仿真可以模拟电力系统的负荷情况，包括瞬时负荷变化、峰值负荷等，预测电力需求的高峰期，并通过调整电力系统的运行参数和优化负荷分配来改善电能质量。
同时，系统仿真还能够评估不同负荷管理策略对电能质量的影响，为制定科学的负荷管理方案提供支持。
三、电力设备评估与选型电力设备的性能和品质对电能质量具有重要影响。
通过系统仿真，可以模拟不同类型的电力设备在电力系统中的运行情况，并评估其对电能质量的影响。
基于仿真结果，可以选择最佳的电力设备，并制定相应的设备选型方案，提高电能质量的可靠性和稳定性。
四、电能质量改善方案验证针对电力系统存在的质量问题，需要制定合理的改善方案。
系统仿真可以帮助验证不同改善方案的有效性和可行性。
通过构建电力系统的模拟环境，仿真各种改善措施在实际操作中的效果，并评估其对电能质量的改善程度。
这样可以实现电能质量改善方案的优化和精细化设计，提高改善方案的实施效果。
五、电力系统规划与设计系统仿真可以模拟电力系统的运行状态和电能质量问题，为电力系统的规划和设计提供科学依据。
电气化铁路及城市轨道电能质量问题及治理发表
7、受济南铁路局、北京铁路局委托，于2007年5月20日至6月15日，完成郭庄、泰山、湖东、木林、下庄牵引变电所电能质量测试
。
8、受昆明铁路局委托，于2007年6月15日至7月2日，完成昆明供电段辖管的金马村、昆明南、永丰营及昆明西四个牵引变电所电能
质量测试。
9、受成都供电段委托，于2007年8月1日至15日，使用2套BDC-5变电站瞬态电能质量监测仪，对金堂牵引变电所各级电压、电流进
。
16、受北京铁路局委托，于2007年10月27日至11月12日，完成京沪线长庄牵引变电所电能质量测试。 17、受成都供电段委托，于2007年11月21日至2008年2月28日，使用BDC－5变电站瞬态电能质量监测仪，对石板滩牵引变电所各级
电压、电流进行连续的波形监测，查找27.5kV避雷器异常动作原因。
李群湛
西南交通大学电气工程学 院教授、博导。
全国电磁兼容标准化技术
委员会委员、中国铁道学
会高级会员、四川省铁道
学会理事、《铁道学报》
编委等。
获奖情况
科研方向
铁道部有突出贡献的中青
电力系统分析、牵引供电 年专家；四川省学术与技
理论、电能质量与控制、 术带头人；詹天佑铁道科
系统可靠性技术等。
技成就奖获得者。
中国国际智能电网产业关键技术峰会 组委会
电气化铁路与城市轨道电能 质量问题及治理
刘炜 西南交通大学 电气工程学院
2015年5月
汇报提纲
一、西南交通大学铁道电气化课题组业绩 二、交直车到交直交车后，电能质量问题的转化 三、电铁电能质量问题治理方案 四、城市轨道电能质量问题 五、总结
一、西南交大铁道电气化课题组业绩
溪、彝良、昭通等七个牵引变电所电能质量测试。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
电气化铁路电能质量综合治理与仿真
伴随着电力牵引供电方式的不断改进和电力机车性能的提高，电气化铁路在铁路运输中占有了极其重要的地位。
面对我国电气化铁道建设高潮，迫切需要加强电气化铁道技术方面的研究。
牵引供电系统是牵引负荷的动力来源，其供电质量的优劣，会对电气化铁路运输产生影响。
而当前牵引供电系统存在的一些问题，如谐波、三相不平衡，降低了供电的效率与质量【1-3 】。
因此，研究并解决这些问题，建立高效的牵引供电系统不仅必要
而且很有意义。
1、牵引供电系统的特殊性铁道牵引供电系统由电气化铁道一次供电系统、牵引变电所、牵引网三大部分组成。
牵引供电系统处于三相的电力系统和电力机车之间，起到变压、变频、变相的作用，将电力系统的或三相电能转换为特定电压、频率、相数的电能，以满足电力机车的需要。
从牵引供电系统的位置可以看出，它既是电力系统的负载，又是电力机车的电源，由于它所处的地位决定了它的性能必须同时满足负载和电源的双重要求，即作为三相电力系统的负载，应表现出对称的、纯电阻的特性，也就是从电网吸取三相对称的、纯有功的电流，而且不向电网注入谐波，同时作为电力机车的电源，必须不断地向负载提供满足特定指标的电能，包括负载的有功功率和无功功率，并吸收负载可能产生的谐波【4】。
2、牵引供电系统存在的问题及采取的措施尽管工频单相牵引供电系统具有很多优点，但是仍然面对着谐波和负序电流等问题。
①谐波
电力机车是一个随机变化的感性负载，其基波电流滞后电压一定的角度，由于变压器、牵引电机等设备的非线性，以及电力电子器件的非线性调节作用，使得机车的电流中包含了大量的谐波成分，这些谐波成分在三相供电系统中的分布是不对称的。
由于牵引负载的功率大、空间和时间分布随机性强、三相不对称，牵引供电系统是电力系统中一个主要的无功源和谐波源。
电力系统产生的谐波与其它整流负荷产生的谐波一样，对电力网及用户带来影响。
②负序电流单相牵引负载对三相供电系统的影响与变电所的联接形式有关，牵引变电所采用这三种基本接线方式时，都会在三相电力系统产生负序电流。
对于负序电流的影响，为了使系统不平衡程度限制在规定标准以内，主要采取的措施有：采用高电压大容量电源供电、采用三相一两相平衡牵引变压器、利用相序轮换技术实现牵引供电系统公共接入点的三相平衡、同相供电等。
结合以上措施，本文对YN-VD接线平衡变压器的新型同相供电系统进行分析仿真。
3、基于YN-VD接线平衡变压器的同相供电系统分析及仿真
①系统的总体结构及性能要求
图1 所示，图中SS1, SS2 和SS3 为同相供电牵引变电所，它由主变压器和平衡变换装置（即）组成; 平衡变换装置可采用无源网络（电感、电容）构成，也可以由有源滤波器构成，其作用是消除系统不平衡，滤除谐波并补偿无功；SP1和SP2为分段断路器，并根据需要断开或闭合分段断路器，实现单边或多边或贯通式供电。
图1 同相供电系统结构示意图
BCD（Balance Converting Device ）表示平衡变换装置。
当各牵引变电所都能满足三相负载的平衡条件，且输出的电压同相位时，就可以实现同相供电的牵引供电系统。
同相供电系统与既有供电系统在结构上的主要区别是；将现有牵引变电所的2 个供电臂合并，取消分相绝缘器；每个变电所输入侧的接线方式相同，输出侧只有一个绕组连接到供电臂上，使各个变电所输出相位相同的电压。
为了防止电力系统经多个变电所及牵引网构成环路，不同变电所之间采用分段绝缘器隔开。
由于分段绝缘器两边的电压相位基本相同，所以机车不必采取任何措施就可以直接通过，不会对机车及牵引网造成不利的影响，几乎不会造成机车功率的损失及车速的降低，因而能满足安全、高速、重载的牵引发展要求。
从电力系统的角度考虑，各个变电所除了要满足三相负载平衡的要求外，其取用的电流应该是纯基波有功电流，即机车的无功功率和谐波电流应该在变电所内完全补偿。
对平衡变压器的工作过程作进一步的分析发现，当副边两端口仅输出相同的基波电流，且与各自的输出电压同相位时，变压器原边电流不仅是对称的，而且是纯基波有功电流。
因此，为实现同相供电，并满足电力系统的负载要求，在变电所内必须安装BCD是变压器副边两端口仅输出与各自电压同相位的、幅值相同的基波电流。
当BCD按此要求工作时，在电力系统与牵引供电系统的任一接入点处，都只相当于接入了一个三相对称的纯电阻网络。
这一供电系统的性能，无论对电力系统，还是对电力机车，都将是理想的【5-6】。
②平衡变化装置的结构及控制原理
图2为同相供电系统采用的BCD结构图。
它由2个单相的四象限变流器组成，2 个变流器“的背靠背”地连接在一起，共用同一个直流环节，以实现有功能量的传递。
采用2个背靠背单相变流器的系统，变电所内平衡器结构简单，只需2台单相变流器即可实现对系统的平衡补偿及无功和谐波的补偿，单相变流器易控制、容易实现、平衡效果好，变电所接线简单、安装维修方便【7-9 】。
图2 平衡变换装置结构图
③为了验证此系统的正确性，用Matlab/Simulink 中的电力系统仿真元件库建立仿真模型。
仿真采用的电力系统电压等级为110kV，正馈线与
接触网之间电压为55kV。
电力机车牵引电压和
电流如下式所示：
设定负载的功率因数为0.866 （滞后），3 次、5 次谐波的
含量依次为20% 12%平衡变换装置中交流侧电感L=0.6mH,直流侧电压给定位6kV，平衡器中变压器变化K=55/2.5=22，控制电路中，内为滞环比较器的滞环宽度分别给定为8A和12A。
图
为平衡器投入后的电力系统三相电流。
平衡变换后的电力系统三相电流为对称的纯正弦基波波形与高频调制波形叠加，不含无功电流，是与电压相位相同的纯正弦波【10】
图为平衡器投入后变压器副边绕组电流，副边绕组只存在两相电流，相位相差120度，满足变压器原边平衡条件。
图8 为平衡器实际输出波形，其中一个单相变流器因为要补偿负载
基波无功和谐波电流，因此波形不是正弦波；另一个单相变流器是要满足
三相平衡，因此输出的波形是纯正弦波。
4、结论
①分析了现有牵引供电系统的特殊性，及目前制式带来的三相负载不平衡、无功和谐波的问题，对这些问题目前采取的措施及效果进行讨论，指出了这些措施的不足，提出了设计综合解决负载不平衡、无功和谐波问题的平衡供电装置的设想。
②分析了基于有源滤波器的平衡变换装置，与YN-VD接线变
压器配合，可是实现铁道单相牵引负载到三相电力系统的平衡变换，并能实现同相供电的牵引供电系统。
这不仅可以改善电力系统的运行条件，充分
利用系统的容量，而且可以满足电气化铁道
安全、高速、重载的牵引要求，降低铁路运营成本。