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电气化铁道电能质量综合控制研究 摘要:作为典型的非平衡负载，电气化铁道的牵引负载给公共电网带来的谐波、负序和无功等电能质量问题不 容忽视。静止无功补偿装置(SVC)是一种减小甚至消除无功、谐波以及其他电能质量问题的有效方法。以静止 无功补偿器(SVC)为基础，对电气化铁道的电能质量问题的综合控制进行研究。 关键词:电气化铁道;电网;电能质量;综合控制 1 前言 中国的电气化铁道总里程已经突破2·4万公里， 跃居世界第二。电气化铁道具有运载能力强、行车速 度快、节约能源、对环境污染小等优点，在现代国民经 济发展中起着举足轻重的作用。 但是，由于电气化铁道牵引负载所具有的随即波 动性和不对称性，其给公共电网带来的诸如负序电流、 谐波以及无功功率等电能质量问题也引起了极大的关 注。研究如何利用有效手段治理电气化铁道牵引负载 所带来的一系列电能质量问题，确保电网中其他电力 设备的安全经济运行具有重大意义。 2 电气化铁道牵引供电系统 2·1 概述 我国的动力供电电网电压一般为110kV或者 220kV，通过牵引变压器转换为27·5kV作为牵引动力 机车的供电。现在普遍流行的牵引变压器种类主要有 单相牵引变压器、Y-D11牵引变压器、阻抗匹配牵引 变压器、Scott变压器等。我国电气化铁道采用工频交 流50Hz三相供电单相用电，其负荷牵引电力机车的 功率大，速度、负载状况变化频繁，且具有不对称的特 性，导致牵引电网具有功率因数低、谐波含量高、负序 电流大等特点，不但自身损耗大，而且对公共电网及铁 路沿线的其他电力设备也带来严重危害，必须采取有 效措施加以治理[1]。 2·2 单相变压器牵引供电网 采用单相牵引变压器的牵引供电系统拓扑结构如 图1所示[2]。 单相接线牵引网采用单相变压器供电，供电方式 又分为单相接线方式和V-V接线方式。单相接线牵 引变压器的原边跨接于三相电力系统中的两相;副边 一端与牵引侧母线连接，另一端与轨道及接地网连接。 牵引变压器的容量利用率高，但其在电力系统中单相 牵引负荷产生的负序电流较大，对接触网的供电不能 实现双边供电。所以，这种结线只适用于电力系统容 量较大，电力网比较发达，三相负荷用电能够可靠地由 地方电网得到供应的场合。另外，单相牵引变压器要 按全绝缘设计制造。而单相V-V接线将两台单相变 压器以V的方式联于三相电力系统每一个牵引变电 所都可以实现由三相系统的两相线电压供电。两变压 器次边绕组，各取一端联至牵引变电所两相母线上。 而它们的另一端则以联成公共端的方式接至钢轨引回 的回流线。这时，两臂电压相位差60°接线，电流的不 对称度有所减少。这种接线即通常所说的60°接线。 2·3 三相Y-D11变压器牵引供电网 采用三相Y-D11牵引变压器的牵引供电系统拓 扑结构如图2所示[2]。 三相Y-D11结线牵引变压器的高压侧通过引入 线按规定次序接到110kV或220kV，三相电力系统的高 压输电线上;变压器低压侧的一角c与轨道，接地网连 接，变压器另两个角a和b分别接到27·5kV的a相和b 相母线上。由两相牵引母线分别向两侧对应的供电臂 供电，两臂电压的相位差为60°，也是60°接线。因此，在 这两个相邻的接触网区段间采用了分相绝缘器。 3 SVC静止型动态无功补偿装置 3·1 SVC的发展 静止型动态无功补偿装置SVC是一种先进的高 压电网动态功率因数补偿装置。它通过提高功率因数 来节约大量的电能，同时又起到减少电网谐波、稳定电 压、改善电网质量(环境)的作用。20世纪70年代以 来，以晶闸管控制的电抗器(TCR)、晶闸管投切的电容 器(TSC)以及二者的混合装置(TCR+TSC)等主要形 式组成的静止无功补偿器(SVC)得到快速发展。SVC 可以看成是电纳值能调节的无功元件，它依靠电力电 子器件开关来实现无功调节。SVC作为系统补偿时可 以连续调节并与系统进行无功功率交换，同时还具有 较快的响应速度，它能够维持端电压恒定 3·2 SVC的工作原理及在电网中应用 TCR+TSC型SVC的基本拓扑结构见图3。它由 1台TCR、2台TSC以及2个无源滤波器组成，在实际 系统中，TSC及无源滤波的组数可根据需要设置。 TCR的工作原理是通过控制与相控电抗器连接 的反并联晶闸管对的移相触发脉冲来改变电抗器等效 电纳的大小，从而输出连续可变的无功功率。图3中 两个晶闸管分别按照单相半波交流开关运行，通过改 变控制角α可以改变电感中通过的电流。α的计量以 电压过零点为基准，α在90°~180°之间可部分导通， 导通角增大则电流基波分量减小，等价于用增大电抗 器的电抗来减小基波无功功率。导通角在90°~180° 之间连续调节时电流也从额定到0连续变化，TCR提 供的补偿电流中含有谐波分量[3]。 TSC的工作原理是根据负载感性无功功率的变化 通过反并联晶闸管对来切除或者投入电容器。这里， 晶闸管只是作为投切开关，而不像TCR中的晶闸管起 相控作用。在实际系统中，每个电容器组都要串联一 个阻尼电抗器，以降低非正常运行状态下产生的对晶 闸管的冲击电流值，同时避免与系统产生谐振。用晶 闸管投切电容器组时，通常选取系统电压峰值时或者 过零点时作为投切动作的必要条件。由于TSC中的 电容器只是在两个极端的电流值之间切换，因此它不 会产生谐波，但它对无功功率的补偿是阶跃的。 TCR和TSC组合后的运行原理为:当系统电压低 于设定的运行电压时，根据需要补偿的无功量投入适 当组数的电容器组，并略有一点正偏差(过补偿)，此 时再利用TCR调节输出的感性无功功率来抵消这部 分过补偿容性无功;当系统电压高于设定电压时，则切 除所有电容器组，只留有TCR运行。 4 电网电能质量综合控制与治理 4·1 谐波抑止与无功补偿 利用SVC动态无功补偿装置对牵引供电系统的 谐波和无功进行综合治理的关键是SVC最大无功补 偿量的确定和滤波器支路的设计[3]。 SVC最大无功补偿量Qsvc应该和设计线路牵引负 荷的大小相适应，应该按电气化铁道牵引负荷的最大 有功需求以及补偿后对装设地点功率因数或在最大无 功冲击时的最大电压损耗的要求来确定，具体可以按 照式(1)、(2)来计算。 QSVC=(tanφ1-tanφ2)Pmax(1) 式中，φ1、φ2分别为补偿前后110kV电源测功率 因数角;Pmax为电铁负荷最大有功需求。 QSVC=Qfmax-ΔU%Xs(2) 式中，Qfmax为装设地点最大无功冲击;ΔU%为装 设地点最大电压损耗要求;Xs为系统阻抗。 要想达到理想的谐波抑止效果，必须综合考虑FC 滤波支路的设计，既要保证装置的安全运行，又要达到 预计的理想效果。在实际设计中，首先需要根据供电 臂中所含的谐波分量来确定FC滤波支路的组成。由 于在电力牵引负荷的谐波中， 3、5、7次谐波占了很大 的比重，所以FC滤波支路一般由3、5、7次单调谐滤 波器构成。 当最大无功补偿容量和滤波支路的组成确定后， 如何将需补无功容量合理分配到各滤波支路中，这是 非常重要的问题。如果各滤波支路的容量分配不合 理，一方面会使设备安装总容量偏大，另一方面有可能 因为某此滤波回路补偿功率偏小而发生过负荷，对设 备安全运行造成影响。 一些著名的电气公司采用的一些算法如下[6]: 如西门子公司的无功功率补偿按式(3)分配 Qc(h)=QSVCIh/h∑Ih/h(3) 式中，Qc(h)是第h次滤波支路分配的补偿容量;Ih 为供电臂第h次谐波电流。 BBC电气公司按照式(4)分配无功功率 Qc(h)=QSVC∑Ih(4) AEG电气公司则按照式(5)分配无功 Qc(3)∶Qc(5)∶Qc(11)∶Qc(13)=2∶2∶1∶1 (5) 式中，Qc(3)、Qc(5)、Qc(11)、Qc(13)分别为第3、5、11、 13次滤波支路分配的补偿容量。 4·2 负序电流补偿 牵引电力机车产生的大量负序电流给电网中其他 的电力设备的安全、经济运行带来极大影响。SVC静 止动态无功补偿装置在补偿负序和末端电压上有着相 当高的效率。工程应用上可以选择在电网系统和负荷 上都安装SVC[5]。 在电网系统端安装应用SVC来补偿负序电流的 原则是参照斯坦梅茨法则(Steinmetz′s laws)。不管采 用哪一种牵引变压器，负序补偿的实现分为如下两步: (1)电力因数修正。通过安装电容器件，使得每 相负荷都为电阻性。 (2)参照斯坦梅茨法则(Steinmetz′s laws)，AB相 的电阻性负荷G，与BC相的电容性负荷G/ 3以及CA 相的电感性负荷G/ 3互相对称。 电流环路图和相位图分别如图4、5所示: 从图5可以明显看到线电流I·A，I·B，I·C是对称 且正序的，BC相和CA相之间的阻抗负载也可以做到 类似的对称，因此系统中的所有负序电流都可以被补 偿而消除。 现在问题的关键是如何随着牵引负荷的起伏动态 地控制补偿需要的电容和电感器组。急于数字信号处 理器(DSP)的固定电容(FC)和晶闸管控制的电抗器 (TCR)的组合得以广泛应用，如图6所示。得益于 DSP对数据信息的快速处理，补偿所需的电容和电感 参数可以被快速、精确计算得到。 5 结论与展望 本文提出的基于静止动态无功补偿装置(SVC)的 电气化铁道牵引电网电能质量综合控制与治理原理与 方案具有重要的工程意义。电气化铁道的电能质量是 一个突出且严峻的课题与难题，要求我们不断探求新 的综合补偿方法，来综合控制与治理影响电能质量的 无功、谐波、负序等因素，以提高电网电能质量，确保电 网安全、经济运行。 参考文献 [1] 李群湛电气化铁道并联综合补偿及其应用[M]北京:中国铁道 出版社， [2] TB/10009-2005铁路电力牵引供电设计规范[S] [3] 王兆安谐波抑止和无功功率补偿[M]北京:机械工业出版社， [4] 铁道部电气化工程局电气化勘测设计院电气化铁道设计手册牵 引供电系统[M]北京:中国铁道出版社， [5] 安鹏，张雷，刘玉田电气化铁道对电力系统安全运行的影响及对 策[J]山东电力技术， 2005， (4): 16- [6] 马千里动态无功补偿装置在牵引变电所的应用[J]电气化铁 道， 2008(4)希望采纳 
国内外高铁现状以及高铁特点简介1964年，日本建成世界上第一条高速铁路——东海道新干线，并以时速210km/h投入商业运营。由于修建高速铁路可以带来巨大的社会经济效益，高速铁路的辉煌业绩深受世人瞩目，法国也及时发展了独具特色的可能是目前唯一没有任何盈利色彩而享誉世界的法国产品TGA高速技术，并在1981年率先建成西欧第一条高速铁路。从此TGV一直牢牢占据高速轮轨的速度桂冠，目前的纪录是2007年创下的4 公里/小时。欧洲有关部门做出的长远规划是到2015年，全欧高铁铁路总长达到3万公里，其中新建段9100公里，约占30%。 紧接日法之后，德国、意大利、西班牙等都相继修建了高速铁路。并且德国研制独自的ICE（Intercity-Express）机车，美国研制了具有美国特色的Acela。从1972年以后，又相继出现了磁悬浮和摆式列车，而其中的摆式列车由于其性价比较高，有可能是一种在大规模成熟铁路网基础上完成提速的高速铁路技术。 我国的高速铁路研发及建设均起步较晚，但是我国高速铁路建设近几年的发展速度有目共睹，从2008年8月1日我国第一条具有完全自主知识产权的高速铁路——京津城际铁路开通运营，到之后的武广高速铁路、郑西铁路等高速铁路的开工建设及投入运营，我国高铁建设一直得到国家大力的政策支持与资金投入。特别是在过去两年，我国多项高铁建设项目开工并建成投产，宁波～台州～温州、温州～福州、福州～厦门等客运专线相继建成通车，特别是世界上里程最长、时速350公里、全长6公里的武广高速铁路开通运营，成为中国高速铁路的又一里程碑。 高速铁路在不长的时期内之所以能取得如此的发展势头，根本原因是基于轮轨系的高速技术充分发挥了既先进又实用的特点，特别是在中长距离的交通中的独特优势。实践表明，高速铁路已是当代科学技术进步与经济发展的象征。高速铁路虽然源于传统铁路，但借助于多项高新技术已全面突破常规铁路的概念，已形成一种能与既有路网兼容的新型交通系统。同时高铁还具有一些其他列车无法比拟的优点：（1）输送能力大：目前各国的高速铁路几乎都能满足最小行车间隔4分钟及其以下（日本可达3分钟）的要求。（2）速度快：法国、日本、德国、西班牙和意大利高速列车的最高运行时速分别达到了300公里、300公里、280公里、270公里和250公里。如果作进一步改善，运行时速可以达到350～400公里。（3）安全性好：高速铁路由于在全封闭环境中自动化运行，又有一系列完善的安全保障系统，所以其安全程度是任何交通工具无法比拟的。（4）受气候变化影响小，正确率高：高速铁路全部采用自动化控制，可以全天候运营，除非发生地震。由于高速铁路系统设备的可靠性和较高的运输组织水平，可以做到旅客列车极高的正点率。（5）方便快捷：高速铁路一般每4分钟发出一列车，日本在旅客高峰时每3分半钟发出一列客车，旅客基本上可以做到随到随走，不需要候车。（6）能源消耗低：如果以“人/公里”单位能耗来进行比较的话。高速铁路为1，则小轿车为5，大客车为2，飞机为7。（7）环境影响好（8）经济效益好：高速铁路投入运行以来，倍受旅客青睐，其经济效益也十分可观。日本东海道新干线开通后仅7年就收回了全部建设资金，自1985年以后，每年纯利润达2000亿日元。德国ICE城市间高速列车每年纯利润达7亿马克。法国TGV年纯利润达44亿法郎。
文准备往什么方向写，选题老师审核通过了没，有没有列个大纲让老师看一下写作方向？ 老师有没有和你说论文往哪个方向写比较好？写论文之前，一定要写个大纲，这样老师，好确定了框架，避免以后论文修改过程中出现大改的情况！！ 学校的格式要求、写作规范要注意，否则很可能发回来重新改，你要还有什么不明白或不懂可以问我，希望你能够顺利毕业，迈向新的人生 通过了大学高等教育，似乎论文写作似乎已经不成为问题了。但是，仔细观察大学教育就会发现，就没有专门写作的课程。这就好像是性教育，
针对我国高速铁路客运专线规划决策中的主要技术经济问题，本文在广泛分析国内外有关研究资料的基础上，结合作者承担或参与的国家高技术发展计划（863）课题和铁道部高速铁路研究课题，综合运用工程技术科学、宏观经济学、微观经济学、决策科学、数量经济学和统计学的理论和方法，对高速客运专线的客运需求、速度目标值、建设时机、技术系统选择、国民经济评价方法等问题进行了研究，研究方法均为国内首次采用。为我国高速铁路规划决策的科学化、定量化提供了有益的支持工具。主要研究成果如下： （1）在高速铁路客运市场份额研究方面，通过研究旅客对交通工具的选择行为，分析了影响旅客选择行为的经济、技术、心理和生理因素，首次将交通工具的多种技术特征引入效用函数中，建立了客运交通工具的效用评价理论；进而用多目标决策、数量经济学和统计学理论建立了交通工具市场份额分析模型。该模型从理论上避免了目前一些常用分析理论在某些交通走廊应用的误差较大甚至出现矛盾的现象。由该模型算出的客运需求变化规律与理论分析具有很好的一致，实例验证取得较好的结果。 （2）在高速铁路客运需求的长期变化规律方面，分析了社会经济发展规模、社会经济结构发展变化、信息传输技术进步等因素对社会客运需求影响，结合国内外社会经济和交通发展的统计资料，提出了社会客运需求长期变化规律的数学模型；从旅客对交通工具服务质量要求的提高、自然资源与环境保护、各种交通技术的发展趋势等方面，论证了高速铁路客运市场份额和客运需求的长期变化规律并建立相应模型。以京沪线为例进行的计算表明，高速铁路客运需求的长期变化规律是：首先因经济发展规模的增长而增加，后因旅客对服务质量的要求发生变化，市场份额降低，客运需求增速减缓甚至下降。这一规律符合培育、发展、饱和和停滞的商品经济规律。 （3）在国内首次系统地通过理论研究和总结实际定线资料，研究了高速铁路速度目标值与其客运需求、工程投资、机车车辆购置费、运营支出等技术经济指标的量化关系。为我国高速铁路项目的科学化、定量化决策提供了良好的研究基础。 （4）在速度目标值决策方面，考虑速度目标值对客运需求、土建工程投资、机车车辆购置费、运营有关支出、无关支出等基础数据的影响，以高速铁路项目的经济效益为目标，用技术经济学的理论研究速度目标值。以京沪线为例的计算结果证实了最佳速度目标值的存在。该最佳速度目标值是基于我国的经济发展水平和市场需求状况的结果，与国外发达国家的高速列车速度水平具有一定的差距。 （5）在高速铁路的建设时机决策方面，提出了以旅客对旅行时间节省的支付意愿为表征的高速铁路建设时机研究方法。以各种交通工具的技术经济特征为基础，运用本模型的计算结果表明，目前我国东部经济发达地区已进入建设高速铁路的合理时机。同时，以财务内部收益率为评价指标，通过分析高速铁路建设期和运营期的投入和产出，结合高速铁路市场需求长期变化规律的分析，以京沪线为例进行的计算表明：目前就是京沪高速铁路的最佳时机。上述研究结论与国内高速铁路技术的成熟性、经济发展对客货运输能力的综合要求、项目建设资金的供给条件等研究相结合，可为我国高速铁路的建设时机决策提供有益的参考。当然，本文算例结论的前提是各种交通方式的技术经济特征保持相对稳定。一旦某种交通工具的服务水平取得重大突破，或者有新的交通系统被引入，研究结论将可能发生变化。 （6）在铁路建设项目经济评价理论方面，本文分析了西方国家、联合国工业发展组织和我国的交通建设项目国民经济评价理论和方法，提出我国现行的铁路建设项目国民经济评价办法中效益计算部分尚待探讨。提出了计算交通建设项目国民经济效益的新观点。并对其中一些观点提出了算法。 （7）在高速磁悬浮铁路技术经济特征分析方面，全面研究了国外高速磁浮交通系统资料，在国内首次系统地总结了高速磁悬浮铁路的线路设计理论；提出了影响通过能力和输送能力的因素和磁浮列车追踪间隔的计算方法；全面分析了高速磁悬浮铁路的工程投资、运营支出等经济特征和能量消耗、土地占用与地表破坏、交通噪声、有害物质排放、磁辐射等环境影响特征。为我国开展高速磁悬浮交通系统的工程应用研究提供了良好的基础。 （8）在高速交通技术系统比较方面，针对我国对两种技术系统的研究基础相差很大，难以进行工程应用全面对比的情况，本文从两种系统的技术原理出发，通过理论分析、试验定线和试验设计，对土建投资、列车费用和运营支出进行了比较。另外，从市场适应性角度出发，分析了两种系统的综合服务质量，以旅客平均时间价值为指标，提出了各自适应的经济发展水平。 本文提出的研究成果，可作为我国高速铁路规划中科学化、定量化决策的辅助工具。本文重点研究辅助决策的技术经济学方法，在具体应用项目的技术经济决策分析中，尚应深化研究主要基础数据，以保证模型计算结果的可靠性。
