论文总字数：14963字

摘 要

电力牵引负荷为两相或单相不对称的谐波负荷，具有功率因数低、谐波含量大和负序电流三大技术特点，多年来一直妨碍着电气化铁路的发展。其中负序电流对电力系统的影响已经因系统容量的增大、牵引变电所采用轮换接线方式而基本解决。多功能平衡变压器的出现给我们提供了一个提高功率因数低、抑制高次谐波的更优方案。

本论文首先对多功能平衡变压器的变压变相功能、无功补偿功能、以及高次谐波滤波功能从理论上深入分析研究，推导出多功能平衡变压器的原方三相谐波电流公式，并与常规滤波方案进行比较。其次，运用MATLAB/SIMULINK建立了多功能平衡变压器的模型，进一步证实了多功能平衡变压器的变压变相功能。

关键词：多功能平衡变压器 牵引驱动 负序 滤波器

Analysis on the Charater of the Multi-function Balanced Transformer

Abstract

E1ectrical railway traction load is the two-phase or the single-phase load with abundant harmonics．Low power factor，abundant harmonics and negative sequence are the three main characters of electrical railway traction load．It has hampered the development of the electrical railway for many years．The influence of negative sequence is almost eliminated along with the enlargement of the system’s capacity and the alternate connection of traction substations．Now the appearance of the Multi-function Balanced Transformer(MFBT) gives us a batter method to result these problems．

Firstly，the functions in transforming voltage，three-phase to two-phase，compensation of reactive power and reducing the amount of the harmonics of the MFBT are analyzed，three formulae of the harmonic current of the primary side are deduced.

Key Words: the Multi-function Balanced Transformer (MFBT); traction drive; negative sequence; harmonic filters

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 电气化铁道牵引负荷的干扰 1

1.2 电气化铁道三相-两相变压器 1

1.3 多功能平衡变压器的发展前景 2

第二章 多功能平衡变压器的组成原理 3

2.1 变压器的匝数比和阻抗比 3

2.2 两相负载绕组电流 5

2.3 三相负载绕组电流 6

第三章 多功能平衡变压器的变压变相功能 8

3.1三相系统变换为两相系统电量的等值变换 8

3.1.1 三相系统与两相系统的电压关系 8

3.1.2三相系统与两相系统的电流关系 9

3.1.3 三相系统与两相系统的功率关系 10

3.2 三相系统变换为两相系统的等值电路 10

3.3 三相系统变换为三相系统的等值电路 12

3.4 多功能平衡变压器变压和变相的仿真模型 14

3.4.1 多功能平衡变压器的仿真模型 14

3.4.2 仿真结果 15

第四章 多功能平衡变压器的无功补偿功能 16

4.1 无功补偿的作用 16

4.2 常用的无功补偿的方式 16

4.3 多功能平衡变压器的无功补偿 17

第五章 多功能平衡变压器的高次滤波功能 18

5.1 电气化铁道高次谐波的特点 18

5.2 多功能平衡变压器抑制谐波的原理 18

5.3 多功能平衡变压器的滤波特性分析 20

5.3.1 牵引负荷下多功能平衡变压器副方绕组通过的谐波电流 20

5.3.2 不投入滤波装置时变压器原边谐波电流 22

5.3.3 采用常规滤波方案时变压器原边谐波电流 23

5.4 与其他滤波方式的比较 24

第六章 结论 26

参考文献 27

致谢 29

1. 绪论
   1. 电气化铁道牵引负荷的干扰

电气化铁道牵引不同于一般的负荷，它具备会运动与波动幅度大的特点 ^[1]。电气化铁道负荷为两相或单相非对称负荷，并且通常机车电流维持半分钟没有波动几乎是不可能的，有时在较短时刻内产生较强烈的波动，日均值与日最大值变化较大。所以，牵引负荷与正常的负荷是不同的，它具有日波动性。

电气化铁道负荷是单相工频交流负荷。当它作为负载引入系统后会迫使三相电力系统处于不对称状态，形成负序干扰^[2]。

另外，目前整流型（AC-DC）型机车在世界上广泛被采用。它的谐波阻抗相对于系统阻抗要大得多,谐波电流源会产生高次谐波电流。它会给电力系统带来谐波,同时也会带来电磁干扰，这对通信系统有直接的影响。

这些问题限制了现代化铁路的发展与进步。所以，有必要对电气化铁路技术进行提高，并加以限制，以确保电力和通信系统的安全可靠运行，从而取得全面的效益。

• 1. 电气化铁道三相-两相变压器

三相系统为两相负荷提供电源，有很多方式。主要有常见的三相变压器，也有采取三相变两相的特殊变压器。由于普通三相变压器存在三相系统不对称工作产生不可忽略的负序电流的问题，特殊接线变压器是主要的发展的方向，目前许多国家都在对它进行研究开发^[3]。

研制出的特殊接线变压器有一些缺点。比如，斯科特变压器，李伦伯克变压器，伍德桥变压器各自的材料（铁和铜）利用系数仅为81.6%,84.5%和82.6%。此外，斯科特变压器和李伦伯克变压器的一次绕组中没有中性点存在，迫使一次绕组必须提高它的绝缘等级。伍德桥变压器需要两个附加的自动变压器给两相铁路牵引供电。在这些特殊接线变压器中，阻抗匹配变压器技术已被广泛运用于中国铁路系统。对于三相平衡操作，一次绕组的中性线电流 应为零。这可以通过匹配部分二次绕组的漏阻抗来实现。因此，这种类型的变压器是称为阻抗匹配变压器。它的材料利用率是91.95%，远高于李伦伯克或者伍德桥变压器。

多功能平衡变压器本质上是从早期讨论的阻抗匹配平衡变压器发展来的。它不仅有原有的平衡变压器的优点如效率高、限制负序，并且通过在副边a、c相绕组接入新的10.5千伏抽头。这就使得并不需要使用额外的特殊变换装置，就能给三相供电。多功能平衡变压器在很大程度上减少了机车牵引负荷传统问题对供电系统的不良影响，改善了电力系统的功率因数，极大地提升了电压等级。多功能平衡变压器有三个主要功能：1）使用对称的铁路架空线连接电力机车为其提供了27.5kV的两相电压；2）它为铁路变电站提供了一个10.5kV的三相平衡电压；3），它可以容纳改进型功率因数的三相谐波滤波器并且减少制造成本。

• 1. 多功能平衡变压器的发展前景

从技术层面看，多功能平衡变压器得益于它不同于常规的滤波方案，其谐波电流含量低，能有效的限制谐波电流的峰值。这种方法与传统的滤波器相比有很大的益处，使得电气化铁路符合国家电能质量标准。此外，由于对10.5千伏补偿电压的降低，电力电子无极连续补偿更容易实现。

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