第1章环境***来源、危害及生态风险评估
　　环境***(environmental estrogens， EEs)是一类通过干扰机体正常激素合成、释放、运输、结合等过程激活或抑制内分泌系统的功能，从而破坏机体稳定性和调控作用的新型环境污染物。***污染已成为全球性重大环境问题，受到各国政府、业内人士等的广泛关注。类固醇***( steroid estrogens， SEs)是 EEs中一类具有环戊烷并多氢菲结构(甾体母核)的化合物，存在于所有脊椎动物和部分无脊椎动物体内。与其他不具有甾体母核的 EEs相比，SEs检出率更高、环境危害性更大，浓度达到 ng/L水平即可引发水生动物内分泌系统紊乱。
　　由于自然或人工过程(如激素治疗、避孕、用作饲料添加剂)，***常存在于人类和动物排泄物中， SEs的污染源十分广泛，包括集约化养殖场、大型屠宰场、各类规模的城市群等。此外，因缺乏配套的粪便消纳、无害化处理技术和政策约束，大量未经有效处理的 SEs常随厩肥撒施、地表径流等环境行为进入农业相关的水和土壤体系。在全球运移的推动下，世界各大水土体系中均有 SEs检出。因此，如何安全、有效地去除环境 SEs对于缓解环境压力、保障人群健康具有重要意义。
　　1.1 环境***简介
　　1.1.1 环境***的分类
　　按照获取渠道，***可分为两大类：天然***及合成***。天然***由人类和动物的肾上腺皮质、睾丸、卵巢和胎盘释放，具有环戊烷并多氢菲结构[含四个环，包括一个酚环( A环)、两个环己烷(B、C环)和一个环戊烷( D环)]，又称甾体母核，具有此结构的代表性***为雌酮( E1)、17β-雌二醇( E2)和雌三醇(E3)。天然***又称 C18甾体***，不同 C18甾体***之间的差别在于 D环 C16或 C17位点所连接的官能团。例如， E1在 C17处连接有一个羰基，E2在 C17处连接有一个羟基，而 E3在 C16和 C17处各连接有一个羟基。其中，雌二醇的 C17羟基既可以处于甾体分子平面上层，形成 17α-雌二醇(17α-E2)，也可以处于甾体分子平面下层，形成 E2。天然***中有一类特殊的化合物类群，即植物***。植物***主要分为三类：异黄酮类 (isoflavones)、木酚素类(lignans)和香豆素类( coumarins)，存在于植物及其种子中。然而，植物***并不属于真正的激素，而是异黄酮活性成分，由于能够起到类似于***的模拟、干扰、双向调节内分泌水平的生理化作用，故被称为植物***。植物源***的分子结构与动物源***的结构相似，对乳腺癌、前列腺癌、绝经期综合征、心血管病和骨质疏松有一定的预防作用。
　　合成***中又包含半合成***。半合成***由 SEs衍生而来，具有环戊烷并多氢菲结构；典型代表有炔雌醇( EE2)、尼尔雌醇( NYL)、美雌醇( MES)和炔雌醚(CEE)，常用作口服避孕药或其主要成分。其余合成***则为非甾体***，不含**的环戊烷并多氢菲甾体母核结构，典型代表包含己烯雌酚( diethylstilbestrol， DES)、壬基酚 (NP)、双酚 A(bisphenol A， BPA)等。
　　1.1.2 环境***的性质
　　了解***类化合物的理化性质对解析它们在水土体系中的命运至关重要，可用于在实验中初步评估其命运及归趋，有效地规避部分昂贵、耗时的非必要检测分析。有机污染物在水和其他天然固体之间的分布可理解为有机污染物在水相和有机相之间的分配过程。此外，其各项理化性质参数还能为评价某一物质被吸附到固相上并昀终排放到环境中，以及在液相中的溶解比例等提供计算方法。例如，正辛醇-水分配系数( Kow)是化合物的一项重要的理化性质，定义为该物质在正辛醇相与水相中的浓度之比，是判断目标物质脂溶性大小的重要参数。具有高分子量、高 logKow ①(> 5)的化合物极易吸附到沉积物上，可通过混凝进行初步的去除。总的来说，***是一类 logKow相对偏高(2.4～4.0)的脂溶性化合物，较易吸附于固体表面( Pal et al.， 2010)。此外，***类化合物的蒸气压大多介于 9 × 10.13～3 × 10.8 Pa范围内，难挥发； pKa介于 10.3～10.8之间，呈弱酸性。
　　以昀为常见的 E1、E2、E3和 EE2四种 EEs为例，其详细理化性质如表 1-1所示。游离态***也可通过葡萄糖醛酸苷和硫酸基团在 C3和/或 C17位点发生酯化作用，形成结合态***。与结合态***相比，游离态(又称非结合态)***更难溶于水相。***的溶解度与 pH密切相关。例如，当 pH为 7.0时，上述四种***的水溶性依次为 EE2 < E1 < E2 < E3，与 pH为 4.0时基本一致；当 pH为 10.0时，各***的溶解度会相对升高(Shareef et al.， 2006)。
　　表 1-1 四种典型甾体***的理化特征
　　1.2 环境***来源及分布
　　1.2.1 环境***的来源
　　人类和畜禽排泄物是 EEs的主要来源。全世界约 72亿人口的天然 SEs(包含 E3、E2和 E1)年排放总量可达 30000 kg，合成*** EE2年排放量近 700 kg(Adeel et al.， 2017)。各类人群中，成年女性对***排放的贡献远高于成年男性，尤其是孕妇。调查指出，成年男性、未绝经女性、绝经后女性和孕妇四类人群每天通过尿液排放的***当量 (estradiol equivalency， EEQ)分别达 3.1 μg E2/d、9.9 μg E2/d、4.4 μg E2/d和 4336.8 μg E2/d(Liu et al.， 2009)。不同人群每人每天排放的 SEs总量的详细统计如表 1-2所示。然而，家畜向环境释放的***量远高于人类，环境中大约 90%的***来自畜禽养殖业和畜牧业(He et al.， 2019)。据统计，在美国和欧盟，家畜每年排放的***可达 83000 kg，是人类排放量的两倍( Adeel et al.， 2017)。2002年，美国农场动物排放的***高达到 49 t；2013年，英国农场动物的 E1和 E2年排放量分别高达 1315 kg和 570 kg(Ray et al.， 2013)。在我国，人类和动物每年产生的类固醇激素总量约 3069 t，其中三分之二来自动物(Zhang et al.， 2014c)；一项位于上海的调查显示，牲畜的***排放当量约为 56.8 g E2/d，接近人类***排放当量( 35.2 g E2/d)的 1.6倍(Liu et al.， 2014)，与来自美国和欧盟的统计数据一致。在各类牲畜排泄物中，奶牛粪便对于***总排放量的贡献昀大，占比高达 90%(Hanselman et al.， 2006)。
　　表 1-2 不同人群每人每天排放的 SEs量统计 (Adeel et al.， 2017)(单位：μg)
　　注：NDA表示暂无数据。
　　城市污水处理厂( municipal sewage treatment plants， MSTPs)是人类排放***的主要释放源。MSTPs能够去除废水中大部分***，但仍有低浓度***残留，并随处理后水体直接进入土壤或自然受纳水体中( Andaluri et al.， 2012; Belhaj et al.， 2015; Pal et al.， 2010; Pessoa et al.， 2014)。城市垃圾填埋场是另一个重要的 SEs释放源，***可以随垃圾渗滤液直接渗入地表水和地下水( Li， 2014)。此外，一项基于医院的调查显示，所有医院的流出样本中均能够检出 SEs，特别是高浓度的 E3(Avber.ek et al.， 2011)，说明医院也是人类排放***的重要释放源之一。
　　农田施用是粪肥源***进入土壤和水体的主要渠道，包括饲养场和动物储存设施的渗漏(Zhao et al.， 2010)、基于生物残渣的有机肥料撒施( Gray et al.， 2017)、农田尾水的排放( Snow et al.， 2012)等。在从粪肥到排水系统的径流中， SEs的昀大浓度可以从
　　2.5 ng/L至 68.1 ng/L不等( Kj.r et al.， 2007)。Zhang等(2014c)发现中国拥有全球昀大的动物种群；中国每年由牲畜排放的***总量约为 2050 t，远远超过美国和欧盟( Lange et al.， 2002)：欧盟和美国粪肥源 SEs的排放量是全球人类 SEs排放量的 2.7倍，中国粪肥源 SEs的排放量是全球人类 SEs排放量的 83倍。然而，我国并未明文规定畜禽养殖场废弃物需在排放前进行前处理( Liu et al.， 2012a)，多数农村家庭依旧会选择将未经处理或只经简单消化处理的粪肥直接施入农田土壤，导致粪便中残留的高浓度***直接进入环境。研究表明，每克厩肥固体中 E1、E2和 17α-E2的含量在 6～462 ng(Andaluri et al.， 2012)。
　　1.2.2 类固醇***的分布
　　液体粪肥的储存、粪肥的铺展和地表径流等渠道为***进入自然环境提供了极大便利，使***污染面积不断扩大( D’Ascenzo et al.， 2003; Jenkins et al.， 2006; Zhou et al.， 2012b; Rocha et al.， 2012; Lange et al.， 2002; Beck et al.， 2006; Furuichi et al.， 2006)。全球范围内，农业用地密集区的地表水乃至地下水中均可频繁检出***，检出浓度从 ng/L级到 μg/L级不等(Beck et al.， 2006; Pal et al.， 2010; Rocha et al.， 2012)。浆液型位点中曾检出大量的天然*** E1，其次是 17α-E2，再次是 E2。对猪和家禽的放射性示踪研究表明，E2主要来自粪便( 58%)，17α-E2和 E3主要来自猪的尿液( 96%)和家禽的尿液( 69%) (Hanselman et al.， 2003)。在从肥料到排水系统的径流中， SEs的浓度昀高可达 2.5～68.1 ng/L，深层地下水中曾检测到浓度高达 68.1 ng/L的 E1(Kj.r et al.， 2007)。在美国北部淡水中，E3含量为 12～196 ng/L；在欧洲，一些废水和淡水源监测点曾检出 1～12.4 ng/L浓度的 E1；在北美的部分天然淡水系统和 MSTPs中，E2的检出浓度范围分别为 1～22 ng/L和 0～4.5 ng/L(Pal et al.， 2010)。另一项在加利福尼亚州进行的研究称，约 86%的牧场地表水样本中能够检测到甾体***，昀高检出浓度达 44 ng/L(Kolodziej and Sedlak， 2007)。
　　除了随粪肥施用进入自然环境的***，跟随污水直接排入自然环境的***总量也不容小觑。研究人员在几个国家的污水处理厂( wastewater treatment plants， WWTPs)的进/出水样中均检测到了***：意大利污水处理厂检出了 E1、E2、E3和 EE2，平均浓度分别为 80 ng/L、12 ng/L、3 ng/L和 52 ng/L；秋、夏两季，日本部分 WWTPs检出了浓度分别为 30～90 ng/L和 20～94 ng/L的 E2(Ying et al.， 2002)。一项位于北京的研究显示，超过 40%的 E1、E2、E3和 60%的 EE2都能够进入受纳水体，平均浓度分别为 48～ 70 ng/L、2～19 ng/L、50～3

目录
第1章 绪论 1
1.1 电气化铁路供电系统概述 1
1.1.1 牵引供电系统 2
1.1.2 铁路电力变配电系统 7
1.2 电气化铁路能耗与电能质量问题概述 8
1.2.1 能耗问题 8
1.2.2 电能质量问题 10
1.3 电气化铁路潮流控制技术概述 14
1.3.1 电能质量治理 14
1.3.2 同相供电 16
1.3.3 再生制动能量利用 18
1.3.4 新能源利用 20
1.4 本书主要内容 25
参考文献 27
第2章 电气化铁路负荷特性 29
2.1 铁路电力变配电系统负荷特性 29
2.2 列车负荷特性 30
2.2.1 列车功率传输特性 30
2.2.2 列车牵引/制动特性 32
2.2.3 列车动态运行及其功率特性 33
2.3 牵引供电系统负荷特性 35
2.3.1 典型牵引变电所负荷特性 35
2.3.2 典型电气化铁路线路负荷特性 44
2.3.3 基于负荷特性的再生制动能量利用方案分析 46
2.4 本章小结 48
参考文献 48
第3章 电气化铁路单所再生制动能量利用 49
3.1 普通线路牵引变电所 49
3.1.1 基于储能的再生制动能量利用系统基本原理 49
3.1.2 基于储能的再生制动能量利用系统运行模式 51
3.1.3 基于储能的再生制动能量利用系统控制策略 54
3.1.4 基于储能的再生制动能量利用系统验证 57
3.2 长大坡道线路牵引变电所 64
3.2.1 基于混合储能的再生制动能量利用系统基本原理 64
3.2.2 基于混合储能的再生制动能量利用系统运行模式 65
3.2.3 基于混合储能的再生制动能量利用系统控制策略 66
3.2.4 基于混合储能的再生制动能量利用系统验证 69
3.3 铁路枢纽线路牵引变电所 74
3.3.1 基于储能和能馈的枢纽所再生制动能量利用系统基本原理 75
3.3.2 基于储能和能馈的枢纽所再生制动能量利用系统运行模式 76
3.3.3 基于储能和能馈的枢纽所再生制动能量利用系统控制策略 81
3.3.4 基于储能和能馈的枢纽所再生制动能量利用系统验证 83
3.4 本章小结 92
参考文献 93
第4章 电气化铁路多所再生制动能量利用 95
4.1 分区所功率融通型再生制动能量利用系统 95
4.1.1 功率融通型再生制动能量利用系统基本原理 95
4.1.2 功率融通型再生制动能量利用系统运行模式 97
4.1.3 功率融通型再生制动能量利用系统控制策略 98
4.1.4 功率融通型再生制动能量利用系统验证 102
4.2 牵引变电所与分区所协同的集成型再生制动能量利用系统 108
4.2.1 集成型再生制动能量利用系统基本原理 108
4.2.2 集成型再生制动能量利用系统运行模式 110
4.2.3 集成型再生制动能量利用系统控制策略 112
4.2.4 集成型再生制动能量利用系统验证 119
4.3 本章小结 129
参考文献 129
第5章 再生制动能量利用系统保护方案 131
5.1 再生制动能量利用系统简介 131
5.2 再生制动能量利用系统对牵引供电系统既有保护的影响 132
5.2.1 既有保护及其保护原理 132
5.2.2 既有保护影响分析 137
5.3 再生制动能量利用系统保护方案设计 140
5.3.1 保护原则 140
5.3.2 保护策略 140
5.4 案例分析 144
5.4.1 枢纽型牵引变电所再生制动能量利用系统 145
5.4.2 分区所再生制动能量利用系统 152
5.5 本章小结 158
参考文献 158
第6章 再生制动能量利用系统经济性 160
6.1 电气化铁路电价政策 160
6.2 再生制动能量利用系统经济性分析 161
6.2.1 再生制动能量利用系统成本 162
6.2.2 再生制动能量利用系统收益 162
6.3 基于技术经济模型的再生制动能量利用系统容量优化配置 164
6.3.1 再生制动能量利用系统技术模型 164
6.3.2 再生制动能量利用系统经济模型 167
6.3.3 再生制动能量利用系统技术经济模型评价指标 169
6.3.4 再生制动能量利用系统容量优化配置方法 171
6.3.5 再生制动能量利用系统容量设计目标实现方法 172
6.3.6 案例分析 174
6.4 本章小结 182
参考文献 183
第7章 “源-网-车-储”一体化供电技术 184
7.1 “源-网-车-储”供电系统发展前景 184
7.2 “源-网-车-储”一体化供电系统架构与运行机制 185
7.2.1 “源-网-车-储”一体化供电系统架构 185
7.2.2 “源-网-车-储”多环节协同运行机制 186
7.3 “源-网-车-储”一体化控制方案 187
7.3.1 有功无功联合潮流优化策略 188
7.3.2 多变流器协调控制策略 191
7.4 “源-网-车-储”一体化供电技术方案与验证 192
7.4.1 新能源与再生制动能量利用 192
7.4.2 牵引网电压波动抑制 194
7.4.3 电能质量综合治理 197
7.4.4 车网稳定性提升 199
7.4.5 “车-所”协同应急供电 201
7.4.6 列车柔性不断电过分相 202
7.4.7 接触网直流融冰 204
7.5 “源-网-车-储”一体化供电系统展望 206
7.5.1 基于贯通供电技术的“源-网-车-储”系统 206
7.5.2 “源-网-车-储”一体化协同规划技术 207
7.5.3 用于电气化铁路的大容量电力电子变流装置 208
7.5.4 新形态牵引供电系统保护技术 208
7.5.5 “源-网-车-储”多环节稳定性作用机制 208
7.5.6 考虑多所联动的“源-网-车-储”一体化供电系统优化运行技术 208
7.6 本章小结 208
参考文献 209
第8章 再生制动能量利用系统仿真实验平台 211
8.1 再生制动能量利用系统综合仿真实验系统 211
8.1.1 离线仿真系统 211
8.1.2 实时仿真系统 214
8.1.3 实验系统 216
8.1.4 案例分析 221
8.2 再生制动能量利用系统分析评估软件 224
8.2.1 软件需求 225
8.2.2 软件架构 226
8.2.3 软件应用 227
8.2.4 案例分析 229
8.3 本章小结 237
参考文献 237
第9章 再生制动能量利用系统工程应用 238
9.1 工程应用方案 238
9.1.1 技术方案 239
9.1.2 保护方案 242
9.1.3 监控方案 243
9.2 工程应用案例 243
9.2.1 牵引变电所案例 243
9.2.2 分区所案例 250
9.3 本章小结 259
参考文献 259