基于V/v牵引变压器的高速铁路电能质量综合补偿系统研究

摘要

高速电气化铁路由于其特有的供电模式和复杂的电力机车运行工况，导致牵引供电系统负序、谐波、电压波动等严重的电能质量问题。负序、谐波与电压波动等电能质量问题不仅增加电能的损耗，降低能源的利用效率，同时危害电力设备的正常运行，甚至引发电力事故，致使区域性停电、设备损坏，造成国民经济的严重损失。
　　本文首先针对高速电气化铁路交直交型电力机车的牵引负荷特性进行了分析，详细研究了交直交型电力机车的工作原理、运行特性，以及机车简单运行带来的电能质量问题，包括各种牵引变压器下负序电流产生的机理，电网电流的不平衡度、谐波以及电压波动情况，为下文高速铁路综合补偿系统进行电能质量治理提供了基础。
　　高速铁路电能质量综合补偿系统的拓扑结构从根本上决定了电能质量的治理方案，是高速铁路电能质量治理分析和研究的前提。为达到较好的治理效果，本文在认真分析国内外目前铁路各种治理方案的基础上，提出了由铁路功率调节器(RPC)与晶闸管控制电抗器(TCR)以及晶闸管投切电容器(TSC)构成的高速铁路电能质量综合补偿系统，分析其补偿原理，制定相应的补偿策略，建立了电气等效模型，探讨其控制策略，最后进行了仿真并搭建了1/100容量样机进行验证。结果表明，该综合补偿系统具备良好的负序和谐波治理效果，改善了牵引供电系统的电能质量，牵引网的电压波动也较小。
　　高速铁路电能质量综合补偿系统的治理效果与其控制策略有很大关系，寻求一种简单、有效的控制方法是本文的另一个研究重点，本文采用了直流侧电压外环与交流侧电流内环双闭环控制的控制方案。对于直流侧电压的控制，其核心是保证直流侧储能电容吸收和释放的电能相等，考虑直流侧电压波动，采取一种参数动态调整的PI控制方法将直流侧电压波动量转换为有功电流信号叠加入电流内环中，进行动态补偿。在实际工程应用中，对于交流信号跟踪效果较好的控制策略主要有滞环控制策略和无差拍控制策略，本文分别采用这两种控制策略进行了仿真分析，并对比了其控制效果。在进行实验验证时，由于无差拍控制策略在载波频率较低时，仍有良好的治理效果，在工程实验时，优先选择了无差拍控制策略。

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附表索引

第1章 绪 论

1.1 高速电气化铁路电能质量问题对供电系统的危害

1.1.1 负序危害

1.1.2 谐波危害

1.2 国外高速铁路电能质量治理概况

1.3 国内高速铁路电能质量治理概况

1.4 课题来源及本文研究内容

第2章 高速铁路牵引负荷特性及其电能质量问题分析

2.1 高速电气化铁路牵引供电系统

2.2 高速电气化铁路的负荷特性

2.2.1 交直交型电力机车工作原理

2.2.2 牵引供电系统的负序分析

2.2.3 高速电气化铁路牵引供电系统谐波分析

2.2.4 牵引供电系统牵引网电压水平的分析

2.3 本章小结

第3章 高速电气化铁路电能质量综合补偿系统

3.1 综合补偿系统应用于高速电气化铁路电能质量的合理性

3.2 综合补偿系统的工作原理

3.2.1 负序补偿原理

3.2.2 无功分配策略

3.3 负序与谐波补偿电流检测方法

3.3.1 常规检测方法

3.3.2 负载电流检测及无功分配

3.4 RPC的控制策略

3.4.1 RPC的电气模型

3.4.2 电压外环闭环控制策略

3.4.3 电流内环闭环控制策略

3.5 仿真实验

3.6 本章小结

第4章 实验样机研制

4.1 系统总体结构设计

4.2 控制平台硬件设计

4.2.1 数字控制系统

4.2.2 全控型IGBT模块

4.2.3 驱动模块及保护模块

4.2.4 过零捕捉电路和信号采集电路设计

4.3 控制平台软件设计

4.3.1 主程序结构设计

4.3.2 系统保护子程序

4.3.3 暂态控制子程序

4.3.4 稳态控制子程序

4.3.5 中断服务程序

4.4 实验验证

4.5 本章小结

总结和展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间主要研究成果