电气化铁路谐波特性及无功补偿方法研究

摘要

近年来我国电气化铁路发展进程势头迅猛，电力机车已成为局域电网和公网的主要谐波源之一。电气化铁路牵引供电网中运行的电力机车类型既有常规的交直型电力机车，也有优势明显的交直交型新兴电力机车，但目前针对同一牵引供电系统不同机车类型混合运行,不同运行调度方式下，各类型机车谐波相互影响机理及其谐波分布规律的变化等方面研究较少，而这一现象在我国实际铁路运行调度中普遍存在。因此针对我国电气化铁路这一现状，深入分析交直型机车和交直交型机车混合运行工况的谐波特性，并研究对供电网影响及补偿方法十分重要。
　　针对机车调度中交直型和交直交型机车单独运行以及两种类型机车在同一牵引变上混合运行等复杂工况对网侧电能质量影响严重问题，论文围绕电气化铁路牵引供电系统中典型的交直型（SS4型）电力机车和交直交型（HXD3型）电力机车的整车建模研究展开，分析了交直型SS4电力机车整流电路原理，通过主电路及控制方式，从理论上研究了谐波产生机理，基于MATLAB平台搭建出机车牵引整流器的仿真模型，通过仿真实验定量分析其电流谐波分布特征；研究了交直交型HXD3型机车车载两电平四象限整流器主电路原理及PWM控制方式，从理论上分析该型机车谐波产生机理，研究HXD3型机车三相电压型逆变器主电路、空间矢量脉宽调制方式（SVPWM）及牵引电机矢量控制原理，搭建HXD3电力机车整体仿真模型，针对牵引工况和再生制动工况进行仿真分析，从而定量分析不同典型工况的特征谐波特点；介绍了电力机车牵引负荷的电流谐波叠加理论，分析交直流机车混合运行不同工况下网侧电流谐波含有量，并进行理论分析；根据机车调度中的实际工况，搭建同一牵引变两个供电臂不同类型机车混合运行模型，文中搭建了三种典型工况模型：同一牵引变电站中，两台交直型机车同时运行，两台交直交型机车同时运行，交直型和交直交型机车同时运行，分析不同典型工况下网侧电流谐波次数、谐波含有量和总电流畸变率，得出牵引供电系统网侧不同典型工况下的谐波特性，为分析各种复杂工况下谐波在牵引供电系统中的传播规律以及对电气化铁路电能质量治理提供有效的基础数据支撑。
　　由于电气化铁路牵引负荷的非线性、波动频繁等特性，导致接入局域电网的电压波动较大，对电网安全运行的影响不容忽视。针对电铁接入的电力系统进行动态无功优化可有效提高电网系统电压质量、保证系统稳定性。电力系统无功优化具有多目标、多约束条件、多控制变量、连续变量和离散变量混合等特点，常规算法在处理该问题的时候往往局限性较大，在综合考虑牵引供电系统各时段负荷变化形态和离散调节设备动作次数约束后，计及电铁负荷变化的动态无功优化将为电气化铁路接入的电力生产运行提供理论支撑。本文在对牵引供电系统电铁负荷进行分时段处理的基础上，利用内点法和免疫-混沌算法相结合的混合优化策略，进行动态无功优化的求解，算例显示该方法可以使两者的优化结果互为基础、相互利用，保证了混合优化策略的整体寻优效率，综合考虑负荷变化与电铁接入的影响，有效地解决电气化铁路接入后的电网动态无功优化问题。

目录

1 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 电力机车谐波特性及对电网影响研究现状

1.3 牵引供电网无功优化问题

1.4 论文主要研究内容

2 交直型SS4型电力机车建模及谐波分析

2.1 引言

2.2 SS4型电力机车原理

2.3 SS4型电力机车仿真模型

2.4 机车网侧电压及电流谐波特性仿真分析

2.5 本章小结

3 交直交型HXD3型电力机车建模及谐波分析

3.1 引言

3.2 HXD3电力机车牵引传动系统

3.3 HXD3车载牵引整流器模型

3.4 HXD3电力机车牵引逆变器工作原理

3.5 HXD3电力机车牵引电机控制模型

3.6 HXD3电力机车整体仿真模型

3.7 机车网侧电流谐波特性分析

3.8 本章小结

4 交直流混合运行牵引供电网谐波特性分析

4.1 引言

4.2 两种类型机车的谐波特点

4.3 牵引负荷谐波的叠加理论

4.4 交直流混合运行牵引供电系统模型

4.5 本章小结

5 考虑电铁影响的牵引供电网无功优化

5.1 引言

5.2 动态无功优化模型

5.3 混合优化算法

5.4 电铁负荷分时段简化方法

5.5 算例分析

5.6本章小结

6 总结与展望

6.1总结

6.2展望

致谢

参考文献

硕士研究生期间发表的论文