同相供电装置可靠性评估及改善措施研究

摘要

我国电气化铁路普遍采用工频单相交流制，造成了以负序为主的电能质量问题和过分相问题，严重制约了电气化铁路的发展。当前基于对称补偿理论的同相供电技术是解决上述问题的较理想方案。同相供电装置作为同相供电系统的核心组件，对其进行可靠性分析并提出改善措施对同相供电系统的安全运行至关重要。 本文首先分析同相供电装置功率模块的拓扑结构和工作特性，计及实际牵引负荷随机性和冲击性对功率元件结温波动的影响，采用功率损耗以及热网络模型计算了功率元件结温，基于雨流算法对结温过程进行处理，得到每个热循环周期的平均结温幅值和结温波动幅值，结合Coffin-Manson元件失效模型和线性疲劳损伤累积模型，计算了功率模块中 IGBT 模块的失效率。此外，基于电子设备可靠性预计手册提供的可靠性模型和相关参数，计算了直流支撑电容器、串联电抗器以及控制底板等部件的失效率，从而构建了整个装置的可靠性模型。 其次，研究了运行过程中功率模块级联模块数的变化对元件失效率的影响，建立了同相供电装置 k/n(G)动态可靠性评估模型，以中南通道沙峪牵引变电所的同相供电装置级联拓扑结构为例，基于实测牵引负荷数据，分析了同相供电装置的动态可靠性。以可靠性要求为约束，研究了功率模块级冗余、单元装置级冗余对同相供电装置可靠性的影响，确定了最佳冗余方案。 最后，研究了牵引负荷特性以及装置设计参数对同相供电装置可靠性的影响，包含功率因数、散热热阻和开关频率等，特别提出了采用变频控制策略提高同相供电装置可靠性的措施。以功率模块失效率最低为优化目标，以电流切换点和切换频率为优化变量，采用改进的粒子群优化算法，得出最佳的变频控制策略，大幅度降低了功率模块失效率，为同相供电系统的工程设计和运行维护提供了重要依据。

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