再生制动工况下高速铁路牵引供电系统电能质量分析

摘要

高速动车组作为大功率、单相整流负荷，具有冲击性、不对称和非线性的特点，其快速移动性致使牵引负荷对电力系统的影响波及面广，容易引发电能质量投诉和供电故障。高速铁路建设的首要目标是保证其安全、可靠的运行。实际上，高速动车组运行速度快、重量大、功率高，其制动时需要的制动力以及由制动产生的能量也远大于普通列车，从而要求高速动车组具有良好的制动性能。从能量转换的角度而言，再生制动技术既可提供高速动车组制动所需要的制动力，又可使高速动车组在再生制动状态时作为发电单元将电能送回牵引供电系统，这一过程恰与牵引状态相反。针对目前电气化铁路牵引供电系统的设计，再生制动功能对牵引供电系统设计的影响主要包括电流计算、变压器容量的选择、接触导线截面的选择、供电臂电压损失计算、对电力系统的影响等几个方面，这对牵引供电系统的设计提出了更高的要求。因此，分析研究高速动车组在再生制动状态下对牵引供电系统的电能质量造成什么样的影响，对于解决高速铁路的电压波动、负序问题、谐波影响等牵引供电质量问题具有重要的意义。
　　论文首先介绍了高速铁路牵引供电系统结构及供电方式。在此基础上，建立了外部电源的三相诺顿模型、牵引变压器和自耦变压器等效模型、牵引网多导体传输线路链式电路模型及高速动车组感应电动机并联静态负荷的数学模型。同时，分析了高速列车再生制动理论，可知再生制动主要是利用电力牵引设备来达到制动的目的，并将制动过程中回收的能量进行储存或送回电网以便再次使用。通过仿真可见，高速动车组在牵引工况和再生制动工况时电流相位相反，表明高速动车组再生制动工况是牵引工况的反过程，两种工况下牵引供电系统中的能量流动正好相反。
　　为了分析研究再生制动工况时能量通过牵引变压器进入系统可能造成的牵引网电压升高问题，论文基于高速铁路牵引供电系统结构，以变电所、AT（自耦变压器）所、开闭所、分区所和机车位置等为切面分割全并联AT牵引网，建立牵引供电系统模型;视动车组为恒功率负荷，研究基于“高速动车组—牵引网”耦合的牵引网潮流计算方法。对不同工况的算例计算分析结果表明:给出的牵引网潮流计算方法具有快速收敛和高精度的特点，可用于分析高速动车组运行于不同工况时牵引网的供电电能质量;高速动车组运行于再生制动工况时，其所在牵引网位置处的接触线电压升高，而正馈线电压受影响较小;钢轨电压与AT中点抽头的接地电阻和动车组运行功率成正比例关系;当牵引网中一部分动车组运行于牵引工况，而另一部分动车组运行于再生制动工况，即牵引和再生制动工况同时存在时，运行于再生制动工况动车组产生的电能首先提供给同一供电臂内运行于牵引工况的动车组，剩余能量储存于牵引变电所或反馈至电网。
　　在建立牵引网和CRH2型动车组谐波模型的基础上，提出了一种基波潮流与谐波潮流交替计算的谐波潮流计算方法。分别通过对单列动车组和两列动车组运行时牵引网的谐波潮流计算分析表明，该计算方法充分考虑了高速铁路牵引网与动车组之间的电气耦合关系，即谐波电压与谐波电流之间的影响，对于高速铁路牵引供电系统的谐波潮流计算更为准确，适用于单个谐波源、多个谐波源以及含有背景谐波时高铁牵引供电系的谐波潮流计算;该算法既可用来分析高速铁路牵引网的谐波潮流，又可以较为精确地反映牵引网的谐波谐振现象。此外，通过对高速动车组运行于牵引工况和再生制动工况时牵引供电系统中谐波特性及其传输情况的仿真分析和实测数据分析表明，高速动车组运行于再生制动工况时会在牵引供电系统中引起更大的谐波畸变，但谐波的放大趋势与动车组的运行工况无关;当动车组的位置不变时，不论其运行于牵引工况还是再生制动工况，牵引网中谐波放大趋势基本相同;当某次谐波的频率与牵引网的结构相匹配时会导致谐波谐振现象的出现。
　　为了研究高速动车组作为大功率单相非线性负荷引起的电力系统三相电流不平衡问题，通过对V/v接线牵引变压器负序电流的理论分析，结合随机过程理论，建立了牵引变电所负荷和负序电流的概率模型，并进行了仿真分析和实测数据验证，得出了V/v接线方式高速铁路牵引变电所的负序电流与功率因数的影响关系以及电流不平衡度的主要分布情况。结果表明，该牵引变电所负荷和负序电流概率模型，具有较强的适应性和适用性，能够比较真实地模拟高速铁路的运行特性和负序电流分布情况。
　　总而言之，论文在广泛阅读和研究国内外有关电能质量的理论及应用文献，特别是电气化铁路和高速铁路电能质量研究报道的基础上，将高速动车组再生制动工况时牵引供电系统的电能质量作为主要研究对象，通过建立高速铁路牵引供电系统和高速动车组的数学分析模型，分析研究了考虑再生制动工况的高速铁路牵引供电系统潮流计算方法，高速动车组再生制动工况下的谐波产生机理及其传输、渗透特性，以及高速动车组在不同工况时所引起的负序问题。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究现状分析

1．2．1 高速铁路牵引供电系统供电质量问题研究现状

1．2．2 高速铁路牵引供电网与高速动车组数学建模研究现状

1．2．3 高速动车组再生制动技术应用现状

1．2．4 高速动车组再生制动时电压抬升、谐波及负序问题的研究现状

1．3 研究目标和内容

1．3．1 研究对象与目标

1．3．2 主要研究内容

1．4 论文章节安排

第2章 高速铁路牵引供电系统及其数学建模

2．1 引言

2．2 高速铁路牵引供电系统结构及供电方式

2．3 高速铁路牵引供电系统数学模型

2．3．1 外部电源

2．3．2 牵引变电所

2．3．3 牵引变压器

2．3．4 自耦变压器

2．3．5 牵引网

2．3．6 高速动车组

2．4 高速动车组再生制动原理

2．4．1 PWM整流器

2．4．2 中间直流环节

2．4．3 逆变器

2．5 小结

第3章 考虑再生制动工况的牵引供电系统潮流计算

3．1 引言

3．2 再生制动对牵引供电系统电压的影响

3．3 考虑再生制动工况的牵引网潮流计算

3．3．1 牵引网潮流计算方法

3．3．2 算法性能分析

3．3．3 算例分析

3．4 结论

第4章 再生制动工况下牵引供电系统谐波特性分析

4．1 引言

4．2 交直交机车的谐波

4．2．1 交直交机车的基本原理

4．2．2 影响交直交机车谐波的因素

4．3 动车组再生制动谐波产生机制

4．3．1 动车组谐波模型

4．3．2 动车组谐波特性分析

4．3．3 高速动车组再生制动工况谐波分析

4．4 牵引供电系统谐波潮流计算

4．4．1 谐波潮流计算方法

4．4．2 谐波潮流计算流程

4．4．3 算例分析

4．5 牵引供电系统谐波传输特性仿真与分析

4．5．1 谐波传输特性仿真

4．5．2 谐波传输特性分析

4．6 实测数据分析

4．6．1 牵引变电所背景谐波

4．6．2 再生制动工况时谐波特性

4．7 结论

第5章 再生制动工况下牵引供电系统负序分析

5．1 引言

5．2 负序理论计算

5．3 再生制动状态下负序分析

5．3．1 单相负荷负序分析

5．3．2 两相(异相)负荷负序分析

5．4 高速铁路牵引变电所负序电流概率模型及仿真分析

5．4．1 V／v接线牵引变压器负序分析

5．4．2 牵引变电所负荷概率模型

5．4．3 牵引变电所负序电流概率模型

5．4．4 仿真分析

5．4．5 实测数据验证

5．5 结论

总结与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文及科研成果