基于电力电子变压器的车网耦合系统谐波谐振分析

摘要

我国高速铁路营运里程已达3.5万千米，居世界首位。工频变压器是现有高速列车的关键设备之一，但其存在体积大、质量重及效率低等缺点。而电力电子变压器由于工作频率较高从而减少了自身的体积与重量，同时其还具有能量双向传输、改善谐波、环保清洁等优势，所以采用电力电子变压器是今后列车朝着轻量化、高速化发展的必然趋势。然而采用电力电子变压器列车中大量开关器件变流环节产生的高次谐波会传递至牵引网依然会使车网耦合系统产生谐波谐振，因此本文以电力电子变压器列车为研究对象，通过理论分析和建模仿真结合的方法对其引起的车网耦合谐振现象开展研究：　　首先，针对牵引变电所中V/x变压器特性及其结构搭建了变电所模型，并对我国高铁采用全并联复线AT供电方式的牵引网结构建立了以1km为单位的多导体传输线链式网络模型，同时为解决传输线数目多且结构复杂的问题将其等效化简为6导体模型，并利用Carson定理和静电场镜像法详细计算了6导体的电气参数。最后在PSCAD/EMTDC中搭建了牵引供电系统模型并根据仿真结果说明了所建模型能够反映实际牵引供电系统的情况。　　其次，针对级联型电力电子变压器列车的拓扑结构进行分析，建立其输入级和隔离级模型，分析了输入级的调制策略和控制方法并推导出载波移相SPWM策略下输入级H桥整流器交流侧合成电压的谐波分布规律。最后研究了解决电力电子变压器列车各子模块电压不均衡问题的均压控制方案，并在PSCAD/EMTDC软件中建立了4模块级联的电力电子变压器列车仿真模型说明了理论模型的可行性和控制方案的有效性。　　最后，针对级联型电力电子变压器列车和牵引网的耦合谐振问题，分析了车网耦合系统谐波谐振机理。在PSCAD/EMTDC软件中建立了车网耦合的仿真模型，得到了不同长度牵引网的等效阻抗幅频特性并由此确定了牵引网谐振频率点。通过仿真研究了4模块级联电力电子变压器列车输入级整流器交流侧合成电压谐波频谱，结合仿真结果说明了车网耦合系统只有在牵引网谐振频率点和列车主要谐波含量一致时才会激发严重的谐波谐振。最后仿真得到了牵引网长度、列车位置以及多列车运行等不同因素对谐波谐振特性影响的结论。

目录

声明

第1 章绪论

1.1 课题背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 牵引供电系统建模研究

1.2.2 电力电子变压器研究现状

1.2.3 车网耦合系统谐波谐振问题

1.3 论文主要研究内容

1.4 论文组织结构

第2 章 牵引供电系统模型研究及建立

2.1 电磁暂态仿真平台 PSCAD/EMTDC简介

2.2 牵引变电所 PSCAD模型建立

2.3 牵引网 PSCAD模型建立

2.3.1 牵引网 AT供电方式

2.3.2 牵引网链式网络模型

2.3.3 牵引网多导体传输线模型简化

2.3.4 牵引网电气参数计算

2.3.5 牵引网仿真模型

2.4 牵引供电系统整体模型验证

2.5 本章小结

第3 章级联型电力电子变压器列车建模分析

3.1 级联型电力电子变压器列车拓扑结构

3.2 输入级调制策略研究

3.2.1 载波移相 SPWM调制策略原理

3.2.2 混合脉宽调制策略原理

3.3 载波移相 SPWM输出电压谐波分析

3.4 输入级整体控制策略

3.5 输入级均压方案研究

3.5.1 调节移相角均压方案

3.5.2 自平衡变压器均压方案

3.6 级联型电力电子变压器列车仿真模型验证

3.7 本章小结

第4 章车网耦合系统谐波谐振特性仿真研究

4.1 谐波谐振机理分析

4.1.1 串联谐振机理

4.1.2 并联谐振机理

4.1.3 并联谐波谐振特性分析

4.2 牵引网并联谐波谐振频率点

4.3 级联型电力电子变压器列车电压谐波分布

4.4 牵引网与列车耦合系统谐波谐振仿真分析

4.4.1 牵引网长度对谐振特性影响

4.4.2 列车位置对谐振特性影响

4.4.3 多列车运行对谐振特性影响

4.5 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

附 录

攻读硕士学位期间参与项目