列车辅助系统不断电技术研究

摘要

辅助系统是列车运行不可或缺的一部分，为牵引控制系统、牵引冷却系统、制动空气压缩机系统以及照明、空调、网络等众多设备提供电源。在列车过分相区时，牵引变压器辅助绕组供电的辅助系统通常会随主断路器的断开而断电，而车上的蓄电池组仅能维持列车关键用电设备的短时电能供应。本文对列车过分相区时辅助系统不断电技术展开研究，主要有以下内容:
　　目前，牵引变压器辅助绕组供电的辅助系统不能实现列车过分相区时不间断供电，本文分析了前人提出的技术方案试验失败的原因，研究了这种结构的辅助系统不断电技术面临的主要问题。牵引变压器辅助绕组供电的辅助系统不断电技术方案中，牵引变压器作为能量耦合传递的媒介，其各绕组间耦合程度直接影响牵引绕组向辅助绕组能量耦合传递的效率，本文对牵引变压器各绕组间的耦合关系进行了试验测量，给出了牵引变压器阻抗电压矩阵，揭示了牵引变压器各绕组之间的耦合关系，特别是二次牵引绕组与三次辅助绕组之间的耦合关系。研究了交直交型辅助系统在中性区时获得能量的路径，指出实现交直交型辅助系统不断电技术的关键在于牵引系统和辅助系统控制策略的调整及协调配合，据此提出了一种列车过分相区辅助系统不断电技术方案。该方案通过牵引四象限整流器和辅助四象限整流器控制策略的调整及微小的硬件改动即可实现辅助系统不断电，还能确保列车进出分相区时不发生过电压和过电流现象。对该技术方案进行了详细的原理分析、仿真验证和试验验证，仿真和试验结果均验证了所提出的技术方案的有效性和可靠性，目前该技术已成功应用于一款新型快速客运电力机车上。
　　四象限整流器的控制技术是列车辅助系统不断电技术方案中的核心技术，结合辅助系统不断电技术方案的要求，本文研究了四象限整流器的多种控制技术。提出了一种适用于四象限整流器的同步旋转坐标系比例积分电流调节器（SRFPI），既能保证电流调节器在基频处优异的无静差跟踪性能，还能拓宽其在基频附近的带宽。针对我国电网国标中规定的频率波动范围，提出了一种四象限整流器电流调节器无静差跟踪性能的评价标准。基于此评价标准对SRFPI电流调节器、比例谐振电流调节器和准比例谐振电流调节器的控制性能进行了对比，得出SRFPI电流调节器具有比另外两种电流调节器更加优异的无静差跟踪性能。
　　列车辅助系统不断电技术方案中，辅助系统的平稳工作是控制目标之一。本文提出了一种四象限整流器准直接功率控制策略，实现了网侧有功与无功功率的独立、准确控制。通过引入网侧电压的幅值闭环，使网压扰动及时被电流内环SRFPI调节器所稀释，提高了四象限整流器中间直流电压抗网压扰动的性能，确保辅助系统的平稳工作。
　　列车带电过分相技术虽然目前应用的不多，但该技术是未来列车过分相技术发展的一种趋势。基于电子开关的地面自动过分相方案可将列车过中性区时失电时间缩短至50ms左右，但在这段失电时间内仍会造成辅助系统断电。首先，本文提出了一种新型的基于电子开关的地面自动过分相方案，采用“变压器+电子开关”的电路拓扑。该方案可以减少电子开关中串联的晶闸管数目，降低了串联晶闸管阀组的均压设计和触发设计的难度;并对晶闸管串联阀组的触发进行了设计，保证了触发信号的可靠性和同步性。其次，本文对基于电子开关的地面自动过分相方案中中性区失电时间进行了研究，分析了在失电时间内列车四象限整流器的工作情况，指出四象限整流器桥臂电压在失电时间内会反加至牵引变压器上，从而导致其磁通饱和，据此提出了供电死区时间的设计思路。最后，对基于电子开关地面自动过分相装置供电死区时间内交直交型辅助系统不断电技术进行研究，指出本文提出的辅助系统不断电技术方案在这段失电时间内同样可确保辅助系统不断电工作。

目录

声明

致谢

摘要

1．1．1 论文研究的背景

1．1．2 论文研究的意义

1．2 列车辅助系统概述

1．2．1 牵引变压器辅助绕组供电的辅助系统

1．2．2 牵引变流器直流侧供电的辅助系统

1．2．3 两种结构辅助系统对比分析

1．3 牵引变压器辅助绕组供电的辅助系统不断电技术研究现状

1．3．1 接触网中性区不馈电时辅助系统不断电供电方案

1．3．2 接触网中性区不馈电时辅助系统不断电方案面临的主要问题

1．3．3 接触网中性区馈电时辅助系统不断电供电方案

1．3．4 接触网中性区馈电时辅助系统不断电方案面临的主要问题

1．4 本文研究内容

2 列车过分相区辅助系统不断电技术原理分析

2．1 引言

2．2 交直交型辅助系统的电力机车主电路拓扑分析

2．3 列车过分相区时序逻辑分析

2．4 辅助系统不断电技术列车工作模式分析研究

2．4．1 动态过程1：牵引变压器原边电流控制动态过程

2．4．2 动态过程2：主断路器断开动态过程

2．4．3 动态过程3：牵引／辅助四象限整流器同步相位调整动态过程

2．4．4 动态过程4：主断路器闭合动态过程

2．5 列车工作模式动态切换过程小结

2．6 本章小结

3．1 引言

3．2 列车过分相区辅助系统不断电技术主要问题分析

3．3 列车牵引变压器绕组耦合分析

3．4 列车辅助系统不断电关键技术

3．4．1 牵引变压器原边电流控制技术

3．4．2 牵引变压器原边电压控制技术

3．4．3 四象限整流器同步相位调整控制技术

3．4．4 列车电路结构硬件改造技术

3．5 列车进出分相区过电压过电流抑制分析

3．5．1 列车进出分相区过电压抑制

3．5．2 列车进出分相区过电流抑制

3．6 仿真与试验验证

3．6．1 仿真验证

3．6．2 实验室小功率试验平台验证

3．6．3 地面大功率试验验证

3．6．4 实车试验验证

3．7 本章小结

4 列车辅助系统不断电的四象限整流器控制策略研究

4．1 引言

4．2 四象限整流器基本工作原理

4．3 四象限整流器复矢量数学模型

4．4 同步旋转坐标系下四象限整流器电流环设计与分析

4．4．1 基于全通滤波器的正交信号生成方法

4．4．2 同步旋转坐标系PI电流调节器性能分析

4．4．3 与比例谐振电流调节器和准比例谐振电流调节器的比较

4．5 四象限整流器电压外环设计与分析

4．6 四象限整流器新型控制策略

4．7 牵引网网压波动的抑制

4．7．1 牵引网网压跳变工况

4．7．2 牵引网网压低频振荡工况

4．7．3 仿真与试验验证

4．8 本章小结

5 接触网中性区馈电时辅助系统不断电技术研究

5．1 引言

5．2 新型地面自动过分相方案

5．2．1 传统地面自动过分相方案介绍

5．2．2 新型地面自动过分相方案介绍及原理分析

5．2．3 仿真与试验验证

5．3 新型地面自动过分相方案关键技术分析

5．3．1 电子开关设计

5．3．2 供电死区时间分析

5．4 列车带电过分相失电时间内辅助系统不断电技术研究

5．4．1 原理分析

5．4．2 仿真验证

5．5 本章小结

6 结论

6．1 主要研究成果总结

6．2 下一步研究展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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