铁路牵引供电系统谐波谐振分析及抑制方法研究

摘要

随着交直交电力传动机车在电气化铁道中的大量使用，牵引供电系统中的谐波特征发生了变化，除了含有3、5、7、9次等低频谐波，高频谐波含量也非常丰富。研究表明，牵引供电系统参数在特定条件下时，可导致相应次数的谐波发生谐振，引起的过电压和过电流危害牵引网设备，影响牵引网的稳定性和安全性。由于系统谐振导致牵引变电所谐波电流严重放大，致使母线电压升高造成事故的案例已有发生。本文对牵引供电系统谐波源、谐波传输特性进行分析，并研究了谐波谐振抑制方法。
　　首先从牵引供电系统的谐波源上入手，对交直交电力传动机车网侧变流器的工作原理和谐波特征进行了研究和分析。从理论推导其低次谐波来源，利用双重傅里叶函数分析对变流器网侧PWM波的高频成分，并使用Matlab仿真软件搭建了变流器模型，验证谐波分析理论的正确性。
　　其次，对谐波传输路径进行研究，分析牵引供电系统谐波传输特性。在既有研究基础上将牵引网传输线模型进行降阶处理，得到牵引供电系统等值电路模型，利用电路KCL、KVL定理和均匀传输线理论分析牵引供电系统的谐波传输特性，最终得到牵引供电系统的谐振频率和谐波电流增益。
　　再次，针对在机车牵引变压器辅助绕组上加装无源滤波器的谐波抑制方法，提出了无源滤波器的新型设计方法。研究单调谐滤波器、高通滤波器和双调谐滤波器的工作原理和特性，分析每种滤波器元件参数对滤波器性能的影响，得到滤波器的综合选型方案。
　　最后，搭建车-网联合仿真模型验证牵引供电系统的谐波传输特性和无源滤波器设计方法。运用模型分析车-网联合系统的谐波谐振特性，然后分析单调谐滤波器、高通滤波器和双调谐滤波器的谐波抑制效果，验证谐波传输特性的正确性和机车用无源滤波器设计方法的合理性。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 铁路牵引供电系统谐波与谐振

1．1．1 谐波危害

1．1．2 谐振危害

1．2 国内外谐波与谐振研究现状

1．3 本文主要工作

2 铁路牵引供电系统谐波源分析与仿真

2．1 交直电力传动机车和交直交电力传动机车

2．1．1 交直电力传动机车

2．1．2 交直交电力传动机车

2．2 交直交电力传动机车网侧谐波分析

2．2．1 网侧变流器的工作原理

2．2．2 网侧变流器的主电路结构和控制方法

2．2．3 网侧变流器的网侧谐波分析

2．3 交直交电力传动机车网侧变流器仿真分析

2．3．1 低次谐波仿真

2．3．2 高次谐波仿真

2．4 本章小结

3 铁路牵引供电系统及其谐波传输特性

3．1 牵引供电系统主要结构

3．1．1 牵引系统的供电方式

3．1．2 AT式牵引网供电方式

3．2 牵引供电系统等值电路模型

3．2．1 牵引网的合并化简

3．2．2 牵引网等值电路模型

3．3 牵引供电系统谐波传输特性分析

3．3．1 牵引供电系统谐波传输特性理论分析

3．3．2 牵引供电系统谐波传输特性仿真分析

3．4 本章小结

4 铁路牵引供电系统谐波谐振抑制方法研究

4．1 地面处加装滤波装置

4．1．1 无源电力滤波器

4．1．2 有源电力滤波器

4．2 机车上加装滤波装置

4．3 用于机车上的无源滤波器分析与设计

4．3．1 无源滤波器设计思路

4．3．2 单调谐滤波器

4．3．3 高通滤波器

4．3．4 双调谐滤波器

4．4 本章小结

5 车-网联合仿真模型和抑制方案验证

5．1 车-网联合仿真模型

5．1．1 牵引变电所模型

5．1．2 牵引网线路模型

5．1．3 车-网联合仿真模型

5．2 车-网联合谐波抑制仿真

5．2．1 牵引网谐波传输特性仿真

5．2．2 无源滤波器谐波抑制仿真

5．3 本章小结

6 结论

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间的主要研究成果

攻读硕士期间发表论文

学位论文数据集