高性價比電氣化鐵道電能質量控制系統理論與應用研究.pdf

1、本文圍繞負序、無功、諧波和牽引網電壓波動等電氣化鐵道電力系統的主要電能質量問題，就如何將現代電力電子技術與牽引供電系統相融合，改善電能質量，并提高系統的性價比展開了一系列理論與應用研究。本論文的研究具有重大理論意義與工程使用價值，并具有十分廣闊的工程應用前景。
　　本論文結合國家自然科學基金項目“高速電氣化鐵路新型潮流控制系統及其最佳容量配置研究(51477046)”（主研），“基于新型變壓器的電氣化鐵道負序和諧波統一治理的理論與

2、方法研究(51077044)”（主研）;湖南省自然科學基金重點項目“具有負序和諧波抑制功能的組合式牽引變壓器及其關鍵技術研究(12JJ2034)”（主研）;湖南省研究生科研創(chuàng)新項目“LC耦合型電氣化鐵道電能質量綜合控制系統研究(CX2014B131)”（主持）以及湖南省重大專項“諧波與負序治理新技術研究(5126A014007V)”（主研）開展了大量研究工作。本論文完成的主要研究工作包括以下幾個方面。
　　(1)對我國電鐵供電系統

3、電能質量問題的表現形式及成因進行了論述。較為全面地給出了在我國使用較多的牽引變壓器的接線形式和性能特點。系統分析了國內外具有實用價值和市場前景的電氣化鐵道電能質量控制系統的運行原理、性能特點和應用場合。
　　(2)結合大量實測數據給出了電氣化鐵道電力系統主要電能質量問題的特征和表現形式。結合工程實例，詳細給出了電鐵供電系統主要電能質量指標的分析和考核方法。此外，文中還提供了某些測試的實用方法。
　　(3)以多功能平衡變壓器為

4、研究對象，首創(chuàng)了“繞組式補償”思想。以此思路為基礎，對基于多功能平衡變壓器的“純”補償系統和“混合型”補償系統（已申請國家發(fā)明專利）的補償原理、電壓擾動現象、數學模型、諧振特性和控制方法等進行了深入、系統研究，獲得了這兩類系統獨特的運行機理和設計時應注意的事項。此外，本論文所用之方法具有通用性，同樣的分析思路可用于星形-三角形平衡變壓器、Y/＞/▽接線平衡變壓器和YN/＞/-V接線平衡變壓器等二次側具有三相端口的牽引變壓器?！袄@組式補償

5、思想”深入挖掘了多功能平衡變二次側三相端口的潛力，在無需輔助降壓變壓器的前提下成功將主變和電力電子系統融合在了一起，顯著提高了系統的集成度，大幅降低了電鐵補償系統的安裝難度、占地空間和成本（在使用平衡變的前提下）。該方法為電鐵供電系統電能質量的控制提供了一種嶄新的技術方案。
　　(4)針對目前工業(yè)應用價值已初露端倪的同相供電系統，本文首創(chuàng)了一種采用LC耦合支路的混合型鐵路功率調節(jié)器（已申請國家發(fā)明專利）。該系統將傳統鐵路功率調節(jié)器

6、(Railway Static Power Conditioner，RPC)電感耦合支路替換成LC耦合支路，變流器的端口電壓、直流側電壓和設計容量可降低約30％～40％。變流器運行效率、可靠性和性價比得到大幅提高。本論文的最大貢獻是，成功解決了負荷隨機波動情況下（這里包括負荷電流和功率因數的波動）LC耦合支路的設計問題以及變流器直流電壓的選取問題。研究發(fā)現，所提之系統尤其適用于重載且負荷分布較為集中的貨運專線（這里直流機車較多）。

7、>　　(5)針對兆瓦級RPC，本論文首次系統而十分深入地討論了主變?yōu)閂/v變和平衡變時RPC的數學模型、控制系統分析方法和設計要點、以及變流器主電路核心參數設計原理。所論之方法均通過實例得到驗證。這些內容具有十分重大的理論和工業(yè)實用價值。
　　(6)設計并開發(fā)出一套主變?yōu)閂/v變壓器的2×5kW級小功率RPC原理驗證系統。給出了系統的參數和控制、調試要點。在該原理驗證系統上開展了大量實驗研究，并獲得相關實驗數據。實驗結果驗證了所用

8、控制方法的正確性和RPC對V/v接線變壓器電能質量進行控制的可行性。
　　(7)本論文給出了主變?yōu)閂/v牽引變壓器的兆瓦級電氣化鐵道電能質量綜合控制系統（國內首創(chuàng)）的工程設計方案。通過跟蹤測試、調試，獲得了大量實測數據，詳細分析了該系統投入前后主變一次側負序、無功、諧波，饋線側電壓波動以及經濟效益情況。給出了RPC消除牽引負荷直流分量影響的方法。測試結果顯示，RPC不僅對牽引變壓器一次側的電能質量具有十分顯著的控制作用，同時還對維

9、持牽引網電壓的穩(wěn)定具有明顯效果。故在牽引供電系統中裝設RPC不僅能滿足公共電網對電能質量的要求，對牽引網系統的優(yōu)化運行也大有裨益;此外，該系統對鐵路運營商具有十分明顯的經濟效益，極具推廣價值。
　　高性價比電氣化鐵道電能質量綜合控制系統充分挖掘了牽引變壓器、無源補償設備和現代電力電子裝置的特點，在獲得較好補償效果的同時，顯著降低了系統的成本。既適應了公共電力系統對負序、無功、諧波等主要電能質量指標的苛刻要求，又滿足了鐵路運營商免于