再生制動工況下高速鐵路牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量分析.pdf

1、高速動車組作為大功率、單相整流負荷，具有沖擊性、不對稱和非線性的特點，其快速移動性致使牽引負荷對電力系統(tǒng)的影響波及面廣，容易引發(fā)電能質(zhì)量投訴和供電故障。高速鐵路建設的首要目標是保證其安全、可靠的運行。實際上，高速動車組運行速度快、重量大、功率高，其制動時需要的制動力以及由制動產(chǎn)生的能量也遠大于普通列車，從而要求高速動車組具有良好的制動性能。從能量轉(zhuǎn)換的角度而言，再生制動技術(shù)既可提供高速動車組制動所需要的制動力，又可使高速動車組在再生制動

2、狀態(tài)時作為發(fā)電單元將電能送回牽引供電系統(tǒng)，這一過程恰與牽引狀態(tài)相反。針對目前電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的設計，再生制動功能對牽引供電系統(tǒng)設計的影響主要包括電流計算、變壓器容量的選擇、接觸導線截面的選擇、供電臂電壓損失計算、對電力系統(tǒng)的影響等幾個方面，這對牽引供電系統(tǒng)的設計提出了更高的要求。因此，分析研究高速動車組在再生制動狀態(tài)下對牽引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量造成什么樣的影響，對于解決高速鐵路的電壓波動、負序問題、諧波影響等牽引供電質(zhì)量問題具有重要

3、的意義。
　　論文首先介紹了高速鐵路牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及供電方式。在此基礎上，建立了外部電源的三相諾頓模型、牽引變壓器和自耦變壓器等效模型、牽引網(wǎng)多導體傳輸線路鏈式電路模型及高速動車組感應電動機并聯(lián)靜態(tài)負荷的數(shù)學模型。同時，分析了高速列車再生制動理論，可知再生制動主要是利用電力牽引設備來達到制動的目的，并將制動過程中回收的能量進行儲存或送回電網(wǎng)以便再次使用。通過仿真可見，高速動車組在牽引工況和再生制動工況時電流相位相反，表明高速動車

4、組再生制動工況是牽引工況的反過程，兩種工況下牽引供電系統(tǒng)中的能量流動正好相反。
　　為了分析研究再生制動工況時能量通過牽引變壓器進入系統(tǒng)可能造成的牽引網(wǎng)電壓升高問題，論文基于高速鐵路牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以變電所、AT（自耦變壓器）所、開閉所、分區(qū)所和機車位置等為切面分割全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)，建立牽引供電系統(tǒng)模型;視動車組為恒功率負荷，研究基于“高速動車組—牽引網(wǎng)”耦合的牽引網(wǎng)潮流計算方法。對不同工況的算例計算分析結(jié)果表明:給出的牽引網(wǎng)潮

5、流計算方法具有快速收斂和高精度的特點，可用于分析高速動車組運行于不同工況時牽引網(wǎng)的供電電能質(zhì)量;高速動車組運行于再生制動工況時，其所在牽引網(wǎng)位置處的接觸線電壓升高，而正饋線電壓受影響較小;鋼軌電壓與AT中點抽頭的接地電阻和動車組運行功率成正比例關(guān)系;當牽引網(wǎng)中一部分動車組運行于牽引工況，而另一部分動車組運行于再生制動工況，即牽引和再生制動工況同時存在時，運行于再生制動工況動車組產(chǎn)生的電能首先提供給同一供電臂內(nèi)運行于牽引工況的動車組，剩余

6、能量儲存于牽引變電所或反饋至電網(wǎng)。
　　在建立牽引網(wǎng)和CRH2型動車組諧波模型的基礎上，提出了一種基波潮流與諧波潮流交替計算的諧波潮流計算方法。分別通過對單列動車組和兩列動車組運行時牽引網(wǎng)的諧波潮流計算分析表明，該計算方法充分考慮了高速鐵路牽引網(wǎng)與動車組之間的電氣耦合關(guān)系，即諧波電壓與諧波電流之間的影響，對于高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的諧波潮流計算更為準確，適用于單個諧波源、多個諧波源以及含有背景諧波時高鐵牽引供電系的諧波潮流計算;該算

7、法既可用來分析高速鐵路牽引網(wǎng)的諧波潮流，又可以較為精確地反映牽引網(wǎng)的諧波諧振現(xiàn)象。此外，通過對高速動車組運行于牽引工況和再生制動工況時牽引供電系統(tǒng)中諧波特性及其傳輸情況的仿真分析和實測數(shù)據(jù)分析表明，高速動車組運行于再生制動工況時會在牽引供電系統(tǒng)中引起更大的諧波畸變，但諧波的放大趨勢與動車組的運行工況無關(guān);當動車組的位置不變時，不論其運行于牽引工況還是再生制動工況，牽引網(wǎng)中諧波放大趨勢基本相同;當某次諧波的頻率與牽引網(wǎng)的結(jié)構(gòu)相匹配時會導致

8、諧波諧振現(xiàn)象的出現(xiàn)。
　　為了研究高速動車組作為大功率單相非線性負荷引起的電力系統(tǒng)三相電流不平衡問題，通過對V/v接線牽引變壓器負序電流的理論分析，結(jié)合隨機過程理論，建立了牽引變電所負荷和負序電流的概率模型，并進行了仿真分析和實測數(shù)據(jù)驗證，得出了V/v接線方式高速鐵路牽引變電所的負序電流與功率因數(shù)的影響關(guān)系以及電流不平衡度的主要分布情況。結(jié)果表明，該牽引變電所負荷和負序電流概率模型，具有較強的適應性和適用性，能夠比較真實地模擬高速

9、鐵路的運行特性和負序電流分布情況。
　　總而言之，論文在廣泛閱讀和研究國內(nèi)外有關(guān)電能質(zhì)量的理論及應用文獻，特別是電氣化鐵路和高速鐵路電能質(zhì)量研究報道的基礎上，將高速動車組再生制動工況時牽引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量作為主要研究對象，通過建立高速鐵路牽引供電系統(tǒng)和高速動車組的數(shù)學分析模型，分析研究了考慮再生制動工況的高速鐵路牽引供電系統(tǒng)潮流計算方法，高速動車組再生制動工況下的諧波產(chǎn)生機理及其傳輸、滲透特性，以及高速動車組在不同工況時所引起的