高性價(jià)比電氣化鐵道電能質(zhì)量控制系統(tǒng)理論與應(yīng)用研究.pdf

1、本文圍繞負(fù)序、無功、諧波和牽引網(wǎng)電壓波動(dòng)等電氣化鐵道電力系統(tǒng)的主要電能質(zhì)量問題，就如何將現(xiàn)代電力電子技術(shù)與牽引供電系統(tǒng)相融合，改善電能質(zhì)量，并提高系統(tǒng)的性價(jià)比展開了一系列理論與應(yīng)用研究。本論文的研究具有重大理論意義與工程使用價(jià)值，并具有十分廣闊的工程應(yīng)用前景。
　　本論文結(jié)合國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“高速電氣化鐵路新型潮流控制系統(tǒng)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(fù)序和諧波統(tǒng)一治理的理論與

2、方法研究(51077044)”（主研）;湖南省自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目“具有負(fù)序和諧波抑制功能的組合式牽引變壓器及其關(guān)鍵技術(shù)研究(12JJ2034)”（主研）;湖南省研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目“LC耦合型電氣化鐵道電能質(zhì)量綜合控制系統(tǒng)研究(CX2014B131)”（主持）以及湖南省重大專項(xiàng)“諧波與負(fù)序治理新技術(shù)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(gè)方面。
　　(1)對我國電鐵供電系統(tǒng)

3、電能質(zhì)量問題的表現(xiàn)形式及成因進(jìn)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(diǎn)。系統(tǒng)分析了國內(nèi)外具有實(shí)用價(jià)值和市場前景的電氣化鐵道電能質(zhì)量控制系統(tǒng)的運(yùn)行原理、性能特點(diǎn)和應(yīng)用場合。
　　(2)結(jié)合大量實(shí)測數(shù)據(jù)給出了電氣化鐵道電力系統(tǒng)主要電能質(zhì)量問題的特征和表現(xiàn)形式。結(jié)合工程實(shí)例，詳細(xì)給出了電鐵供電系統(tǒng)主要電能質(zhì)量指標(biāo)的分析和考核方法。此外，文中還提供了某些測試的實(shí)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(bǔ)償”思想。以此思路為基礎(chǔ)，對基于多功能平衡變壓器的“純”補(bǔ)償系統(tǒng)和“混合型”補(bǔ)償系統(tǒng)（已申請國家發(fā)明專利）的補(bǔ)償原理、電壓擾動(dòng)現(xiàn)象、數(shù)學(xué)模型、諧振特性和控制方法等進(jìn)行了深入、系統(tǒng)研究，獲得了這兩類系統(tǒng)獨(dú)特的運(yùn)行機(jī)理和設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的事項(xiàng)。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(cè)具有三相端口的牽引變壓器?！袄@組式補(bǔ)償

5、思想”深入挖掘了多功能平衡變二次側(cè)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(tǒng)融合在了一起，顯著提高了系統(tǒng)的集成度，大幅降低了電鐵補(bǔ)償系統(tǒng)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(tǒng)電能質(zhì)量的控制提供了一種嶄新的技術(shù)方案。
　　(4)針對目前工業(yè)應(yīng)用價(jià)值已初露端倪的同相供電系統(tǒng)，本文首創(chuàng)了一種采用LC耦合支路的混合型鐵路功率調(diào)節(jié)器（已申請國家發(fā)明專利）。該系統(tǒng)將傳統(tǒng)鐵路功率調(diào)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(cè)電壓和設(shè)計(jì)容量可降低約30％～40％。變流器運(yùn)行效率、可靠性和性價(jià)比得到大幅提高。本論文的最大貢獻(xiàn)是，成功解決了負(fù)荷隨機(jī)波動(dòng)情況下（這里包括負(fù)荷電流和功率因數(shù)的波動(dòng)）LC耦合支路的設(shè)計(jì)問題以及變流器直流電壓的選取問題。研究發(fā)現(xiàn)，所提之系統(tǒng)尤其適用于重載且負(fù)荷分布較為集中的貨運(yùn)專線（這里直流機(jī)車較多）。

7、>　　(5)針對兆瓦級RPC，本論文首次系統(tǒng)而十分深入地討論了主變?yōu)閂/v變和平衡變時(shí)RPC的數(shù)學(xué)模型、控制系統(tǒng)分析方法和設(shè)計(jì)要點(diǎn)、以及變流器主電路核心參數(shù)設(shè)計(jì)原理。所論之方法均通過實(shí)例得到驗(yàn)證。這些內(nèi)容具有十分重大的理論和工業(yè)實(shí)用價(jià)值。
　　(6)設(shè)計(jì)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(yàn)證系統(tǒng)。給出了系統(tǒng)的參數(shù)和控制、調(diào)試要點(diǎn)。在該原理驗(yàn)證系統(tǒng)上開展了大量實(shí)驗(yàn)研究，并獲得相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)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(zhì)量進(jìn)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(zhì)量綜合控制系統(tǒng)（國內(nèi)首創(chuàng)）的工程設(shè)計(jì)方案。通過跟蹤測試、調(diào)試，獲得了大量實(shí)測數(shù)據(jù)，詳細(xì)分析了該系統(tǒng)投入前后主變一次側(cè)負(fù)序、無功、諧波，饋線側(cè)電壓波動(dòng)以及經(jīng)濟(jì)效益情況。給出了RPC消除牽引負(fù)荷直流分量影響的方法。測試結(jié)果顯示，RPC不僅對牽引變壓器一次側(cè)的電能質(zhì)量具有十分顯著的控制作用，同時(shí)還對維

9、持牽引網(wǎng)電壓的穩(wěn)定具有明顯效果。故在牽引供電系統(tǒng)中裝設(shè)RPC不僅能滿足公共電網(wǎng)對電能質(zhì)量的要求，對牽引網(wǎng)系統(tǒng)的優(yōu)化運(yùn)行也大有裨益;此外，該系統(tǒng)對鐵路運(yùn)營商具有十分明顯的經(jīng)濟(jì)效益，極具推廣價(jià)值。
　　高性價(jià)比電氣化鐵道電能質(zhì)量綜合控制系統(tǒng)充分挖掘了牽引變壓器、無源補(bǔ)償設(shè)備和現(xiàn)代電力電子裝置的特點(diǎn)，在獲得較好補(bǔ)償效果的同時(shí)，顯著降低了系統(tǒng)的成本。既適應(yīng)了公共電力系統(tǒng)對負(fù)序、無功、諧波等主要電能質(zhì)量指標(biāo)的苛刻要求，又滿足了鐵路運(yùn)營商免于