电气化铁路用新式同相供电拓扑及控制策略研究

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1、电气化铁路用新式同相供电拓扑及控制策略研究1绪论1.1研究背景及其意义电气化铁路牵引供电系统在在快速发展的同时，由于接触网的特殊性，使得我们不得不面对这样一些问题:(1)牵引供电网接入三相公共电网，而电力机车却是单相交流负载，这将在电力系统中引起负序电流。负序电流会增加变压器的散热难度；负序电流会注入公共电网，影响公共电网的电能质量；额外增加输电线路上的损失；电网中的其它电力设备的正常运行都会受到影响。(2)不控整流型机车是牵引供电系统的一个主要谐波源。虽然以CRH动车组为代表的交-直-交型电力

2、机车在不断推广，但在一段时间内，多种车型共存的情况不会改变，所以谐波问题仍困扰着牵引供电系统。谐波增加电网中元件的附加损害；影响电气设备的正常工作；会对沿线通讯造成不良影响；谐波会造成继电器误动作，增加安全隐患；使得处于电网中的仪器仪表的测量不准确，造成控制上失误。(3)由于交-直-交型电力机车的推广，机车的功率因数较以前有了很大提高，但仍存在新旧机车共存的现象，会从电网吸收大量无功，功率因数仍有待改善。由于牵引网和牵引变压器的影响，在牵引变压器一次侧的功率因数会进一步降低。功率因数的降低会增加

3、输电网络中的电能损失，降低发电机组的输出能力和输变电设备的供电能力。如何提升电气化铁路供电质量，同时降低电气化铁路对电网的不良影响，实现节能、高效的目的，具有重要意义。1.2国内外研究现状为了缓解单相牵引负荷在三相电力系统的矛盾，降低引负序电流的影响，分段分相、相序轮换的供电技术在我国电气化铁路中得到推广，即使牵引变电所牵引变压器的一次侧轮流接入三相公共电网种不同的相。图1-1以单相联结为例，对相序轮换进行说明。在实际电气化铁路中，由于各区段的牵引负荷不能做到电流和功率因数相同，甚至会出现仅有单

4、臂供电的现象，所以采用相序轮换的供电方案只能缓解但不能从根本上解决牵引供电系统的负序电流问题。同时，相序轮换的供电方式需增加电分相环节(图1-1)。电分相环节的存在，使得机车在通过电分相过程，必须经过断幵接触网、断电滑行、连接另一区段接触网等一系列的复杂操作，不仅增加了机车的操作难度、增大了操作风险，也制约了机车的运行速度和牵引力的提升国内外针对机车过分相问题开展了大量研究[5]，但主要是针对车载、地面的自动过分相装置研究，在取消电分相问题上并没有取得突破性的进展。在牵引变电所牵引网侧装设电容器

5、，对机车负荷产生的无功功率进行补偿，提高电网利用率，是经济效益良好且行之有效的补偿措施。无功补偿容量是按照变电所的平均负荷来计算的。但是由于机车的感性无功是一个随机变化的值，固定电容器补偿系统会造成牵引变电所会经常欠补偿或过补偿，达不到国家规定的功率因数要求，所以需要装设能够跟随系统的动态无功补偿装置，其中得到广泛应用的是静止无功补偿器。.2无牵引变压器新型同相供电装置2.1无牵引变压器新型同相供电拓扑以牵引变压器为电能转换装置的传统牵引供电方案存在着成本高、电能质量低等问题。为了解决这一问题，

6、本章提出一种新型级联型多电平同相供电装置拓扑，如图2-1所示。在图2-1所示的拓扑中，三相ll0kV公共电网一次侧变压器三角型联接，一次侧电压仿真环境，对所提出的控制策略进行仿真验证，并在实验平台进行了一部分的验证。主要取得了以下成果：1.分析了无牵引变压器的同相供电装置的工作原理，并对其进行小信号建模；根据其小信号模型，提出了基于电压、电流双闭环的扰动量全前馈控制策略；将传统的调制比负反馈的方法进行了改进，使得调制比负反馈的方法能运用在整流、回馈的不同工况的母线电容电压平衡控制策略中；用PSI

7、M软件进行仿真，验证了所提策略的有效性；在实验平台上进行了一部分的验证，进一步证明了所提拓扑及其控制策略的有效性。2.分析了结合牵引变压器的同相供电装置的工作原理，并结合V/x型牵引变压器推导出了指令电流的计算方法；建立了高频H桥和高频多绕组变压器的数学模型，并根据模型，提出了基于功率平衡的母线电容电压平衡控制策略；用PSIM软件进行仿真，证明了所提拓扑及其控制策略的有效性。论文所提出的两种拓扑，是针对电气化铁路牵引供电系统存在问题的综合解决方案，对同相供电技术的发展，有很好的启发意义。