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原文传递高性价比电气化铁道电能质量控制系统理论与应用研究

论文题名：	高性价比电气化铁道电能质量控制系统理论与应用研究
关键词：	电气化铁道;电力系统;电能质量;控制系统
摘要：	本文围绕负序、无功、谐波和牵引网电压波动等电气化铁道电力系统的主要电能质量问题，就如何将现代电力电子技术与牵引供电系统相融合，改善电能质量，并提高系统的性价比展开了一系列理论与应用研究。本论文的研究具有重大理论意义与工程使用价值，并具有十分广阔的工程应用前景。　　本论文结合国家自然科学基金项目“高速电气化铁路新型潮流控制系统及其最佳容量配置研究(51477046)”（主研），“基于新型变压器的电气化铁道负序和谐波统一治理的理论与方法研究(51077044)”（主研）;湖南省自然科学基金重点项目“具有负序和谐波抑制功能的组合式牵引变压器及其关键技术研究(12JJ2034)”（主研）;湖南省研究生科研创新项目“LC耦合型电气化铁道电能质量综合控制系统研究(CX2014B131)”（主持）以及湖南省重大专项“谐波与负序治理新技术研究(5126A014007V)”（主研）开展了大量研究工作。本论文完成的主要研究工作包括以下几个方面。　　(1)对我国电铁供电系统电能质量问题的表现形式及成因进行了论述。较为全面地给出了在我国使用较多的牵引变压器的接线形式和性能特点。系统分析了国内外具有实用价值和市场前景的电气化铁道电能质量控制系统的运行原理、性能特点和应用场合。　　(2)结合大量实测数据给出了电气化铁道电力系统主要电能质量问题的特征和表现形式。结合工程实例，详细给出了电铁供电系统主要电能质量指标的分析和考核方法。此外，文中还提供了某些测试的实用方法。　　(3)以多功能平衡变压器为研究对象，首创了“绕组式补偿”思想。以此思路为基础，对基于多功能平衡变压器的“纯”补偿系统和“混合型”补偿系统（已申请国家发明专利）的补偿原理、电压扰动现象、数学模型、谐振特性和控制方法等进行了深入、系统研究，获得了这两类系统独特的运行机理和设计时应注意的事项。此外，本论文所用之方法具有通用性，同样的分析思路可用于星形-三角形平衡变压器、Y/＞/▽接线平衡变压器和YN/＞/-V接线平衡变压器等二次侧具有三相端口的牵引变压器。“绕组式补偿思想”深入挖掘了多功能平衡变二次侧三相端口的潜力，在无需辅助降压变压器的前提下成功将主变和电力电子系统融合在了一起，显著提高了系统的集成度，大幅降低了电铁补偿系统的安装难度、占地空间和成本（在使用平衡变的前提下）。该方法为电铁供电系统电能质量的控制提供了一种崭新的技术方案。　　(4)针对目前工业应用价值已初露端倪的同相供电系统，本文首创了一种采用LC耦合支路的混合型铁路功率调节器（已申请国家发明专利）。该系统将传统铁路功率调节器(Railway Static Power Conditioner，RPC)电感耦合支路替换成LC耦合支路，变流器的端口电压、直流侧电压和设计容量可降低约30％～40％。变流器运行效率、可靠性和性价比得到大幅提高。本论文的最大贡献是，成功解决了负荷随机波动情况下（这里包括负荷电流和功率因数的波动）LC耦合支路的设计问题以及变流器直流电压的选取问题。研究发现，所提之系统尤其适用于重载且负荷分布较为集中的货运专线（这里直流机车较多）。　　(5)针对兆瓦级RPC，本论文首次系统而十分深入地讨论了主变为V/v变和平衡变时RPC的数学模型、控制系统分析方法和设计要点、以及变流器主电路核心参数设计原理。所论之方法均通过实例得到验证。这些内容具有十分重大的理论和工业实用价值。　　(6)设计并开发出一套主变为V/v变压器的2×5kW级小功率RPC原理验证系统。给出了系统的参数和控制、调试要点。在该原理验证系统上开展了大量实验研究，并获得相关实验数据。实验结果验证了所用控制方法的正确性和RPC对V/v接线变压器电能质量进行控制的可行性。　　(7)本论文给出了主变为V/v牵引变压器的兆瓦级电气化铁道电能质量综合控制系统（国内首创）的工程设计方案。通过跟踪测试、调试，获得了大量实测数据，详细分析了该系统投入前后主变一次侧负序、无功、谐波，馈线侧电压波动以及经济效益情况。给出了RPC消除牵引负荷直流分量影响的方法。测试结果显示，RPC不仅对牵引变压器一次侧的电能质量具有十分显著的控制作用，同时还对维持牵引网电压的稳定具有明显效果。故在牵引供电系统中装设RPC不仅能满足公共电网对电能质量的要求，对牵引网系统的优化运行也大有裨益;此外，该系统对铁路运营商具有十分明显的经济效益，极具推广价值。　　高性价比电气化铁道电能质量综合控制系统充分挖掘了牵引变压器、无源补偿设备和现代电力电子装置的特点，在获得较好补偿效果的同时，显著降低了系统的成本。既适应了公共电力系统对负序、无功、谐波等主要电能质量指标的苛刻要求，又满足了铁路运营商免于接受处罚，且能在较短的时间内收回成本并显著提高经济效益的迫切需求。系统具有十分重要的理论价值和广阔的工业应用前景。
作者：	胡斯佳
专业：	电气工程
导师：	张志文
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文