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原文传递电气化铁路供电系统电能质量综合补偿技术研究

论文题名：	电气化铁路供电系统电能质量综合补偿技术研究
关键词：	电气化铁路;供电系统;电能质量;综合补偿系统;拓扑结构;安全机制
摘要：	电气化铁路是经济和社会发展的大动脉,机车牵引供电网的安全和稳定性关系着电气化铁路的正常运营。由于电力机车采取单相和整流方式供电,电力机车负荷产生的负序、谐波和无功等电能质量问题,严重威胁着电气化铁路牵引供电网和上级电力系统的安全和稳定运行。因此,必须采取有效的电气化铁路电能质量综合补偿措施,提高牵引供电网供电的安全可靠性。　　本文在国家科技支撑计划重大项目子课题“高速铁路供电系统综合补偿及谐波抑制技术”的支持下,针对交直电力机车供电系统(传统电气化铁路)和交直交电力机车供电系统(高速电气化铁路)两种牵引供电系统的电能质量综合补偿方法,深入研究了适用于两种牵引供电系统的电能质量综合补偿装置拓扑结构、电能质量补偿参考量(负序、谐波和无功)的实时检测方法以及控制策略。论文的主要工作和创新点如下: 　　(1)提出一种用于交直电力机车供电系统的综合补偿装置拓扑结构和控制策略,降低有源补偿装置的容量,并降低装置的总体成本。该补偿装置由有源补偿装置——铁路功率调节器(Railway Static Power Conditioner,RPC)和无源补偿装置晶闸管控制投切电容器(Thyristor Switched Capacitot,TSC)构成。分析了该补偿系统的工作原理、成本和谐波放大特性,提出了该系统的总体控制策略和控制实现方法,实现了RPC与TSC的协调控制。仿真和实验结果表明,所提的综合补偿系统及其控制方法能有效降低RPC的容量,并获得较好的综合补偿效果。　　(2)分析了采用三相V/V牵引变压器的高速铁路供电系统的负序和谐波补偿原理,提出了基于铁路功率调节器补偿器的高速铁路负序和谐波综合控制方法。运用矢量分析方法对高速铁路供电系统的负序补偿原理进行了详细分析,揭示了高速铁路供电系统的负序补偿机理;提出了高速铁路供电系统的负序和谐波实时检测方法。为了实现补偿目标的可选择性,提出了有功、无功和谐波参考指令分量从总补偿参考指令中进行分离的方法。　　(3)提出一种用于高速铁路供电系统的混合型综合补偿装置及补偿策略,优化了高速铁路综合补偿装置的补偿容量,以较低的补偿容量取得较好的负序补偿效果。针对高速铁路负序电流大的特点,提出了一种由铁路功率调节器RPC和无源补偿装置晶闸管控制滤波器(Thyristor Controlled Filter,TCF)、晶闸管控制电抗器(Thyristor Controlled Reactor,TCR)构成的混合型综合补偿拓扑结构。分析了该系统的结构和工作原理;在剖析补偿装置中RPC与TCF、TCR补偿容量与负序指标关系的基础上,并结合高速铁路牵引网的不同运营工况,提出混合型补偿系统的各子系统补偿容量设计方法,及一种适用于该补偿系统的专家推理控制策略;并提出适合该系统的参考电流实时检测方法和控制方法以实现所提补偿策略。仿真结果表明,提出的混合型高速铁路补偿系统及其补偿策略能针对机车运营工况获得较好的负序抑制效果。　　(4)提出一种基于两相三线制变流器的高速铁路用负序补偿系统及其复合控制方法,减少了补偿装置功率开关器件数目,并提高了补偿装置电流控制效果。为了简化补偿系统主电路结构,节约硬件成本,提出了一种由两个单相降压变压器和一个两相三线制变流器构成的高速铁路用负序补偿系统。在建立两相三线制变流器电气模型的基础上,详细分析了两相三线制变流器的工作原理,并发现了两相三线制变流器可视为由两个单相变流器合并而成的特性。为了提高电流跟踪响应的速度和稳态精度,提出了由滞环控制和广义积分控制组成的复合控制方法。仿真和实验结果证明了基于两相三线制的高速铁路用负序补偿器及其复合控制方法的有效性。　　(5)研究了铁路功率器主要元件的参数设计方法,介绍了模拟实验装置的研制技术。对具有典型代表性的铁路功率调节器主要元件参数的取值方法进行了研究,以优化装置安全性和控制性能为条件,提出了铁路功率调节器中单相降压变压器变比和容量、交流输出电感及直流侧电容的参数设计方法。并介绍了基于RPC模拟实验装置的构成,以及实验装置控制器的硬件和软件设计方法。重点介绍了控制电路中过零检测、采样前滤波电路及采样电路、过压过流保护电路和通信电路等控制器外围电路,还介绍了主程序、中断程序和通信程序的设计方法。参数设计方法和模拟实验装置的研制为理论研究成果的实验验证提供了条件,也将为工程样机的试制奠定基础。
作者：	吴传平
专业：	电气工程
导师：	罗安
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文