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电气化铁路牵引供电系统的仿真及影响研究

余丹萍  
【摘要】:随着京津城际高速铁路、武广高速铁路、沪宁城际铁路等相继开通运营,我国高速铁路网的建设正蓬勃发展。高速铁路以其速度快、安全性好、输送能力大、单位能源消耗低、经济效益好、舒适方便等优点而成为我国铁路发展的方向。牵引供电系统是高速铁路的重要子系统之一,而高速列车则是研究牵引供电系统的基础。高速动车组是电力系统的一类特殊负荷,其在运行过程中产生的谐波和负序会通过牵引变电站注入到电力系统,对电能质量产生一定的影响。为了分析高速动车组的负荷特性,有必要建立其详细的数字仿真模型,从而为建立牵引供电系统的负荷模型并分析其对公用电网的影响打下基础。 首先,本文介绍了目前我国使用较多的交—直型电力机车传动系统原理,建立了其matlab/simulink仿真模型,包括货运SS4、SS4G型和客运SS8、SS9型电力机车,采用多段半控桥式晶闸管相控整流电路调压控制牵引电机。进而分析了牵引工况下的机车谐波特性。 其次,对交—直—交型高速动车组负荷进行详细的建模仿真研究,包括CRH3、CRH2型高速动车组。交流传动系统主要由脉冲整流器、逆变器和牵引电机组成,控制方式包括四象限脉冲整流器的瞬态直接电流控制,逆变器的三电平空间矢量控制技术,牵引电机的转子磁场定向矢量控制和直接转矩控制技术。本文对整个牵引传动系统建立详细的matlab/simulink模型,仿真了动车组在牵引、惰行、制动等不同工况下的运行特性,并从谐波特性、功率因数、网压波动、突然失电等方面对动车组负荷进行研究,整个系统表现了良好的静态和动态性能,表明仿真模型正确有效。 最后,根据高速铁路牵引负荷的特点,分析了其对电力系统继电保护的影响,主要包括牵引变压器保护、线路保护、母线保护和发电机保护等。文中建立了京津高铁牵引网和高速动车组的综合模型,通过模拟变压器空载合闸和机车启动情况,分析了高铁负荷的暂态过程对牵引变压器保护的影响,并从理论上简要分析了对线路保护、母线保护和发电机保护的影响,特别是对保护的启动元件、TV断线,负序对高频保护、母差保护和发电机负序电流保护的影响。


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