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高速铁路牵引供电系统谐波传输及谐振规律研究

胡海涛  
【摘要】:随着大功率、高速度、高行车密度的时变非线性负荷—动车组的广泛运营,牵引供电系统的电能质量问题日益凸显。为使动车组更加轻型化和安全可靠,动车组一般不安装网侧LC或LCL型低通滤波器,因此在运行过程中将注入大量的谐波电流。由于谐波畸变将恶化动车组的牵引传动系统以及电力系统和牵引供电系统的供电品质,谐波问题逐渐成为高铁牵引供电系统的安全可靠性问题之一。牵引供电系统的谐波问题主要由三方面组成:(1)动车组4象限换流器产生的丰富的高次特征谐波;(2)牵引供电系统潜在的谐波谐振点;(3)动车组的数量、位置、运行工况的动态变化给牵引供电系统的谐波分析、统计、评估带来的挑战。这三方面问题也是“动车组—牵引供电”(简称“车网”)系统在谐波建模、谐波潮流、谐波谐振和谐波治理方面需重点关注的内容。为此,本文围绕高铁牵引供电系统的谐波问题开展理论研究,着重解决动态运行下的“基波/谐波建模—谐波潮流—谐波谐振—谐波治理”等一系列理论问题。论文的主要工作可归纳为:(1)在车网耦合系统的基波/谐波联合建模方面:建立了V/x接线和中性点抽出式Scott变压器的节点导纳矩阵;针对不同牵引网导体的结构特征,分别计算了三类导体的等效半径。计及导体的集肤效应并求取牵引网阻抗矩阵及电容矩阵;同时针对地基、桥梁和隧道下的线路建模进行了介绍;计及长线效应,并基于多导体传输线路模型建立了牵引网的多导体节点导纳矩阵,从而形成了“外部电网—牵引变压器—牵引网—AT所—分区所”的完整基波/谐波模型;动车组采用Norton电路模型,基于仿真及现场实测统计数据完善动车组谐波模型,最终形成了“车网”系统的基波/谐波模型。(2)动态变化的动车组的数量、位置信息将对牵引网的拓扑结构产生较大的影响,也将对系统的谐波情况产生影响。论文利用行车运行图和动车组运行参数确定其“启动加速区—匀速运行区—过分相区—减速区—制动区”等完整过程的功率模型,进而确定其运行过程中完整的谐波模型;利用实测数据对基波、谐波的幅值和相角进行修正。提出了牵引供电系统的动态基波/谐波潮流计算流程,完成动态谐波潮流计算;利用95%极大值对动态运行的动车组引起的供电品质问题进行统计分析。(3)在谐波谐振分析方面,建立了动车组—牵引供电系统仿真模型,求取了谐波在牵引网的传输、放大情况,确定了系统可能存在的谐波谐振问题。另一方面,利用谐振模态分析法对牵引供电系统的谐波谐振进行分析,并进一步分析了左右供电臂的耦合程度、牵引网线路长度、外部电网参数、变压器参数、AT参数、动车组参数等对系统谐波谐振的影响规律,进而确定牵引供电系统谐波谐振的特点及主要影响因素。(4)在谐振敏感度分析方面,针对频谱分析法存在的谐振信息冗余、不足等问题,采用谐振敏感度指标对谐振信息进行提取。提出了基于复节点导纳矩阵的谐振敏感度指标,并用以评估系统各电气参数对系统谐波谐振(幅度、频率)的敏感程度;通过搜寻最为敏感的电气元件参数,提出了基于Newton-Raphson的谐振频率转移方法。(5)在谐波(谐振)抑制方面,通过对动车组典型频谱与实测母线的电压频谱进行对比,将牵引供电系统的谐波问题归纳为谐波谐振和特征谐波问题。针对牵引供电系统的谐波谐振及特征谐波特性,分析了C型滤波器的谐振、高频阻尼特性,并设计了滤波参数及滤波器单元。动态谐波潮流计算结果表明C型滤波单元可有效地降低系统的谐振幅度及高次谐波,可以达到滤波的效果。本文形成了包括高铁牵引供电系统的基波/谐波建模、动态谐波潮流计算及评估方法、谐波谐振分析以及谐波治理的理论体系。利用实测数据为系统的建模分析提供支撑,理论分析结果与实测数据较为匹配。文中方法切实提高了牵引供电系统的供电品质,有效地降低了因谐波问题造成的危害。


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