再生制動(dòng)工況下高速鐵路牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量分析.pdf

1、高速動(dòng)車(chē)組作為大功率、單相整流負(fù)荷，具有沖擊性、不對(duì)稱(chēng)和非線性的特點(diǎn)，其快速移動(dòng)性致使?fàn)恳?fù)荷對(duì)電力系統(tǒng)的影響波及面廣，容易引發(fā)電能質(zhì)量投訴和供電故障。高速鐵路建設(shè)的首要目標(biāo)是保證其安全、可靠的運(yùn)行。實(shí)際上，高速動(dòng)車(chē)組運(yùn)行速度快、重量大、功率高，其制動(dòng)時(shí)需要的制動(dòng)力以及由制動(dòng)產(chǎn)生的能量也遠(yuǎn)大于普通列車(chē)，從而要求高速動(dòng)車(chē)組具有良好的制動(dòng)性能。從能量轉(zhuǎn)換的角度而言，再生制動(dòng)技術(shù)既可提供高速動(dòng)車(chē)組制動(dòng)所需要的制動(dòng)力，又可使高速動(dòng)車(chē)組在再生制動(dòng)

2、狀態(tài)時(shí)作為發(fā)電單元將電能送回牽引供電系統(tǒng)，這一過(guò)程恰與牽引狀態(tài)相反。針對(duì)目前電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，再生制動(dòng)功能對(duì)牽引供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響主要包括電流計(jì)算、變壓器容量的選擇、接觸導(dǎo)線截面的選擇、供電臂電壓損失計(jì)算、對(duì)電力系統(tǒng)的影響等幾個(gè)方面，這對(duì)牽引供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。因此，分析研究高速動(dòng)車(chē)組在再生制動(dòng)狀態(tài)下對(duì)牽引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量造成什么樣的影響，對(duì)于解決高速鐵路的電壓波動(dòng)、負(fù)序問(wèn)題、諧波影響等牽引供電質(zhì)量問(wèn)題具有重要

3、的意義。
　　論文首先介紹了高速鐵路牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及供電方式。在此基礎(chǔ)上，建立了外部電源的三相諾頓模型、牽引變壓器和自耦變壓器等效模型、牽引網(wǎng)多導(dǎo)體傳輸線路鏈?zhǔn)诫娐纺Ｐ图案咚賱?dòng)車(chē)組感應(yīng)電動(dòng)機(jī)并聯(lián)靜態(tài)負(fù)荷的數(shù)學(xué)模型。同時(shí)，分析了高速列車(chē)再生制動(dòng)理論，可知再生制動(dòng)主要是利用電力牽引設(shè)備來(lái)達(dá)到制動(dòng)的目的，并將制動(dòng)過(guò)程中回收的能量進(jìn)行儲(chǔ)存或送回電網(wǎng)以便再次使用。通過(guò)仿真可見(jiàn)，高速動(dòng)車(chē)組在牽引工況和再生制動(dòng)工況時(shí)電流相位相反，表明高速動(dòng)車(chē)

4、組再生制動(dòng)工況是牽引工況的反過(guò)程，兩種工況下?tīng)恳╇娤到y(tǒng)中的能量流動(dòng)正好相反。
　　為了分析研究再生制動(dòng)工況時(shí)能量通過(guò)牽引變壓器進(jìn)入系統(tǒng)可能造成的牽引網(wǎng)電壓升高問(wèn)題，論文基于高速鐵路牽引供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，以變電所、AT（自耦變壓器）所、開(kāi)閉所、分區(qū)所和機(jī)車(chē)位置等為切面分割全并聯(lián)AT牽引網(wǎng)，建立牽引供電系統(tǒng)模型;視動(dòng)車(chē)組為恒功率負(fù)荷，研究基于“高速動(dòng)車(chē)組—牽引網(wǎng)”耦合的牽引網(wǎng)潮流計(jì)算方法。對(duì)不同工況的算例計(jì)算分析結(jié)果表明:給出的牽引網(wǎng)潮

5、流計(jì)算方法具有快速收斂和高精度的特點(diǎn)，可用于分析高速動(dòng)車(chē)組運(yùn)行于不同工況時(shí)牽引網(wǎng)的供電電能質(zhì)量;高速動(dòng)車(chē)組運(yùn)行于再生制動(dòng)工況時(shí)，其所在牽引網(wǎng)位置處的接觸線電壓升高，而正饋線電壓受影響較小;鋼軌電壓與AT中點(diǎn)抽頭的接地電阻和動(dòng)車(chē)組運(yùn)行功率成正比例關(guān)系;當(dāng)牽引網(wǎng)中一部分動(dòng)車(chē)組運(yùn)行于牽引工況，而另一部分動(dòng)車(chē)組運(yùn)行于再生制動(dòng)工況，即牽引和再生制動(dòng)工況同時(shí)存在時(shí)，運(yùn)行于再生制動(dòng)工況動(dòng)車(chē)組產(chǎn)生的電能首先提供給同一供電臂內(nèi)運(yùn)行于牽引工況的動(dòng)車(chē)組，剩余

6、能量?jī)?chǔ)存于牽引變電所或反饋至電網(wǎng)。
　　在建立牽引網(wǎng)和CRH2型動(dòng)車(chē)組諧波模型的基礎(chǔ)上，提出了一種基波潮流與諧波潮流交替計(jì)算的諧波潮流計(jì)算方法。分別通過(guò)對(duì)單列動(dòng)車(chē)組和兩列動(dòng)車(chē)組運(yùn)行時(shí)牽引網(wǎng)的諧波潮流計(jì)算分析表明，該計(jì)算方法充分考慮了高速鐵路牽引網(wǎng)與動(dòng)車(chē)組之間的電氣耦合關(guān)系，即諧波電壓與諧波電流之間的影響，對(duì)于高速鐵路牽引供電系統(tǒng)的諧波潮流計(jì)算更為準(zhǔn)確，適用于單個(gè)諧波源、多個(gè)諧波源以及含有背景諧波時(shí)高鐵牽引供電系的諧波潮流計(jì)算;該算

7、法既可用來(lái)分析高速鐵路牽引網(wǎng)的諧波潮流，又可以較為精確地反映牽引網(wǎng)的諧波諧振現(xiàn)象。此外，通過(guò)對(duì)高速動(dòng)車(chē)組運(yùn)行于牽引工況和再生制動(dòng)工況時(shí)牽引供電系統(tǒng)中諧波特性及其傳輸情況的仿真分析和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析表明，高速動(dòng)車(chē)組運(yùn)行于再生制動(dòng)工況時(shí)會(huì)在牽引供電系統(tǒng)中引起更大的諧波畸變，但諧波的放大趨勢(shì)與動(dòng)車(chē)組的運(yùn)行工況無(wú)關(guān);當(dāng)動(dòng)車(chē)組的位置不變時(shí)，不論其運(yùn)行于牽引工況還是再生制動(dòng)工況，牽引網(wǎng)中諧波放大趨勢(shì)基本相同;當(dāng)某次諧波的頻率與牽引網(wǎng)的結(jié)構(gòu)相匹配時(shí)會(huì)導(dǎo)致

8、諧波諧振現(xiàn)象的出現(xiàn)。
　　為了研究高速動(dòng)車(chē)組作為大功率單相非線性負(fù)荷引起的電力系統(tǒng)三相電流不平衡問(wèn)題，通過(guò)對(duì)V/v接線牽引變壓器負(fù)序電流的理論分析，結(jié)合隨機(jī)過(guò)程理論，建立了牽引變電所負(fù)荷和負(fù)序電流的概率模型，并進(jìn)行了仿真分析和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，得出了V/v接線方式高速鐵路牽引變電所的負(fù)序電流與功率因數(shù)的影響關(guān)系以及電流不平衡度的主要分布情況。結(jié)果表明，該牽引變電所負(fù)荷和負(fù)序電流概率模型，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和適用性，能夠比較真實(shí)地模擬高速

9、鐵路的運(yùn)行特性和負(fù)序電流分布情況。
　　總而言之，論文在廣泛閱讀和研究國(guó)內(nèi)外有關(guān)電能質(zhì)量的理論及應(yīng)用文獻(xiàn)，特別是電氣化鐵路和高速鐵路電能質(zhì)量研究報(bào)道的基礎(chǔ)上，將高速動(dòng)車(chē)組再生制動(dòng)工況時(shí)牽引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量作為主要研究對(duì)象，通過(guò)建立高速鐵路牽引供電系統(tǒng)和高速動(dòng)車(chē)組的數(shù)學(xué)分析模型，分析研究了考慮再生制動(dòng)工況的高速鐵路牽引供電系統(tǒng)潮流計(jì)算方法，高速動(dòng)車(chē)組再生制動(dòng)工況下的諧波產(chǎn)生機(jī)理及其傳輸、滲透特性，以及高速動(dòng)車(chē)組在不同工況時(shí)所引起的