电气化铁路贯通式同相供电系统方案及控制策略

研究目的:电气化铁路传统牵引供电系统采用异相单边供电,牵引网需设置电分相,存在无电区,且部分线路设置电分相困难。本文研究牵引供电系统采用贯通式同相供电,经过交直交变换使全线相序一致,从而取消牵引网电分相,消除无电区。研究结论:(1)分析了传统异相供电和贯通式同相供电的特点,并给出了两种系统原理结构;(2)搭建了贯通式同相供电整流系统的数学模型,给出了基于PWM整流技术的控制算法;(3)以集通铁路电气化改造工程为背景进行仿真计算,验证方案的有效性;(4)以电气化铁路工程为例进行了经济性分析,并给出投资回收期;(5)本文研究内容可为电气化铁路贯通式同相供电系统应用提供技术参考。

重载铁路树形贯通式同相供电系统的运行状态

重载铁路树形贯通式同相供电系统能够最大限度降低线路中电分相带来的安全隐患,提升牵引供电系统再生制动能量直接利用率、供电能力和供电品质.为保障树形贯通式同相供电系统的良好运行,从均衡电流、供电能力、负序评估、故障分析及保护配置4个方面研究该系统的运行状态.构建不同拓扑结构下双边供电系统均衡电流评估模型,揭示重载铁路树形贯通式同相供电系统的外部电源构成方式;以某重载铁路树形贯通式同相供电改造方案为例,探究正常和故障运行工况下系统的供电能力以及系统对外部电网的负序影响;对该系统不同类型的故障进行分析,并提出保护配置方案.研究结果表明:相较平行双边供电,当两相邻牵引变电所变压器变比相同时,树形贯通式同相供电系统不会产生均衡电流;改造方案上、下行牵引网最低网压为22.74 kV,满足牵引网电压要求;设置组合式同相供电装置后,系统的三相电压不平衡度95%概率大值和最大值分别为1.20%和1.65%;相较于传统保护装置方案,所提保护配置方案能够确保牵引网停电区间最小.

基于电力电子变压器的新型贯通式同相供电变流器

本文在对同相供电系统分类研究的基础上提出了一种基于单相-单相电力电子变压器(PET)的新型贯通式同相供电变流器电路拓扑。相对于传统的基于工频变压器的同相供电变流器方案,该拓扑可以取消工频变压器,并大幅减少低频滤波电感数量;相对于模块化多电平变流器(MMC)的方案,所提出的拓扑所需储能电容和低频滤波电感数量均可减少60%以上,而功率半导体数量几乎不变,可显著提升系统功率密度,降低系统造价。此外,当单台PET故障时系统可继续降额运行,而非系统全部停运,可靠性高。本文分析了所提出拓扑的工作原理并设计了控制策略。在所搭建的基于单相-单相PET的20MV·A贯通式牵引同相供电变流器模型上的仿真结果验证了该拓扑的正确性和有效性。

贯通式同相供电系统电能变换器的研究

研究了一种基于双PWM变换器技术的电能变换器方案,分析了电能变换器的结构和电能变换原理,针对其实现的功能和特点提出了相应的控制策略。仿真结果证明电能变换器的结构和控制策略是可行的。

贯通式同相供电系统牵引变电所构建与仿真

由于牵引供电系统结构和负荷的特殊性，产生了负序、无功和谐波以及存在”过分相”等问题，严重制约了高速、重载铁路的发展。采用基于电能变换设备的贯通式同相供电系统可以解决以上问题，是牵引供电系统的发展方向。论文提出了一种贯通式同相供电方式下牵引变电所构建方案，针对电能变换设备实现的功能和特点讨论了对应的控制策略。仿真结果证明了电能变换设备的结构和控制策略是可行的。

贯通式同相供电系统技术经济性分析

结合单三相组合式同相供电技术特点,基于既有异相牵引供电系统牵引负荷实测数据,对既有牵引供电线路进行改造方案研究。分别对"只采用组合式同相供电技术而未全线贯通"及"采用组合式同相供电技术和新型双边供电技术使全线贯通"2种方案牵引变压器和补偿装置的容量进行计算和配置,分析并比较2种方案在安装容量上的差异,以工程经济学中的投资回收期指标讨论分析采用贯通式同相供电技术对既有线路进行改造的经济性,为贯通式同相供电系统工程推广提供参考。

贯通式同相供电方案优化设计

贯通式同相供电采用单相供电,变电所内采用的结构为牵引变压器+同相供电补偿装置,取消了牵引变电所出口处和牵引网上的电分相。贯通供电时,相邻变电所可以同时向牵引网内的机车供电。本文分析了牵引变电所近期和远期的可靠性,比较了备用度不同时牵引供电系统在可靠性方面的差异。进一步分析满足双边供电时,2个和3个变电所上分流系数和牵引网上的功率损耗变化情况,最后得出贯通式同相供电补偿装置的控制策略。

载波移相SPWM在贯通式同相供电系统中的应用

针对贯通式同相供电系统中的交-直-交变流器输出电流(电压)谐波畸变率(total harmonic distortion,THD)较高的问题,提出采用载波移相正弦波脉宽调制(sinusoidal pulse width modulation,SPWM)方法,将多个单相逆变器级联输出,以此改善输出电压波形。在Matlab/Simulink中建立系统模型进行仿真测试,结果表明,所提方法能够有效改善牵引供电系统电能质量问题,使牵引侧负载电压THD含量减少、电力电子器件耐压水平降低。

一种同相供电装置功率模块的结构设计

针对市场上现有同相供电功率模块体积大、能量密度小、散热效果差、维护不方便等缺点,介绍了一种新型同相供电装置功率模块的总体结构设计思路,阐述了该功率模块结构设计的具体细节,对模块散热器进行了流阻和散热有限元分析,对功率模块的装配工艺进行了描述,为同相供电功率模块的优化设计提供了新思路。

贯通式同相AT牵引供电系统牵引网边界频率特性研究

分析贯通式同相自耦变压器(AT)牵引供电系统及由牵引变电所出口处电容和区外一段接触线构成的牵引网边界频域特性,分析牵引网及边界对高频暂态信号的衰减作用及故障位置对保护安装处检测到的高频暂态信号的影响。研究结果表明,在现行贯通式同相AT牵引供电系统中,牵引网对高频暂态量的衰减作用小于边界对其的衰减作用;保护安装点检测到的高频暂态量与故障发生的位置密切相关。建立仿真模型对贯通式同相AT牵引供电系统牵引网及边界的对高频暂态量的衰减作用进行验证,仿真结果验证了研究结果的正确性。

基于FEEMD与TEO的贯通式AT同相牵引供电系统牵引网单端功率方向保护

根据牵引网线路边界对高频暂态量的衰减作用,提出一种基于快速总体平均经验模式分解(FEEMD)和Teager能量算子(TEO)的贯通式自耦变压器(AT)同相牵引供电系统牵引网单端功率方向保护方法。求采集到的电压电流信号故障发生时的瞬时功率,并对暂态功率进行Teager变换求得TEO波形突变点的极性来作为方向判据,判别是正向故障或反向故障;若为正向故障(区内或对侧区外),再对故障暂态电流信号进行FEEMD分解,提取故障信号的固有模态函数1(IMF1)分量,再对IMF1分量进行TEO变换,求出高频暂态电流信号的TEO谱瞬时值,然后求取其绝对值并求和,进而判断故障位于区内还是对侧区外。最终通过PSCAD/EMTDC仿真软件搭建贯通式AT同相牵引供电系统模型,在不同故障条件下进行大量仿真提取数据,仿真结果证明本方案能够有效区分区内外故障,保护牵引网线路全长。

基于Teager能量算子瞬时能量的贯通式同相自耦变压器牵引供电系统牵引网纵联保护方案

为有效提高贯通式同相自耦变压器牵引供电系统牵引网的供电可靠性。提出一种基于Teager能量算子瞬时能量的贯通式同相自耦变压器(auto transformer,AT)牵引供电系统牵引网纵联保护方案。牵引变电所出口并联电容与一段接触线构成牵引网边界,通过分析发现该边界对高频信号有很强的衰减作用。利用快速集合经验模态分解(fast-ensemble mode decomposition,FEEMD)分解提取故障电流高频分量,然后利用Teager能量算子计算故障电流高频分量的瞬时能量,并提取两端瞬时能量最大值。区外故障时,故障电流高频分量瞬时能量最大值较小;区内故障时,该值较大。根据该差异来构造保护动作判据,判别故障位置,决定保护是否动作。基于PSCAD(power systems computer aided design),大量仿真实验表明,所提保护方案能够准确判别区内、外故障,并且有较好的耐过渡电阻能力。

基于MEEMD与概率神经网络的贯通式同相牵引直接供电系统故障识别

针对贯通式同相牵引直接供电系统可能发生的雷击故障、雷击干扰和接地故障3种扰动进行建模分析和识别研究。在牵引网仿真模型的基础上,通过实验得到3种扰动的暂态特征。根据以上故障提出了改进总体平均经验模态分解(Modified Ensemble Empirical Mode Decomposition,MEEMD)与概率神经网络(Probabilistic Neural Network,PNN)结合的智能识别方法。MEEMD分解故障暂态电流信号得到本征模态函数(Intrinsic Mode Function,IMF),分别用样本熵和排列熵提取IMFs分量特征,结合PNN进行故障识别,通过实验看出,基于MEEMD排列熵与PNN结合的智能识别方法能较好地识别牵引网的3种故障。

贯通式同相牵引直接供电系统牵引网边界频率特性研究

分析贯通式同相牵引直接供电系统牵引网及其边界的频率特性。利用牵引网的频域模型,全面分析牵引网频率特性;由牵引变电所与线路的联接方式,提出“牵引网边界”的概念,指出“牵引网边界”由牵引变电所出口处的电容和外侧一段线路组成。分析牵引网和边界对故障暂态分量的衰减特性发现:暂态高频信号在经过牵引网及其边界时都会衰减;牵引网越长,高频暂态量的衰减作用越明显;由于牵引变电所之间的距离较短,牵引网边界对高频量的衰减总大于牵引网的衰减作用。

基于形态学的贯通式同相AT牵引供电系统牵引网单端电流方向暂态保护

针对贯通式同相自耦变压器(AT)牵引供电系统牵引网边界对高频暂态量有较强的衰减作用,提出一种基于形态学的贯通式同相AT牵引供电系统牵引网单端电流方向暂态保护方法。采用多分辨形态梯度处理保护安装处检测到的故障暂态电流,得到其线模分量波形突变点的极性,由此构成方向起动元件。若极性为负,判定为本侧区外故障,保护不动作。若极性为正,则需进一步对故障电流线模分量进行形态谱运算,并将归一化后的形态谱变换到频域,比较频域下形态谱值与阈值的大小判断是区内或对侧区外故障。利用PSCAD仿真平台对贯通式同相AT牵引供电系统进行建模,针对不同故障条件进行大量仿真,仿真结果验证了保护方法的有效性。

基于压缩感知理论和二阶微分法的贯通式同相AT牵引供电系统牵引网输电线路单端保护方法

贯通式同相牵引供电系统能彻底解决电分相及负序问题,是目前高速铁路研究的重要方向。压缩感知技术在突破奈奎斯特采样定理对采样个数要求的同时能增强信号时聚性,并对故障暂态信号进行降噪。二阶微分法可以放大故障特征,解决高阻接地故障时故障分量过小而导致保护拒动的问题。提出用压缩感知技术对故障电流的线模信号进行压缩重构,再由二阶微分法处理压缩感知重构出的故障电流线模信号得到其首波头的幅值,将该幅值与预设阈值比较进而判断出故障位置的保护方法。利用PSCAD/EMTDC平台搭建贯通式同相AT牵引供电系统模型,通过改变故障位置、故障初始角及过渡电阻进行仿真实验,实验结果验证了该保护方法的有效性。

轨道交通柔性牵引供电技术现状及发展综述

针对传统电气化铁路牵引供电系统存在过分相环节、三相不对称、负序电流及多次谐波电流引入电网等难题,本文介绍总结了柔性牵引供电技术两种主要技术形式的特点趋势,侧重分析了贯通式同相供电技术的系统结构与基本特性,提出了贯通式同相供电的关键技术及研究发展方向,建议开展:全贯通线潮流分析与协同控制、车网耦合系统稳定性分析及振荡抑制、全贯通线系统保护等方面的研究。

基于三相-单相电力电子变压器的牵引供电系统负载不平衡、无功和谐波潮流分析

将三相-单相电力电子变压器应用于贯通式同相供电系统,对比计算了传统变压器、电力电子变压器的单相侧和三相侧之间负载不平衡、无功和谐波的潮流关系。基于三电平电路研究了隔离DC-DC变换器和多模块级联整流器的控制方法:整流器采用有功无功解耦控制,实现了三相网侧单位功率因数运行;隔离DCDC变换器采用双边三电平控制,减小了流过中频变压器电感电流有效值。仿真和实验结果验证了基于三相-单相电力电子变压器的贯通式同相供电系统可有效消除负载不平衡、无功和谐波对三相电网电能质量的不良影响,系统动静态性能良好。