電氣化鐵道新型電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器分析研究

電氣化鐵道牽引供電系統(tǒng)具有功率因數(shù)低、諧波含量高、負(fù)序電流大的特點(diǎn)，是治理電網(wǎng)污染的重要領(lǐng)域。

針對牽引供電系統(tǒng)的特殊性，本文首先從補(bǔ)償電流檢測理論著手，深入研究了分析電路中功率關(guān)系的FBD法，發(fā)展了FBD法的理論基礎(chǔ)，指出瞬時(shí)無功功率理論是FBD法的特例。在此基礎(chǔ)上，提出了兩種基于FBD法的補(bǔ)償電流檢測方法：直接法與間接法。

理論分析與實(shí)驗(yàn)證明，穩(wěn)態(tài)時(shí)，兩種方法依據(jù)不同的有功功率定義，均能準(zhǔn)確檢測出牽引電網(wǎng)中的諧波、無功和負(fù)序電流；各相負(fù)載平衡時(shí)，間接法的檢測結(jié)果由參考電壓來決定，根據(jù)不同的參考電壓，可以分別檢測出無功、指定次數(shù)諧波等所需的電流分量；動(dòng)態(tài)時(shí)，兩種檢測法的性能均由算法中的低通濾波器決定；基于FBD法的檢測方法中沒有三-二變換，算法更簡單，而且適用于從單相到多相電路。

為改善牽引電網(wǎng)的電能質(zhì)量，本文提出了新型電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器，將基于FBD法的補(bǔ)償電流檢測方法應(yīng)用于該裝置，并提出了相應(yīng)的控制方法。與常用的補(bǔ)償方法不同，新型電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器以牽引變電所整體為補(bǔ)償對象，在補(bǔ)償諧波與無功功率的同時(shí)，調(diào)節(jié)兩供電臂中的有功電流，使變電所達(dá)到負(fù)載平衡狀態(tài)，從而消除牽引變壓器原邊的負(fù)序電流；由于采用斯科特變壓器作為隔離變壓器，用一臺三相變流器就可以同時(shí)補(bǔ)償兩個(gè)供電臂中的諧波、無功和負(fù)序電流。

為了給今后新型電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的應(yīng)用研究做準(zhǔn)備，本文借鑒有源濾波與電力拖動(dòng)領(lǐng)域的技術(shù)，提出兩種高壓電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器方案： (1)無源與有源濾波器串聯(lián)的混合濾波器。該方案可以降低三相變流器承受的電壓，減少有源濾波器的容量。理論分析表明，這種混合濾波器適合補(bǔ)償諧波電流，不適合補(bǔ)償基波電流；適用于負(fù)載穩(wěn)定的場合，不適用于負(fù)載劇烈變化的場合。 (2)多電平電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器。本文研究了中點(diǎn)箝位三電平變流器在電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器中的應(yīng)用，提出了一種三電平變流器的雙滯環(huán)控制法。理論分析表明，使用多電平變流器的電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器性能優(yōu)良，并能有效降低每個(gè)開關(guān)元件承受的電壓和開關(guān)頻率。

研制了一臺新型電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器小功率實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，在不同的負(fù)載條件下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：本文提出的新型電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器可以在各種負(fù)載條件下補(bǔ)償牽引電網(wǎng)中的諧波、無功和負(fù)序電流。

最后，將新型電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器應(yīng)用到三相三線制供電系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)證明，本文提出的基于FBD法的檢測方法可以應(yīng)用于牽引供電系統(tǒng)，也可以應(yīng)用于三相三線制供電系統(tǒng)；新型電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器可以應(yīng)用于牽引電網(wǎng)，也可以補(bǔ)償不平衡三相三線制供電系統(tǒng)中的諧波、無功和負(fù)序電流。