电气化铁路牵引站电能质量问题的建模与控制

摘要

随着电气化铁路建设的迅速推进，其所带来的电能质量问题引起了越来越广泛的关注，而由于实际数据的匮乏及电气化铁路电能质量的特殊性，目前这方面的研究在国内外都还十分匮乏，鉴于此，本论文对电气化铁路电能质量的分析及治理工作展开系统研究，对于提高电力系统及电气化铁路自身的稳定性和安全性具有重要的实际价值和理论意义。 论文从电气化铁路电能质量的分析和治理两个方面展开研究，主要分为五个部分。 (1)建立了国内主流交直交机型和交直机型的高频电磁暂态数学模型和基频数学模型，分别用以暂态分析及控制器设计。分析了典型机车在不同载荷、路况、工况、调度条件下的启动、制动、正常等运行状态下的谐波电流、无功功率及电压波动特性，并在PSCAD软件环境下进行了仿真验证，将仿真结果与牵引机车的实测数据进行比较，验证了数学模型的有效性。 (2)建立了国内主流V/X牵引变压器的数学模型，分析了牵引变压器导致的谐波和负序电流的产生机理，研究了在不同负荷条件下的谐波和负序电流传递规律，并进行了仿真验证和实测数据比对。 (3)在主流机车和牵引变模型的基础上，建立了牵引站的动力学模型，分析了牵引站的综合电能质量问题的产生机理和传递规律，从电能质量动力学特征角度出发提出了基于支持向量机的电能质量分类及评估方法，引入松弛因子建立最优分类面，选择高斯核函数并以此为基础给出支持向量机的决策函数，建立了完善的电气化铁路牵引站电能质量等级评估方法，并对该方法进行了验证。 (4)论文以实际的混合机车负载为研究对象，引入调度、工况、负荷等因素，将含有多辆机车的电气化铁路综合电能质量问题进行评估分析，基于动力学特征的双傅立叶分析指标和支持向分类理论方法，对综合电能质量问题进行分类。研究了典型的电能质量补偿装置的动力学特性，将不同的补偿装置对应于不同的综合电能质量问题类型，建立经济、安全和实用的多目标优化函数，基于综合电能质量分类评估结果，配置相应的电能质量补偿装置并优化其容量，提出优化补偿方案，实现电气化铁路电能质量的智能化灵活调节。 (5)论文对我国电气化铁路的发展规划做出了评估，分析了电气化铁路的电能质量发展趋势，并提出了治理方案。 论文对电气化铁路的典型电能质量问题进行了深入的理论分析和仿真验证，最终所有的研究成果均在福厦线厚丰站进行了实际检验，与实测数据高度达成一致，显示了本论文工作的正确性和合理性。

目录

声明

论文创新点

摘要

1绪论

1．2电气化铁路电能质量问题的特殊性及其危害

1．3电气化铁路电能质量治理的国内外研究现状

1．4我国电气化铁路电能质量的潜在问题及趋势

1．5本文的选题依据

1．6本文的主要工作

2电气化铁路机车的电能质量分析

2．2电力机车的工作原理

2．3电力机车的数学模型

2．3．1变流器的数学模型

2．3．2异步电机的数学模型

2．3．3电力机车控制策略

2．3．4整流器的工作原理及仿真验证

2．3．5逆变器的变频控制原理及仿真验证

2．4交直交型机车的电能质量特征分析

2．4．1交直交型机车在1．0p．u．电流下的电能质量分析

2．4．2交直交型机车在0．7p．u．电流下的电能质量分析

2．4．3交直交型机车在0．5p．u．电流下的电能质量分析

2．4．4交直交型机车在启动时的电能质量分析

2．4．5交直交型机车在制动时的电能质量分析

2．4．6交直交型机车其他运行状态下的电畿质量分析

2．4．7交直交型机车在电压波动情况下的谐波特性分析

2．5交直型机车的电能质量特征分析

2．5．1相控整流器电机拖动的工作原理

2．5．2交直型机车在1．0p．u．电流下的电能质量分析

2．5．3交直型机车在0．7p．u．电流下的电能质量分析

2．5．4交直型机车在0．5p．u．电流下的电能质量分析

2．5．5交直型机车在启动时的电能质量分析

2．5．6交直型机车在制动时的电能质量分析

2．5．7交直型机车其他情况下的电能质量分析

2．6电力机车数学模型的仿真验证

2．6．1交直型电力机车的仿真验证

2．6．2交直交型电力机车的仿真验证

2．6．3仿真与实测数据对比结论

2．7本章小结

3电气化铁路牵引变压器引起的电能质量机理分析

3．2．1单相变压器的数学模型

3．2．2VV接线变压器的数学模型

3．2．3三相变压器的数学模型

3．2．4Scott平衡变压器的数学模型

3．3．1牵引变压器引发的负序问题

3．3．2牵引变压器引发的谐波问题

3．4 Vx接线变压器的电能质量分析

3．4．1 Vx接线变压器带满负荷时的电能质量分析

3．4．2 Vx接线变压器带3／4负荷时的电能质量分析

3．4．3 Vx接线变压器带2／4(2+0)负荷时的电能质量分析

3．4．4 Vx接线变压器带2／4(1+1)负荷时的电能质量分析

3．4．5 Vx接线变压器带1／4负荷时的电能质量分析

3．5本章小结

4电气化铁路电能质量特征提取及分类研究

4．1引言

4．2电气化铁路的电能质量问题统计

4．3电气化铁路的电能质量特征提取研究

4．3．1滑窗迭代傅里叶变换

4．3．2双层傅里叶变换

4．3．3仿真分析

4．4电气化铁路的电能质量分类方法

4．4．1支持向量机的基本概念

4．4．2支持向量机的数学原理

4．4．3支持向量机的基本性质

4．4．4仿真和控制策略选择

4．5本章小结

5基于SVM的电气化铁路电能质量综合补偿策略

5．1引言

5．2常见的补偿方案比较研究

5．2．1固定并联电容补偿方案

5．2．2动态无功补偿方案

5．2．3完全动态补偿方案

5．2．4部分动态补偿方案

5．2．5单调谐滤波器设计

5．2．6带无功功率补偿的APF设计

5．3基于电能质量分类的综合补偿策略

5．3．1基于支持向量机理论的综合控制治理方法

5．3．2控制策略关联库的建立

5．3．3完全动态无功补偿方案设计

5．3．4部分动态无功补偿方案设计

5．3．5若采用APF方案具体成本和性能

5．3．6三种方案的比较

5．3．7一条牵引臂带两列机车时最差情况下经过补偿后的电能质

5．3．8单条牵引臂负载突然变化时经过补偿后的电能质量分析

5．4本章小结

6总结与展望

致谢

参考文献

附录