電氣化鐵道新型電能質量調(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、負序電流大的特點，是治理電網(wǎng)污染的重要領域。

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

理論分析與實驗證明，穩(wěn)態(tài)時，兩種方法依據(jù)不同的有功功率定義，均能準確檢測出牽引電網(wǎng)中的諧波、無功和負序電流；各相負載平衡時，間接法的檢測結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；動態(tài)時，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)的電能質量，本文提出了新型電能質量調(diào)節(jié)器，將基于FBD法的補償電流檢測方法應用于該裝置，并提出了相應的控制方法。與常用的補償方法不同，新型電能質量調(diào)節(jié)器以牽引變電所整體為補償對象，在補償諧波與無功功率的同時，調(diào)節(jié)兩供電臂中的有功電流，使變電所達到負載平衡狀態(tài)，從而消除牽引變壓器原邊的負序電流；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補償兩個供電臂中的諧波、無功和負序電流。

為了給今后新型電能質量調(diào)節(jié)器的應用研究做準備，本文借鑒有源濾波與電力拖動領域的技術，提出兩種高壓電能質量調(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償諧波電流，不適合補償基波電流；適用于負載穩(wěn)定的場合，不適用于負載劇烈變化的場合。 (2)多電平電能質量調(diào)節(jié)器。本文研究了中點箝位三電平變流器在電能質量調(diào)節(jié)器中的應用，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量調(diào)節(jié)器性能優(yōu)良，并能有效降低每個開關元件承受的電壓和開關頻率。

研制了一臺新型電能質量調(diào)節(jié)器小功率實驗樣機，在不同的負載條件下進行了實驗。實驗結果證明：本文提出的新型電能質量調(diào)節(jié)器可以在各種負載條件下補償牽引電網(wǎng)中的諧波、無功和負序電流。

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