基于车网耦合的高速铁路AT供电系统谐振特性

为研究高速列车与AT供电系统之间电气耦合（简称车网耦合）引起的谐波谐振,构建了基于节点导纳方程的高速铁路AT供电系统数学模型和基于高速列车功率源特性以及等效阻抗的谐波源模型,提出了基于车网耦合的高速铁路AT供电系统谐波谐振评估算法,研究了3种AT供电模式、3种AT牵引网运行方式以及不同AT变压器漏感大小对系统谐振特性的影响,分析了系统阻频特性与相频特性,指出并联和串联谐振点及其变化规律.仿真分析表明:列车位于不同AT段时3种AT供电模式下并联谐振点和串联谐振点均存在差异,牵引供电系统运行方式的多变性也造成了串联和并联谐振点的偏移,AT漏抗越大则谐振点数目越多而第1个串联谐振点频率越低.      

交流电气化铁路AT供电牵引网电气分析

为深入了解交流电气化铁路AT(自耦变压器)供电网络,明确物理概念,利用基于两相对称分量变换的 复合序网分析法,给出了牵引网、自耦变压器、牵引变压器、牵引负荷和电源等网络元件的序模型及AT 供电网 络复合序网的建立方法;定义了供电能力及其利用率,通过比较2X27.5kV AT供电模式与55kV AT供电模 式的特点和性能,说明了供电能力与负荷供电容量需求之间匹配的重要性.仿真结果表明,基于两相对称分量变 换的AT网络复合序网分析方法具有简单可行、物理概念清晰等特点.      

AT供电牵引网故障测距仿真研究

根据接触网的特点和行波故障测距原理,采用了D型行波故障测距法.利用电磁暂态仿真软件ATPDraw搭建了AT供电方式下的仿真模型,然后对故障暂态电流运用小波分析工具进行处理,以检测暂态电流初始行波波头从而实现测距目的.对A型测距法和D型测距法进行比较知D型测距法测距更精确而且受到牵引网结构的影响更小.特别是存在分支站场的牵引网中,D型测距法完全不受分支点反射行波的干扰,可以单独使用实现行波保护.     

AT供电系统接触网在线防冰电流的决策与控制

为了保障行车安全,消除接触网覆冰,针对电气化铁路AT(autotransformer)供电系统特殊的长回路和短回路结构,建立防冰系统投入后AT供电系统的电路模型.用该模型分析各AT段内防冰电流和负载电流的分布,得到保障全线防冰所需电流值;根据防冰电流与供电臂末端电压的关系,得出了牵引网压允许的防冰电流值;在此基础上,制定了以温度为目标的在线防冰电流决策流程.以某AT供电区段为例,结合实测负荷数据进行了仿真,结果表明:投入的防冰电流值至少为接触网临界防冰电流值的2倍,才能使接触线表面温度维持在0 ℃以上.      

Vx接线组合式同相供电系统建模与分析

作为新一代牵引供电系统的关键技术,同相供电系统设计需要匹配牵引变压器接线方式,优化电能质量综合补偿策略,降低潮流控制器（PFC）容量及其造价。针对高速和重载铁路推广采用的自耦变压器（AT）供电方式和Vx接线牵引变压器,设计了一种组合式同相供电系统。首先,基于该系统各端口接线角关系,建立了三相电网与单相牵引负荷之间的电气量变换模型;其次,利用三相电压不平衡与无功功率综合补偿理论,将相关电能质量限值为约束条件,给出了组合式同相供电系统各端口补偿电流计算方法,提出了潮流控制器动态跟踪补偿控制方案,与已有补偿方案相比,在达到相同补偿目标时所需补偿容量可以减少10%~58%;最后,通过对多种牵引负荷工况下系统运行特性的仿真模拟,验证了上述补偿模型的正确性和控制策略的有效性。      

级联H桥APF的CPS-TPWM调制策略及应用初探

电气化铁路牵引负荷的非线性、不对称和波动性所引起的谐波、三相不对称等,会显著影响牵引供电系统的供电质量,并联电容器组无源补偿或带有复杂降压变压器混合补偿的工程措施,其动态补偿性能较差,且系统构造复杂.基于此,提出将级联H桥多电平单相有源电力滤波器(APF)直接接入牵引供电网,并引入载波相移梯形波脉宽调制(CPS-TPWM)策略,实现系统的补偿控制.通过Matlab/Simulink环境下搭建的27个单元的单相级联H桥APF主电路和控制系统模型,仿真验证了补偿控制方案的可行性和有效性.     

基于实测数据的高铁牵引变电所负序电流概率分析

为了研究高速铁路牵引供电系统三相电流不平衡问题, 通过分析高速铁路牵引供电系统负荷及V/v接线牵引变压器负序电流,基于概率理论建立了牵引变电所负序电流的概率分析模型.用该模型对京沪高铁某牵引变电所的负序电流进行了仿真分析和实测数据验证,结果表明,利用该牵引变电所的设计参数仿真得到的负序电流概率分布与利用实测数据的分析结果一致,该牵引变电所负序电流概率分析模型能够真实地模拟高速铁路牵引变电所的负序电流分布情况.      

新型电缆贯通供电系统载流机制

新型电缆贯通供电系统能够取消电分相环节,延长供电距离,并有效治理电气化铁路中的电能质量问题. 但电缆牵引网（cable traction network, CTN）包含不同的电压等级,基波电流要首先经过牵引网的各个环节,最终汇聚到列车负载;而列车发射的谐波电流要经过两级渗透,最终返送到公用电网. 为研究电缆贯通供电系统的载流机制,针对CTN的特殊拓扑结构,根据双口网络分析方法,建立了车网耦合系统等值电路;分析了CTN中的电流传输规律;利用仿真模型,研究了CTN中的谐波电流分布与中心变电所（main substation, MSS）的谐波电流含量. 研究结果表明:当系统内有8个短回路时,单车工况下,基波电流主要在列车所在的单侧供电区间传输;机车电流与MSS电流之比小于4 （牵引变压器变比）;MSS谐波电流含量较列车处最多降低了43.5%.      

全并联AT供电网络的电气特性分析及其故障测距方法的研究

全并联AT供电方式是我国高速铁路发展的主要供电形式.本文分析了全并联AT牵引网的电流分布规律和牵引网阻抗特性,并在全并联AT短路故障电流分布规律的基础上提出了适合于全并联AT的故障测距原理.仿真了电流分布规律和阻抗特性.结果表明,其特性曲线和实际的相符合,从而证明了牵引网模型的精确性.仿真了AT漏抗、上下行互感和钢轨漏导对故障测量精度的影响.结果证明这些因素对故障测距精度不会产生影响.     

牵引网高次谐波对高低压三相系统的渗透特性

为研究牵引网高次谐波对高低压三相系统的影响,建立了阻抗匹配平衡变压器谐波模型,分析了高次谐波对公共电网高压三相系统的渗透特性;建立了牵引变电所用逆Scott变压器谐波模型,分析了高次谐波对牵引变电所低压三相系统的渗透特性;对牵引侧高次谐波含量较高的牵引变电所进行了测试,分析了谐波实测数据,并与谐波模型分析结果进行了对比;提出了一种适用于牵引变电所低压三相系统的Y型阻波高通滤波器滤波方案,并研制了一套滤波试验装置.研究结果表明,牵引网高次谐波对公共电网高压三相系统的渗透较小,但会明显渗透到牵引变电所低压三相系统;滤波装置投入运行后,牵引变电所低压三相系统a相电压谐波畸变率由12.25%降为1.94%,b、c两相电压谐波畸变率也明显降低,滤波装置有效的滤除了高次谐波,改善了低压三相系统供电质量.      

基于AT等值电路的牵引网潮流计算方法

在自耦变压器（AT）等值电路的基础上,提出了牵引网潮流的改进算法.改进算法中将机车视作恒功率模型,考虑了AT的漏抗值,利用迭代法和叠加原理进行供电区间多列车运行的潮流计算.该算法能计算AT漏抗值对牵引网电气特性的影响.仿真结果表明,对单列车情况迭代5次左右即收敛,对4列车情况迭代10次左右收敛;算法对供电区间任意位置单列和多列车的情况均适用,且较AT等值电路的一般算法精确.     

牵引供电系统高次谐波过电压抑制技术

随着交直交电力机车投入运行数量的增多,由其注入牵引供电系统高次谐波电流所引起的过电压成为影响电气化铁路安全运行的重要因素之一.基于电力机车谐波电流频谱与牵引供电系统谐波阻抗特性的匹配关系,分析了影响牵引供电系统高次谐波过电压水平的主要因素,讨论了高次谐波过电压的一般规律,比较了可应用于抑制牵引供电系统高次谐波过电压水平的技术,讨论了高通滤波器的应用效果,给出了牵引供电系统高次谐波过电压抑制技术的工程实施建议,所提建议对实际施工具有现实的指导作用.     

牵引负载电能计量方式研究

为了研究牵引负荷产生的负序对电能计量的影响，在建立牵引供电系统及电力系统三相模型的基础上，分析了牵引供电系统负序功率潮流，阐述了牵引负载采用传统功率理论定义下的功率因数计量方式存在的问题，基于IEEE Std 1459-2010功率理论所推荐的等效视在功率及功率因数定义，提出不平衡牵引负载功率因数计量方案，并将有效功率因数限值取为0.68. 理论分析及实测数据均表明:牵引负荷负序有功功率与正序有功功率方向相反，牵引负荷作为负序源向系统注入负序功率，被系统阻抗和对称负载吸收. 通过仿真与56组实测数据统计分析并验证本文算法的有效性和结论的正确性，实测数据统计结果表明，等效视在功率及等效功率因数能计及不平衡牵引负载对线路传输效率的影响，计量更合理准确.      

额定功率下高速机车谐波特性的仿真分析

通过综合分析高速机车脉宽调制(PWM)整流器谐波电压产生的过程和牵引供电系统的谐波阻抗特性,对高速机车以额定功率运行时谐波的动态特性进行了计算和分析.采用双傅立叶级数和Bessel函数推导出PWM整流器谐波电压的计算式;基于分布参数模型导出了接触网谐波阻抗的表达式,进而对串联、并联谐振进行了分析.在此基础上,对机车在额定功率下的谐波电压和谐波电流进行了仿真计算和频谱分析.结果表明:谐波电压和谐波电流的频谱特性均与机车位置有关,尤其是谐波电流的变化更大;特定次谐波在特定线路位置发生串联谐振,且谐振位置随机车位置变化;谐波电流含量很小,主要集中在3～9次低次谐波和发生串联谐振的频带.     

AT牵引供电对电力电缆感应电压仿真分析

高速铁路电力贯通线一般采用全电缆敷设,牵引供电系统工作电流作用于电力电缆金属护层时将会产生感应电压。随着机车运营速度的提高,牵引供电系统工作电流的提高对电力电缆金属层感应电压是否会危及人员、设备的安全是亟需解决的问题。通过对牵引供电作用于电力电缆感应电压展开分析,将牵引供电系统和电力电缆利用统一链式网络模型对其整体建立仿真模型,仿真计算牵引供电系统工作电流不同情况下对电力电缆感应电压的情况,计算结果与理论分析较为吻合。计算数据表明,牵引供电系统工作电流的提高对电力电缆感应电压影响并不明显,仿真模型和仿真数据能够为铁路电力专业人员提供相关设计施工参考依据。     

城轨交流供电系统极限供电距离分析

供电距离是衡量一个牵引系统供电能力的重要指标,对系统的稳定、经济运行具有现实影响. 城轨交流供电系统采用电缆结构的牵引网,具有稳定、大容量输电的突出特点,因此量化研究该系统供电距离具有重要意义,本文从理论推导的角度对系统极限供电距离进行分析,根据系统的电路拓扑特点,理论推导系统牵引网阻抗、单车多车时牵引网电压损失、钢轨电位. 首先从牵引网采用架空线与电缆时的自然功率对比,推算采用不同截面积电缆时系统的极限供电距离;其次以系统高峰工况时的电压损失作为限制条件,分析系统极限供电距离;最后以既有电气化铁路标准对钢轨电位规定的限值作为限制条件,分析系统最大短回路区间长度. 系统仿真结果表明:城轨交流供电系统最大单区间供电长度可达9.31 km,主变电所位于线路中间位置时,系统极限供电距离可达84.22 km.      

牵引电机悬挂参数对高速列车牵引传动部件振动特性的影响

基于车辆系统动力学理论建立包括柔性齿轮箱体与柔性轮对在内的刚柔耦合动力学模型，应用直接转矩控制理论建立了牵引电机控制模型，利用Simpack与Simulink联合仿真平台建立了机电耦合模型；考虑轮轨激励、车辆结构振动与谐波转矩等因素耦合作用，通过机电联合仿真对牵引传动部件振动特性进行了频谱分析，对牵引电机悬挂节点径向刚度、轴向刚度及阻尼在不同量级区间内的取值进行了研究。分析结果表明：在牵引电机谐波转矩和车轮多边形作用下，高速列车牵引传动部件出现较为明显的高频振动，牵引电机悬挂节点径向刚度为20～30 MN·m^-1时，牵引电机垂向振动达到极小值，齿轮箱体与牵引电机在6倍基波频率及车轮转频处振动加速度较小，且径向刚度较小时车辆安全性指标较优；牵引电机悬挂节点轴向刚度为4～6 MN·m^-1时，齿轮箱体与牵引电机受电机谐波转矩及车轮多边形高频激励的影响较小；牵引电机悬挂节点阻尼为0.1～40.0 kN·s·m^-1时，转向架部件振动有效值较小，阻尼的变化对车辆动力学指标的影响甚微，且车辆安全性及平稳性指标较优。     

谐波转矩对高速列车齿轮箱体与牵引电机振动特性的影响

为研究机电耦合作用下齿轮箱体和牵引电机的振动幅值、频谱分布及其随高速列车行驶速度的变化趋势, 分析了三相逆变器输出电压谐波频率分布与牵引电机谐波转矩, 建立了传动系统扭振模型; 基于直接转矩控制理论与车辆系统动力学理论, 搭建了牵引电机控制模型和高速列车多体动力学模型; 通过Simulink和SIMPACK联合仿真平台对比了恒力矩输入与含有谐波转矩的力矩输入模型, 分析了不同速度下牵引电机谐波转矩对高速列车齿轮箱体和牵引电机振动特性的影响。分析结果表明: 当高速列车以250 km·h-1的速度匀速运行时, 齿轮箱体大齿轮上方纵向振动、小齿轮上方纵向与垂向振动受牵引电机谐波转矩影响显著, 在700 Hz主频处振动加速度幅值显著增大, 该频率恰为牵引电机输出转矩基波频率的6倍; 在谐波转矩的影响下, 牵引电机在52 Hz主频处横向振动加速度幅值增加52.78%, 在49 Hz主频处垂向振动加速度幅值增加18.95%;随着高速列车速度的增加, 齿轮箱体纵向与牵引电机各向振动加速度逐渐增加, 牵引电机谐波转矩对齿轮箱体纵向振动加速度均方根的影响逐渐减小, 在6倍基波频率处, 齿轮箱体小齿轮上方和牵引电机纵向与垂向振动加速度均先增大后减小, 在速度为250 km·h-1时达到极大值, 且齿轮箱体和牵引电机的垂向振动受6倍基波频率谐波转矩的影响比纵向振动更为明显, 而其横向振动特性几乎不受谐波转矩的影响。      

基于能量比法识别波头的AT牵引网故障行波测距研究

针对AT供电方式牵引网的故障定位问题,提出了一种新的基于能量比法的故障测距算法,目标在于提高故障测距精度,缩短定位时间,满足高速铁路列车的应用需求.利用MATLAB软件建立了AT供电方式下的某牵引网结构的仿真模型,并对故障测距算法进行了仿真验证.仿真结果表明:与在变电所调研的故障测距结果相比,误差小于变电所中故障测录仪获得的故障测距误差,定位时间较短,故障测距精度提高,这为后续相关研究及探索奠定了重要基础.     

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.