论文部分内容阅读
为改善当前牵引与电力推进系统谐波、负序、无功、电压波动等典型电能质量问题,解决核心设备体积庞大、造价高昂、寿命低等工程应用问题,本文基于国家重点研发计划政府间国际科技创新合作重点专项（No.2018YFE0125300）、国家优秀青年科学基金项目（No.51822702）等所提供的支持及资助,参考实测数据及工业需求,创新性地提出了基于新型变压器的牵引与电力推进系统,并就系统拓扑结构设计、关键设备选型及参数配置、电能质量优化方法、系统综合性能分析及评估、系统电气仿真及工程样机研发等关键问题展开较为深入的研究及探索,以全面优化系统供电性能及工程应用潜能,具体内容包括以下几个方面:（1）为解决电气化铁路存在的电能质量问题,提出了一种基于不对称平衡牵引变压器的新型铁路牵引供电系统（ACBTT-based Railway Traction Power Supply System,RTPSS-AT）,并就其系统拓扑结构及设计方法进行详细地介绍及分析。该系统选用综合材料利用率更高的新型不对称平衡变压器（Asymmetrical Connection Balance Traction Transformer,ACBTT）作为牵引变压器,同时首次将感应滤波变压器（Inductively Filtered Rectifier Transformer,IFRT）作为辅助变压器配合无源调谐支路用于滤除谐波及补偿无功功率,可大幅减少系统有源补偿容量和提高牵引网电能质量。此外,根据ACBTT电压输出特性,阐明了RTPSS-AT改善电能质量的具体方案,设计了综合补偿控制方法及控制器参数。（2）基于电气化铁路牵引变电所测试数据,提出了基于成本最优设计的RTPSS-AT容量配置策略,通过分配铁路功率调节系统（Railway Power Conditioning,RPC）与无源补偿支路安装容量以优化系统工程成本。在主变压器一次侧功率因数、双侧单相馈线功率因数均达到用户需求的同时,分别阐明了RPC容量、调谐支路（Filter Tuned Branches,FTBs）容量设计方法与成本最优及容量分配方法,以确保RTPSS-AT成本最优。同时搭建系统仿真模型及2k VA容量的实验平台,对提出的RTPSS-AT的设备选型、拓扑结构、参数设计、容量分配等进行充分地研究与验证。（3）提出了一种适用于直流牵引与电力推进系统的新型24脉波磁集成整流变压器（Magnetic-Integrated Multi-Pulse Rectifier Transformer,MI-MPRT）,具有占地空间小、成本造价低、工艺制造流程简单、短路阻抗平衡性好等优势。文中详尽地阐明了新型MI-MPRT设计思路及结构配置,并提出了用于绕组参数设计的紧密阻抗均衡策略指导其工业设计及生产,减少变压器轴向距离及平衡短路阻抗。基于电气仿真及电磁仿真设计了500k VA容量的MI-MPRT工业级样机,并通过变压器标准实验,充分验证了MI-MPRT的设计原理及效果,证明了其具有广泛工业应用前景。（4）以船舶电力推进系统作为典型应用场景,基于MI-MPRT构建了新型集成式多脉波船舶供电系统（DC Multi-Pulse Integrated Shipboard Power Supply System,DC-MISPSS）,并介绍了其拓扑结构及其系统特性。为定量描述DC-MISPSS供电特性及电能质量,文中结合变压器绕组非整数比偏差对DC-MISPSS典型的电能质量指标进行了理论推导及分析。为充分验证系统性能,开展了DC-MISPSS全桥稳态运行、半桥稳态运行、全桥突增/突减直流负荷瞬态运行等多工况仿真及实验,为其工程应用、工业标准制定及市场推广奠定基础。（5）为全面评估新型集成式多脉波牵引供电系统工程适用性,将基于双边供电结构的环形的地铁牵引供电系统作为典型应用场景,提出了一种针对牵引整流供电系统的多维度/多属性综合评估方法（Multi-attribute and Multi-Dimensional based Comprehensive Evaluation Method,MAMD-CEM）。通过建立系统电能质量属性、应用经济性属性、运行稳定性属性的综合评估指标,根据不同的评价属性采用不同的评估算法进行评估。同时基于系统运行场景需求,对各个属性指标评估结果分配任意维度权重,得到最终用于双边供电结构的地铁牵引整流供电系统的综合性能评估结果。结合实际工程数据开展算例分析,证实了MAMD-CEM可以显著提高评估方法的合理性、科学性及有效性。