作者簡(jiǎn)介

袁佳歆，武漢大學(xué)，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)楦邏褐悄艽趴仉娍辜夹g(shù)、電能質(zhì)量控制技術(shù)和電網(wǎng)無(wú)功電壓控制技術(shù)。

倪周，武漢大學(xué)，碩士研究生，研究方向?yàn)楦咚勹F路電能質(zhì)量治理、不斷電過(guò)分相。

肖非然，武漢大學(xué)，博士研究生，研究方向?yàn)楦咚勹F路電能質(zhì)量治理、逆變器應(yīng)用。

團(tuán)隊(duì)介紹

袁佳歆教授，武漢大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院高電壓與絕緣技術(shù)系主任。主要研究方向?yàn)楦邏褐悄艽趴仉娍辜夹g(shù)、電能質(zhì)量控制技術(shù)和電網(wǎng)無(wú)功電壓控制技術(shù)。2019年獲聘為甘肅省“飛天學(xué)者”講座教授，2018年入選中法杰出青年交流項(xiàng)目，并擔(dān)任多本優(yōu)秀學(xué)術(shù)期刊編輯、審稿人。發(fā)表和錄用學(xué)術(shù)論文共計(jì)212 篇，其中SCI 期刊論文51 篇，EI 收錄116 篇。主持或參與科研項(xiàng)目18項(xiàng)，其中國(guó)家級(jí)項(xiàng)目6項(xiàng)、省部市級(jí)項(xiàng)目8項(xiàng)，已申請(qǐng)職務(wù)發(fā)明77項(xiàng)。

研究背景

由于高鐵機(jī)車為單相負(fù)荷，牽引變壓器一般采用輪流換相的連接方式來(lái)緩解牽引供電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)造成的不平衡問(wèn)題。但是相序輪換會(huì)使得兩個(gè)相鄰供電臂之間存在很大的電壓相位差，兩者直接相連將導(dǎo)致短路事故的發(fā)生，并造成牽引網(wǎng)和受電弓熔斷等危害。

此外，機(jī)車從分相區(qū)進(jìn)入供電臂的瞬間，可將其看成沖擊性的大功率阻感負(fù)荷瞬間突然接入電網(wǎng)，這將導(dǎo)致?tīng)恳W(wǎng)末端出現(xiàn)電壓暫降的問(wèn)題。

然而，在兩供電臂之間設(shè)置一個(gè)具有電壓補(bǔ)償功能的不停電過(guò)分相環(huán)節(jié)，可以有效提高不停電過(guò)分相系統(tǒng)的可靠性并改善牽引供電網(wǎng)末端電壓波動(dòng)的情況。因此，具備電壓補(bǔ)償功能的不停電過(guò)分相系統(tǒng)及控制方法研究具有重要意義。

論文所解決的問(wèn)題及意義

本文提出了一種基于三相模塊化多電平變換器的分相區(qū)不停電過(guò)分相系統(tǒng)及其控制策略。該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)車負(fù)荷不停電的通過(guò)分相區(qū)，負(fù)荷特性線性變化，并通過(guò)有功和無(wú)功補(bǔ)償相結(jié)合的方式改善牽引網(wǎng)末端電壓波動(dòng)的情況。

該系統(tǒng)的提出對(duì)于提高不停電過(guò)分相系統(tǒng)的可靠性、改善牽引供電網(wǎng)的電能質(zhì)量和確保鐵路旅客安全出行等方面均具有重要意義。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

本文首先搭建了基于三相模塊化多電平變換器的分相區(qū)不停電過(guò)分相系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對(duì)其工作原理加以研究和說(shuō)明。

圖1 不停電過(guò)分相系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖

然后，分析了機(jī)車通過(guò)分相區(qū)導(dǎo)致?tīng)恳W(wǎng)末端電壓波動(dòng)的原理和不停電過(guò)分相系統(tǒng)的無(wú)功電壓補(bǔ)償能力，提出了不停電過(guò)分相系統(tǒng)的電流傳輸特性，以保證兩側(cè)供電臂負(fù)荷有功分量線性變化。并在上述理論基礎(chǔ)上提出了不停電過(guò)分相系統(tǒng)的有功無(wú)功以及整體的控制策略。

圖2 機(jī)車過(guò)分相的負(fù)荷有功電流特性曲線

圖3 不停電過(guò)分相系統(tǒng)的控制策略

最后，利用MATLAB軟件進(jìn)行仿真分析，并搭建小容量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。理論分析和試驗(yàn)結(jié)果表明：不停電過(guò)分相系統(tǒng)能夠保證機(jī)車在不停電狀態(tài)下平穩(wěn)通過(guò)分相區(qū)，兩側(cè)供電臂負(fù)荷實(shí)現(xiàn)線性平穩(wěn)變化，并有效解決了牽引網(wǎng)末端電壓波動(dòng)的問(wèn)題。

結(jié)論

本文提出了一種分相區(qū)不停電過(guò)分相系統(tǒng)，對(duì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的無(wú)功補(bǔ)償特性與電流傳輸特性進(jìn)行了分析，并研究了不停電過(guò)分相系統(tǒng)的控制策略。

（1）不停電過(guò)分相系統(tǒng)能使得機(jī)車負(fù)荷不停電的通過(guò)分相區(qū)且負(fù)荷線性變化。在經(jīng)過(guò)分相區(qū)的過(guò)程中，不停電過(guò)分相系統(tǒng)能保證機(jī)車電壓發(fā)生移相變化。

（2）通過(guò)不停電過(guò)分相系統(tǒng)發(fā)出無(wú)功電流，解決了機(jī)車過(guò)分相的末端電壓波動(dòng)問(wèn)題。

（3）提出了不停電過(guò)分相系統(tǒng)的控制策略，具有較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。通過(guò)MATLAB仿真驗(yàn)證了不停電過(guò)分相系統(tǒng)能使得機(jī)車不停電、不降功地通過(guò)分相區(qū)，同時(shí)能保證負(fù)荷線性變化。搭建了小容量實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)機(jī)車通過(guò)過(guò)分相時(shí)的系統(tǒng)電流變化特性進(jìn)行了硬件實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了理論分析的有效性及可實(shí)施性。

引用本文

袁佳歆， 倪周， 肖非然， 閔永智. 具備電壓補(bǔ)償功能的不停電過(guò)分相系統(tǒng)及控制方法[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào)， 2021, 36(5): 1084-1095. Yuan Jiaxin, Ni Zhou, Xiao Feiran, Min Yongzhi. Study on the Control Method and the Uninterrupted Phase-Separation Passing System with Voltage Compensation Function. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(5): 1084-1095.