电气化铁道新型电能质量调节器分析研究

电气化铁道牵引供电系统具有功率因数低、谐波含量高、负序电流大的特点，是治理电网污染的重要领域。

针对牵引供电系统的特殊性，本文首先从补偿电流检测理论着手，深入研究了分析电路中功率关系的FBD法，发展了FBD法的理论基础，指出瞬时无功功率理论是FBD法的特例。在此基础上，提出了两种基于FBD法的补偿电流检测方法：直接法与间接法。

理论分析与实验证明，稳态时，两种方法依据不同的有功功率定义，均能准确检测出牵引电网中的谐波、无功和负序电流；各相负载平衡时，间接法的检测结果由参考电压来决定，根据不同的参考电压，可以分别检测出无功、指定次数谐波等所需的电流分量；动态时，两种检测法的性能均由算法中的低通滤波器决定；基于FBD法的检测方法中没有三-二变换，算法更简单，而且适用于从单相到多相电路。

为改善牵引电网的电能质量，本文提出了新型电能质量调节器，将基于FBD法的补偿电流检测方法应用于该装置，并提出了相应的控制方法。与常用的补偿方法不同，新型电能质量调节器以牵引变电所整体为补偿对象，在补偿谐波与无功功率的同时，调节两供电臂中的有功电流，使变电所达到负载平衡状态，从而消除牵引变压器原边的负序电流；由于采用斯科特变压器作为隔离变压器，用一台三相变流器就可以同时补偿两个供电臂中的谐波、无功和负序电流。

为了给今后新型电能质量调节器的应用研究做准备，本文借鉴有源滤波与电力拖动领域的技术，提出两种高压电能质量调节器方案： (1)无源与有源滤波器串联的混合滤波器。该方案可以降低三相变流器承受的电压，减少有源滤波器的容量。理论分析表明，这种混合滤波器适合补偿谐波电流，不适合补偿基波电流；适用于负载稳定的场合，不适用于负载剧烈变化的场合。 (2)多电平电能质量调节器。本文研究了中点箝位三电平变流器在电能质量调节器中的应用，提出了一种三电平变流器的双滞环控制法。理论分析表明，使用多电平变流器的电能质量调节器性能优良，并能有效降低每个开关元件承受的电压和开关频率。

研制了一台新型电能质量调节器小功率实验样机，在不同的负载条件下进行了实验。实验结果证明：本文提出的新型电能质量调节器可以在各种负载条件下补偿牵引电网中的谐波、无功和负序电流。

最后，将新型电能质量调节器应用到三相三线制供电系统，实验证明，本文提出的基于FBD法的检测方法可以应用于牵引供电系统，也可以应用于三相三线制供电系统；新型电能质量调节器可以应用于牵引电网，也可以补偿不平衡三相三线制供电系统中的谐波、无功和负序电流。