摘要
近几十年来，我国铁路发展迅速，已成为人们出行不可或缺的交通方式，尤其是电气化铁路的发展，给人们生活带来了极大的便利。然而，交直电力机车与交直交电力机车作为电气化铁路中的主要在运机型，给电网带来了诸多电能质量问题，严重影响了电网的安全稳定运行。同时，由于两种机型的工作原理及控制方式有所不同，其所带来的电能质量特性也不尽相同，使得电气化铁路电能质量的特性分析存在一定的难度。因此，本文先从不同机车模型的建立入手，用以分析不同机车运行下的电能质量特性，在此基础上提出综合治理方案，以解决电气化铁路所带来的电能质量问题。本论文开展的主要工作如下：
1）以 SS9 型准高速干线客运交直电力机车及 CRH2 型动车组作为研究对象，进行电能质量特性分析。对于 SS9 型机车，仿真分析了其不同级位时的电能质量特性；对于CRH2 型动车组，本论文采用了三电平 PWM 整流器、中点箝位式（Neutral Point Clamped,NPC）三电平逆变器及三相异步电机来建立动车组系统仿真模型，并通过引入控制因子f 来解决 NPC 存在的直流侧电压不平衡问题，仿真分析了 CRH2 型动车组运行在牵引和逆变工况下的电能质量特性，并研究了中点电压平衡控制对牵引网侧电能质量的影响。
2）选取了基于有功分离及基于瞬时无功理论的单相检测法，进行了对比仿真分析。同时，针对基于瞬时无功单相检测法中锁相环的抗电压干扰问题，采用了一种无锁相环的瞬时无功单相检测法，并对比仿真验证了该方法的有效性。
3）在 SS9 型电力机车及 CRH2 型动车组单独建模的基础上，建立了以上两种机型混跑模式下的 MATLAB/Simulink 仿真模型，并仿真分析了其不同运行工况下的电能质量特性。针对混跑模式下的电能质量特性，提出了 HAPF+MCR 及 HAPF+SVG 两种综合补偿方案，并仿真对比了其补偿效果。针对综合补偿装置容量分配不合理的情况，提出一种协同优化控制策略，仿真验证了该方法的有效性。
关键词： 电气化铁路，电能质量，综合补偿，协同优化控制，混跑机车模型
ABSTRACT
In recent decades, China's railway developed rapidly, and has become an indispensable way of transportation for people. Especially the development of electrified railway has brought great convenience to people's life. However, as the main type of electrified railways,the AC-DC and the AC-DC-AC electric locomotives mainly bring power quality problems to the power grid, which seriously affects the safe and stable operation of the power grid. At the same time, because of the different working principles and control modes of the two models,the power quality characteristics of them are different, which makes it difficult to analyze the characteristics of electrified railway power quality. Therefore, starting from the establishment of different locomotive models, this paper analyzes the power quality characteristics of different locomotives, and puts forward a comprehensive control plan to solve the power quality problems caused by electrified railways. The main work of this paper are as follows:
1) Taking the SS9 electric locomotive and CRH2 EMU as research object. For SS9 locomotive simulation, this paper analyzes the different level of power quality characteristics; for CRH2 EMU, a simulation model of the EMU system was established by using the three-level PWM rectifier, neutral-point-clamped (NPC) three-level inverter and three-phase asynchronous motor. In this paper, control factor f is adopted to solve the problem of unbalanced DC side voltage in NPC. The power quality characteristics of CRH2 EMU operating under traction and inverter conditions are simulated and analyzed, and the influence of the midpoint voltage balance control on the power quality of the traction net is also studied.
2) A single-phase detection method based on active power separation and instantaneous reactive power theory is selected, and a comparative simulation analysis is carried out.Meanwhile, aiming at the problem of voltage interference in phase-locked loop based on instantaneous reactive power single-phase detection, an instantaneous reactive single phase detection method without phase-locked loop is adopted, and the effectiveness of the method isverified by simulation.
3) Based on the modeling of SS9 electric locomotive and CRH2 EMU, the MATLAB/Simulink simulation models of the above two kinds of locomotive running mixedwere established, and the power quality characteristics under different operation conditions were simulated and analyzed. In view of the power quality characteristics of mixed running mode, two comprehensive compensation schemes of HAPF+MCR and HAPF+SVG are proposed, and the compensation effect is compared by simulation. A cooperative optimization control strategy is proposed in the case of the unreasonable capacity allocation of the comprehensive compensation device, and the effectiveness of the method is verified by simulation.
Key Words: electrified railway, power quality, comprehensive compensation, cooperative optimization control, mixed running locomotive model
第一章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
近年来，随着经济的快速发展，我国正面临着多方面的挑战，诸如环境、能源、交通运输等方面的问题。电气化铁路凭借其环保、能耗小、运输量大等优势[1-2]，在解决这些问题上起着重要的作用。2011~2017 年，我国铁路的电气化率呈现逐年增长的趋势，具体数据如图 1-1 所示。
目前，电力机车为我国电气化铁路上的主要在运机车，第一台国产电力机车诞生于1958 年，距今已有 60 年的历史。按照机车发展历程可将电力机车分为四代[3]，前三代以机车调压方式来进行划分，第四代以机车传动方式来进行划分。其中，前三代为直流传动机车，第四代为交流传动机车。交直电力机车的代表机型有：SS4B、SS6B、SS8、SS9 等韶山系列[4-8]。其工作原理为通过将牵引网上的交流电整流为直流电，从而驱动直流电机运行。其中，机车整流调压电路为半控桥式分段整流，通过调节晶闸管的导通角来控制其输出电压。因而，交直电力机车所带来的谐波含量较高且具有较低的功率因数。
随着大功率电力电子器件及变流技术的发展，交直交电力机车已成为机车技术新的发展方向，其特点为：速度快、稳定性好、牵引功率大。我国交直交机车主要有 HXD 型及CRH 型两种系列[9-11]，这两种系列分别用于货运和客运，相对于交直电力机车而言，具有不同的电能质量特性，表现为高次谐波及较好的无功特性。尽管交直交机车具有较好的电能质量特性，但电气化铁路上的在运机车仍有不少交直机车，因此我国电气化铁路上的牵引负荷会带来一些谐波及无功问题[12-13]。
电能质量的好坏与否直接关乎到电网的安全稳定运行，好的电能质量不仅能提高电气设备的使用效率，还能降低电网损耗。而不好的电能质量对电网的危害是巨大的，主要表现为：1）谐波电流侵入电力系统会加速变压器绝缘老化、引发电动机故障、缩短输电线路的寿命、影响通信设备的正常运行，严重的甚至会产生谐振，使得谐波电流剧增，造成电气设备的损坏，严重影响了电力系统的安全稳定运行[14-15]。2）无功电流侵入电力系统会导致牵引网侧电压降低，影响电气设备的正常使用，同时，牵引负荷所导致的较大无功缺额会使得无功补偿装置容量的增加，既增加了补偿成本，又使得无功补偿的难度加大[16-17]。
因此，为了降低电气化铁路牵引负荷对电力系统稳定运行所造成的不利影响，必须尽快开展行之有效的措施来改善电气化铁路的谐波及无功问题，以保证电力系统安全稳定运行。
1.2 国内外研究现状。
近年来，国内外学者对电气化铁路电能质量分析和治理做了多方面的研究，主要集中在以下几方面：
1.2.1 牵引负荷建模的研究现状。
我国电气化铁路上的在运机型多种多样，使得牵引负荷所导致的电能质量特性具有一定的复杂性和特殊性。为了更好的治理电气化铁路所导致的电能质量问题，需要搭建与实际相符合的负荷模型来作为对象进行分析。
研究的比较多的是机车单独运行时的模型建立，主要包括 SS1、SS4、SS6B、SS8、SS9 等交直机车模型及交直交机车模型的建立。文献[18]提出通过分析 SS1 型及 SS4 型交直机车的控制特性函数与整流电路的内在联系，来确定整流回路中晶闸管的导通角，以便更准确的建立 MATLAB/Simulink 仿真模型，进而分析其谐波电流。文献[19]利用PSCAD/EMTDC 自定义模块，对 SS6B 型机车主电路的控制策略进行 FORTRAN77 语言编程，以实现机车运行在不同阶段时的谐波电流仿真分析。文献[20]在分析 SS8 型电力机 车 及 阻 抗 匹 配 平 衡 变 压 器 工 作 原 理 的 基 础 上 ， 建 立 了 牵 引 供 电 系 统 的MATLAB/Simulink 仿真模型，并分析了其谐波电流的分布情况。文献[21-22]以 SS9 型机车作为电气化铁路的牵引负荷，并在分析其主电路及工作原理的基础上，建立了其MATLAB/Simulink 仿真模型，并对其牵引网侧电流进行了傅立叶分析，得出 SS9 型机车牵引网侧的电能质量特性。文献[23]利用 PSCAD/EMTDC 分别搭建了牵引供电系统中的牵引变电所、牵引网及基于转子磁场定向控制的交直交机车仿真模型，并分析了该系统谐振过电压的分布情况。文献[24]通过对 CRH2-200 型动车组大量运行统计数据的分析，在考虑各次谐波含有率和相角变化的情况下，建立了其谐波概率模型，用以电能质量问题的动态研究。
还有一些较为复杂的方法，是在统计牵引负荷特性的基础上，建立与该负荷特性相似的系统。文献[25]在记录大量牵引系统谐波数据的基础上，利用最小二乘逼近法进行了配电网特性曲线拟合，得到了牵引负荷谐波的概率密度函数。文献[26]建立了 PFC 控制系统用以模拟高速铁路和重载铁路的交流电动机车的负载特性。文献[27]提出了一种矢量控制直流牵引系统的综合仿真模型，仿真结果验证了该模型与牵引系统实际运行情况相匹配。
综上所述，国内外文献对于牵引负荷的建模研究主要集中在机车单独运行时的建模，或者基于实测统计来进行建模，而对于交直机车及交直交机车混跑时的建模研究较少。
1.2.2 谐波及无功电流检测方法的研究现状。
在牵引负荷模型建立的基础上，欲对电气化铁路电能质量进行实时补偿，指令电流的检测是其中一个很重要的环节。为此，诸多学者试图寻找一种适合于电气化铁路谐波及无功电流的检测方法。
常用的为时域检测法，该方法主要以瞬时无功理论及 Fryze 无功理论为基础。文献[28]介绍了基于瞬时无功理论及基于有功分离的两种单相检测方法，并对比了这两种检测方法检测结果的差异。文献[29]在 Fryze 无功理论的基础上，提出了一种新的单相谐波电流检测法，该方法通过单相电压来获得同步旋转角，通过引入积分模块来取代低通滤波器，通过加入 PD 负反馈来提高系统响应，使得检测结果更精确。文献[30-31]提出用对称分量法来获得不对称三相系统中的基波电压，以取代锁相环 PLL，用以改进检测方法易受电网波动的缺点。文献[32]提出在原有 ip-iq检测法的基础上，用延时法及正序基波提取器来获得不对称三相系统中的基波电压，提高了无功电流检测的精度。文献[33]
在瞬时无功理论的基础上，提出了一种利用电源电压与电流矢量坐标关系的单相谐波及无功检测法。文献[34]在传统 FDB 谐波及无功检测法的基础上进行了改进，通过在检测系统中增加基波正序电压提取环节及指令电流计算环节，用以提高检测误差。
国外的相关研究，主要朝着智能算法发展。文献[35]提出了一种同步检测法（SDM），用来满足负载变动时的谐波及无功电流检测，并通过仿真与 p-q 检测法进行比较，证明该方法的正确性。文献[36]提出了一种基于模糊控制器的谐波及无功电流检测，并结合粒子群优化算法，可快速准确的检测出谐波及无功分量。文献[37]提出了一种改进的瞬时无功电流检测方法，该方法采用了一种新的虚拟正交信号生成算法及一个增强的移动平均滤波器，消除了系统噪声及谐波的影响，大大提高了检测的实时性和精度。
综上所述，国内外文献对于三相系统的谐波及无功电流检测方法研究较多，而对于单相系统中的谐波及无功电流检测方法研究较少。
1.2.3 电能质量综合治理的研究现状。
目前，对于电气化铁路电能质量综合治理的研究，主要集中在综合补偿方案的选择及其控制策略两方面。
综合补偿方案的选择，需要考虑其对电气化铁路中谐波及无功的补偿效果。当前，对于谐波的抑制方法主要从两方面入手：1）从机车本身入手，通过改进机车整流或逆变电路的 PWM 调制技术来产生较少的谐波。文献[38]提出了一种新的混沌正弦脉宽调制（混沌 SPWM）方法，用于抑制四象限 AC-DC 变换器所产生的谐波。文献[39-40]理论推导与仿真分析得出：三电平 SVPWM 算法相对于 SPWM 算法具有更好的谐波特性。2）通过在牵引网侧加装谐波抑制装置，通常采用的有无源电力滤波器（PPF）、有源电力滤波器（APF）或混合有源电力滤波器（HAPF）。无源电力滤波器由电感和电容元件组成，具有结构简单、经济性好的特点，但它只能用于抑制特定次的谐波。相比较而言，有源电力滤波器，具有更好的谐波抑制效果，但基于经济性的考虑，对于电气化铁路的谐波往往采用混合有源滤波器来进行抑制[41]。无功补偿装置，经历了从最早的电容器补偿，到如今普遍采用的静止无功补偿器 SVC 及静止无功发生器 SVG[42]。文献[43]从响应速度、控制策略及谐波特性等多方面来综合比较 SVC 及 SVG 的补偿效果，结果表明：
尽管 SVG 的控制复杂、成本较高，但其补偿效果比 SVC 要好。单纯的补偿谐波或者无功的装置已不适合快速发展的电气化铁路，在实际应用中往往会采用谐波和无功综合补偿装置。文献[44]针对 SVC 补偿效果不理想及 SVG 制造成本高等问题，提出一种 FC+TCR+SVG 的综合补偿装置，用以弥补两者的不足，并通过仿真验证该补偿方案的可行性。文献[45-46]提出了采用 SVC+HAPF 的电能质量综合补偿方案，该方案可以有效补偿系统中的无功及谐波。文献[47]用模块化多电平变换器MRPC 来抑制低次谐波，并针对 MRPC 系统中 MMC 开关频率会产生高次谐波的问题，提出了在该系统中增加无源高通滤波环节来进行配合，最后用仿真验证了该方案的有效性。文献[48-50]提出了一种集成的混合铁路电能质量控制系统（HRPQC），用以处理电气化铁路供电系统中的电能质量问题，并在详细分析了谐波抑制机理及谐振特性的基础上，仿真验证了该补偿系统的有效性。文献[51]提出了一种 MSVC+HPQC 的综合补偿方案，该方案可解决 MSVC 响应速度慢的问题，从而达到快速补偿系统中的谐波、无功及负序。HAPF 及 SVG 采用的控制策略主要有：滞环控制、L2增益重复控制、H∞控制及无差拍控制算法等[52-55]。
综上所述，国内外文献对于电气化铁路补偿装置及其控制策略研究较多，而对电气化铁路电能质量综合治理协同补偿研究较少。
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1.3 本文主要研究内容及章节安排
第二章 SS9 型电力机车建模与仿真
2.1 交直机车简介 .
2.2 SS9 型电力机车主电路及特性分析
2.2.1 SS9 型电力机车主电路
2.2.2 SS9 型电力机车控制特性 .
2.3 SS9 型电力机车的建模与仿真分析.
2.3.1 SS9 型电力机车的 MATLAB 仿真模型
2.3.2 SS9 机车运行下网侧电能质量分析 .
2.4 本章小结
第三章 CRH2 型动车组建模与仿真分析
3.1 CRH2 型动车组牵引变流器工作原理
3.1.1 单相四象限 PWM 整流器的工作原理.
3.1.2 三相三电平逆变器的工作原理.
3.2 三电平 PWM 整流器控制策略
3.3 三电平 NPC 逆变器 SVPWM 控制及中点平衡问题
3.3.1 中点电压平衡控制.
3.3.2 DTC 控制 .
3.4 CRH2 牵引变流系统仿真模型建立
3.4.1 CRH2 单相三电平整流器仿真模型
3.4.2 CRH2 三相三电平逆变器 SVPWM 仿真模型
3.5 CRH2 型动车组仿真分析
3.5.1 单相三电平整流器仿真分析.
3.5.2 三相三电平逆变器仿真分析.
3.5.3 CRH2 动车组运行下网侧电能质量分析
3.6 本章小结
第四章 单相谐波及无功电流检测.
4.1 几种单相谐波及无功电流检测方法
4.1.1 基于有功分离的单相检测方法.
4.1.2 基于瞬时无功理论的单相检测方法.
4.1.3 基于无锁相环的瞬时无功单相检测方法.
4.2 三种方法对比仿真分析
4.3 本章小结
第五章 混跑模式下电能质量综合治理及其控制策略.
5.1 电能质量综合补偿装置
5.1.1 谐波抑制装置的选择.
5.1.2 无功补偿装置的选择.
5.1.3 综合补偿方案的选择.
5.2 电能质量综合补偿装置控制策略
5.2.1 协同优化控制策略.
5.2.2 协同控制优化配置规则.
5.2.3 跟踪控制器.
5.3 基于协同控制的混跑列车电能质量综合治理仿真分析
5.3.1 混跑模式下电能质量仿真分析.
5.3.2 基于协同控制策略的综合治理仿真分析.
5.4 本章小结
第六章 总结
本文对电气化铁路中的电能质量问题进行了研究，分别对 SS9 型机车、CRH2 型动车组及SS9型机车+CRH2型动车组运行模式下的电能质量特性进行了理论与仿真分析。同时，对比了几种常见的谐波及无功电流检测方法，并提出一种无锁相环的瞬时无功检测方法来实现指令电流的实时检测。针对混跑模式下（SS9 型机车+CRH2 型动车组）的电能质量问题，提出了两种综合补偿方案。同时，针对综合补偿装置的容量分配问题，开展了综合补偿装置控制策略的研究，提出了一种协同优化控制策略。本文具体工作内容如下：
（1）首先，详细分析了 SS9 型电力机车的主电路及其控制特性，并以此为基础，建立了相关的 MATLAB/Simulink 仿真模型，仿真得出 SS9 型机车分别工作在三段桥时的网侧电流。对网侧电流进行傅里叶分析可知，随着机车速度及机车牵引功率的逐步提高，网侧电流谐波畸变愈发严重，其中以 3、5、7、9 等奇次谐波为主。同时，SS9 型机车高速运行时的功率因素较低，总体电能质量较差。为后续混跑模式下的电能质量分析做准备。
（2）其次，详细介绍了 CRH2 型动车组牵引变流器的工作原理，并分别介绍了三电平 PWM 整流器和三电平 NPC 逆变器的控制策略。同时，针对三电平 NPC 逆变器直流侧中点电压不平衡的问题，提出了引入调节因子 f 来进行中点电压平衡调节。以此为基础，建立了相关的 MATLAB/Simulink 仿真模型，仿真得出 CRH2 型动车组在牵引和制动工况下的电能质量特性，以及中点电压平衡对电能质量的影响。变流器中点电压平衡与否，影响了 1250Hz 处的谐波含量，而其它次谐波的分布及含量基本不受影响；以中点电压平衡为前提时，网侧电流所含谐波基本处在载波频率的偶数倍附近，尤其是 2倍载波频率附近；CRH2 型动车组在逆变工况下的谐波含量比牵引工况下的要高；由于采用了改进的瞬态电流控制及三电平 SVPWM 控制算法，CRH2 型动车组牵引变流器功率因数接近于 1。也在为后续混跑模式下的电能质量分析做准备。
（3）第三，选取基于有功分离的单相检测法及基于瞬时无功功率的单相检测法进行了对比仿真，对比仿真表明基于瞬时无功功率理论的谐波及无功电流检测法优于基于有功分离检测法；针对基于瞬时无功理论检测法中锁相环抗电压波动能力较弱的问题，提出了一种无锁相环的瞬时无功单相检测方法，该检测方法具有较好的抗电压波动能力，并且没有产生另外的检测延时，更适合于电气化铁路电能质量的实时检测。通过公式推导和仿真分析验证了该方法的可行性。
（4）最后，先简述了混跑列车所带来的电能质量特性，并搭建了 SS9型机车与 CRH2型动车组混跑时的 MATLAB/Simulink 仿真模型，仿真得出了两种机车同时运行在不同工况下的电能质量特性。对混跑模式下的电能质量特性提出了 HAPF+MCR、HAPF+SVG两种补偿方案，同时，针对综合补偿装置存在容量分配不合理的情况，提出了一种协同优化控制策略，利用 MATLAB/Simulink 仿真分析，仿真验证了两种综合补偿方案选择的合理性以及协同优化控制策略的有效性。
参考文献.
