高速重载电气化铁路新型潮流控制系统及其最佳容量配置研究

To solve the problems of the negative sequence and the passing phase separation in high-speed and heavy-load electric railways, a co-phase power supply with the power flow control system（PFCS）for traction substations may be the very suitable solution. Currently the PFCS cannot been widely used since its high cost is the biggest obstacle. To this issue, the mathematical model focusing on the system energy for the novel PFCS is studied and built, and the method of the optimum capacity distribution for the PFCS is propsoed. Through building the energy transmission network model under the symmetric or asymmetric cases for traction power supply systems, the energy transmission characteristics and laws can be found. A power system optimization method for the energy network model is to use in order to get the optimal topology of the PFCS. Based on the statistical probability models for traction loads and the objective of the highest energy efficiency, the optimum capacity distribution and the key technical parameters for the PFCS are obtained. Further, the control strategies and control methods of the system are studied, and the simulation and physical models are built. The overall goal is to achieve an active part of the system more than 15% reduction in capacity, and capacity utilization increased by 10 %. The project research results will provide an important theory and technical support for the applications of the proposed PFCS for the high-speed and heavy-loads electric railways.

针对高速重载电气化铁路日益严重的负序问题和过分相问题，牵引变电所配置潮流控制系统（PFCS）以实现同相供电将是很好的解决方案。目前PFCS难以大面积推广应用，其高昂的成本是最大障碍。为此，本项目从能量的视角研究并建立新型PFCS数学模型，得出其最佳容量配置方法。通过建立牵引供电系统在不同工况下的能量传输网络模型，得出能量传输特性，掌握能量传输的规律。采用电力系统优化方法对能量网络模型进行优化，得到新型PFCS优化拓扑结构。以牵引负荷的统计学概率模型为依据，以能量传输效率最高为目标，配置PFCS最佳容量，设计出PFCS的关键技术参数。进一步研究系统的控制策略和控制方法，建立系统仿真模型和物理模型。总体目标是实现该系统有源部件容量降低15%以上，容量利用率提高10%以上。项目研究成果将为新型PFCS在高速重载电气化铁路供电系统中的应用提供重要的理论和技术支撑。

高速重载电气化铁路存在负序和电分相问题。采用潮流控制器是解决问题的有效手段。项目研究如何改进系统拓扑结构和控制方式，有效降低有源装置容量，实现最佳容量配置。主要研究内容：1)能量传输模型；2)能量传输特性；3)能量传输网络；4)新型潮流控制系统最佳容量配置与控制策略及控制方法；5)新型潮流控制系统仿真与实验。.重要结果及关键数据如下：1)提出了一种基于YNvd接线平衡变压器的电气化铁道无功补偿和负序抑制系统，显著降低了安装空间和成本，有源装置容量降低25%；2)提出了一种新型电气化铁路集成混合电能质量控制系统，网侧电流THD由17.8%降为4.2%，功率因数由0.84提高到0.97；3)提出了一种非对称双LC支路耦合的新型电气化铁路潮流控制系统，具有重载补偿性能好、直流母线电压低、有源装置额定功率低、运行效率高、可靠性高等特点；4)提出了基于能量模型的混合感应滤波系统控制方法，建立了系统欧拉-拉格朗日能量模型，结果验证了控制策略的正确性；5)提出了一种基于V/v 接线牵引变电所负序和无功综合优化控制系统，补偿装置电流减少54.2%；损耗减少61.6%；6)提出了V/v 牵引供电所电能质量控制系统非对称补偿设计及综合优化控制方法，降低了有源部件容量和装置总成本。.项目提出了高速重载电气化铁路新型潮流控制系统及其最佳容量配置的理论、方法和技术体系，完成了预期研究内容，提交了阶段研究报告，实现了预期研究目标，取得了一系列研究成果。发表期刊论文35篇，会议论文5篇，其中SCI收录10篇，EI收录17篇；出版学术专著2部；获得中国发明专利授权5项，申请中国发明专利4项；获得软件著作权授权4项；获得省部级奖2项，其他奖项1项；培养博士研究生4人（已毕业3人）；培养硕士研究生8人（已毕业6人）。.项目具有重要的科学意义和研究价值，所提出的高性价比潮流控制装置等成果有望在5年内获得推广应用。