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武汉大学袁佳歆、倪周 等：具备电压补偿功能的不停电过分相系统及控制方法研究
团队介绍
袁佳歆教授，博士，教授，博士生导师，现任武汉大学电气与自动化学院高电压与绝缘技术系主任。主要研究方向为高压智能磁控电抗技术、电能质量控制技术和电网无功电压控制技术。2019年获聘为甘肃省“飞天学者”讲座教授，2018年入选中法杰出青年交流项目，并担任多本优秀学术期刊编辑、审稿人。发表和录用学术论文共计212 篇，其中SCI 期刊论文51 篇，EI 收录116 篇。主持或参与科研项目18项，其中国家级项目6项、省部市级项目8项，已申请职务发明77项。
研究背景
由于高铁机车为单相负荷，牵引变压器一般采用轮流换相的连接方式来缓解牵引供电系统对电网造成的不平衡问题。但是相序轮换会使得两个相邻供电臂之间存在很大的电压相位差，两者直接相连将导致短路事故的发生，并造成牵引网和受电弓熔断等危害。
此外，机车从分相区进入供电臂的瞬间，可将其看成冲击性的大功率阻感负荷瞬间突然接入电网，这将导致牵引网末端出现电压暂降的问题。
然而，在两供电臂之间设置一个具有电压补偿功能的不停电过分相环节，可以有效提高不停电过分相系统的可靠性并改善牵引供电网末端电压波动的情况。因此，具备电压补偿功能的不停电过分相系统及控制方法研究具有重要意义。
论文所解决的问题及意义
本文提出了一种基于三相模块化多电平变换器的分相区不停电过分相系统及其控制策略。该系统能够实现机车负荷不停电地通过分相区，负荷特性线性变化，并通过有功和无功补偿相结合的方式改善牵引网末端电压波动的情况。
该系统的提出对于提高不停电过分相系统的可靠性、改善牵引供电网的电能质量和确保铁路旅客安全出行等方面均具有重要意义。
论文方法及创新点
本文首先搭建了基于三相模块化多电平变换器的分相区不停电过分相系统的拓扑结构，并对其工作原理加以研究和说明。
图1 不停电过分相系统的拓扑结构示意图
然后，分析了机车通过分相区导致牵引网末端电压波动的原理和不停电过分相系统的无功电压补偿能力，提出了不停电过分相系统的电流传输特性，以保证两侧供电臂负荷有功分量线性变化。并在上述理论基础上提出了不停电过分相系统的有功无功以及整体的控制策略。
图2 机车过分相的负荷有功电流特性曲线
图3 不停电过分相系统的控制策略
最后，利用MATLAB软件进行仿真分析，并搭建小容量实验平台进行试验验证。理论分析和试验结果表明：不停电过分相系统能够保证机车在不停电状态下平稳通过分相区，两侧供电臂负荷实现线性平稳变化，并有效解决了牵引网末端电压波动的问题。
结论
本文提出了一种分相区不停电过分相系统，对拓扑结构的无功补偿特性与电流传输特性进行了分析，并研究了不停电过分相系统的控制策略。
（1）不停电过分相系统能使得机车负荷不停电地通过分相区且负荷线性变化。在经过分相区的过程中，不停电过分相系统能保证机车电压发生移相变化。
（2）通过不停电过分相系统发出无功电流，解决了机车过分相的末端电压波动问题。
（3）提出了不停电过分相系统的控制策略，具有较好的动态响应特性。通过MATLAB仿真验证了不停电过分相系统能使得机车不停电、不降功地通过分相区，同时能保证负荷线性变化。搭建了小容量实验平台，对机车通过过分相时的系统电流变化特性进行了硬件实验验证，实验结果验证了理论分析的有效性及可实施性。
引用本文
袁佳歆, 倪周, 肖非然, 闵永智. 具备电压补偿功能的不停电过分相系统及控制方法[J]. 电工技术学报, 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.
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