作者簡介

袁佳歆，武漢大學，教授，博士生導師，主要研究方向為高壓智能磁控電抗技術、電能質量控制技術和電網(wǎng)無功電壓控制技術。

倪周，武漢大學，碩士研究生，研究方向為高速鐵路電能質量治理、不斷電過分相。

肖非然，武漢大學，博士研究生，研究方向為高速鐵路電能質量治理、逆變器應用。

團隊介紹

袁佳歆教授，武漢大學電氣與自動化學院高電壓與絕緣技術系主任。主要研究方向為高壓智能磁控電抗技術、電能質量控制技術和電網(wǎng)無功電壓控制技術。2019年獲聘為甘肅省“飛天學者”講座教授，2018年入選中法杰出青年交流項目，并擔任多本優(yōu)秀學術期刊編輯、審稿人。發(fā)表和錄用學術論文共計212 篇，其中SCI 期刊論文51 篇，EI 收錄116 篇。主持或參與科研項目18項，其中國家級項目6項、省部市級項目8項，已申請職務發(fā)明77項。

研究背景

由于高鐵機車為單相負荷，牽引變壓器一般采用輪流換相的連接方式來緩解牽引供電系統(tǒng)對電網(wǎng)造成的不平衡問題。但是相序輪換會使得兩個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，機車從分相區(qū)進入供電臂的瞬間，可將其看成沖擊性的大功率阻感負荷瞬間突然接入電網(wǎng)，這將導致牽引網(wǎng)末端出現(xiàn)電壓暫降的問題。

然而，在兩供電臂之間設置一個具有電壓補償功能的不停電過分相環(huán)節(jié)，可以有效提高不停電過分相系統(tǒng)的可靠性并改善牽引供電網(wǎng)末端電壓波動的情況。因此，具備電壓補償功能的不停電過分相系統(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)不停電過分相系統(tǒng)及其控制策略。該系統(tǒng)能夠實現(xiàn)機車負荷不停電的通過分相區(qū)，負荷特性線性變化，并通過有功和無功補償相結合的方式改善牽引網(wǎng)末端電壓波動的情況。

該系統(tǒng)的提出對于提高不停電過分相系統(tǒng)的可靠性、改善牽引供電網(wǎng)的電能質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

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)不停電過分相系統(tǒng)的拓撲結構，并對其工作原理加以研究和說明。

圖1 不停電過分相系統(tǒng)的拓撲結構示意圖

然后，分析了機車通過分相區(qū)導致牽引網(wǎng)末端電壓波動的原理和不停電過分相系統(tǒng)的無功電壓補償能力，提出了不停電過分相系統(tǒng)的電流傳輸特性，以保證兩側供電臂負荷有功分量線性變化。并在上述理論基礎上提出了不停電過分相系統(tǒng)的有功無功以及整體的控制策略。

圖2 機車過分相的負荷有功電流特性曲線

圖3 不停電過分相系統(tǒng)的控制策略

最后，利用MATLAB軟件進行仿真分析，并搭建小容量實驗平臺進行試驗驗證。理論分析和試驗結果表明：不停電過分相系統(tǒng)能夠保證機車在不停電狀態(tài)下平穩(wěn)通過分相區(qū)，兩側供電臂負荷實現(xiàn)線性平穩(wěn)變化，并有效解決了牽引網(wǎng)末端電壓波動的問題。

結論

本文提出了一種分相區(qū)不停電過分相系統(tǒng)，對拓撲結構的無功補償特性與電流傳輸特性進行了分析，并研究了不停電過分相系統(tǒng)的控制策略。

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

（2）通過不停電過分相系統(tǒng)發(fā)出無功電流，解決了機車過分相的末端電壓波動問題。

（3）提出了不停電過分相系統(tǒng)的控制策略，具有較好的動態(tài)響應特性。通過MATLAB仿真驗證了不停電過分相系統(tǒng)能使得機車不停電、不降功地通過分相區(qū)，同時能保證負荷線性變化。搭建了小容量實驗平臺，對機車通過過分相時的系統(tǒng)電流變化特性進行了硬件實驗驗證，實驗結果驗證了理論分析的有效性及可實施性。

引用本文

袁佳歆， 倪周， 肖非然， 閔永智. 具備電壓補償功能的不停電過分相系統(tǒng)及控制方法[J]. 電工技術學報， 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.