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，并擔任多本優秀學術期刊編輯、審稿人。發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對電網造成的不平衡問題。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生，并造成牽引網和受電弓熔斷等危害。

此外，機車從分相區進入供電臂的瞬間，可將其看成沖擊性的大功率阻感負荷瞬間突然接入電網，這將導致牽引網末端出現電壓暫降的問題。

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節，可以有效提高不停電過分相系統的可靠性并改善牽引供電網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不停電過分相系統及其控制策略。該系統能夠實現機車負荷不停電的通過分相區，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末端電壓波動的情況。

該系統的提出對于提高不停電過分相系統的可靠性、改善牽引供電網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不停電過分相系統的拓撲結構，并對其工作原理加以研究和說明。

圖1 不停電過分相系統的拓撲結構示意圖

然后，分析了機車通過分相區導致牽引網末端電壓波動的原理和不停電過分相系統的無功電壓補償能力，提出了不停電過分相系統的電流傳輸特性，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：不停電過分相系統能夠保證機車在不停電狀態下平穩通過分相區，兩側供電臂負荷實現線性平穩變化，并有效解決了牽引網末端電壓波動的問題。

結論

本文提出了一種分相區不停電過分相系統，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的控制策略。

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

（2）通過不停電過分相系統發出無功電流，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的控制策略，具有較好的動態響應特性。通過MATLAB仿真驗證了不停電過分相系統能使得機車不停電、不降功地通過分相區，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.