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研究生: 朱文賢
Wen-Shyan Chu
論文名稱: 高速鐵路牽引系統電壓不平衡及諧波改善之研究
A Study of Voltage Unbalance and Harmonic improving Strategies for the High Speed Railway Traction Systems
指導教授: 辜志承
Jyh-Cherng, Gu
口試委員: 吳啟瑞
Chi Jui Wu
陳在相
Tsai-Hsiang Chen
王醴
Li Wang
黃世杰
Shyh-Jier Huang
陳斌魁
Bin-Kwie Chen
陳朝順
Chao-Shun Chen
洪穎怡
Ying-Yi Hong
劉志文
Chih-Wen Liu
學位類別: 博士
Doctor
系所名稱: 電資學院 - 電機工程系
Department of Electrical Engineering
論文出版年: 2007
畢業學年度: 95
語文別: 中文
論文頁數: 181
中文關鍵詞: 電壓不平衡高速鐵路
外文關鍵詞: High Speed Railway, Voltage Unblance
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  • 由於高鐵牽引系統中,牽引負載之單相供電需求、急遽變化的運轉特性及大容量電力電子轉換電路的使用,容易造成共同耦合點的電壓不平衡及諧波污染等問題,本論文提出分析及解決此電力品質問題之策略,以提昇電力設備使用率,亦可達成台灣電力公司對台灣高鐵公司電壓不平衡及諧波管制標準之要求。
    本論文首先推導以牽引負載電流(或導納)、牽引變壓器(單相、V型、Scott型、Y-△型、Le Blanc型、Modified Woodbridge型牽引變壓器)之相電壓相角差及相電壓比表示牽引變壓器一次側之相序對稱電流公式,依電壓不平衡率定義及牽引變壓器二次側兩端負載率互為獨立之特性,計算及繪製出各型牽引變壓器兩端負載率變動時之電壓不平衡率評估值及曲面圖,繼之,依牽引負載特性,提出各型牽引變壓器適用的靜態虛功率補償器(SVC);V型及△型SVC架構,以改善牽引負載所造成之電壓不平衡,並針對牽引負載及SVC運轉時可能造成的諧波值及分佈,分別以電流轉換式及傅立葉分析式進行諧波之模擬及分析,使用三維曲面完整呈現兩端負載率變動時其諧波電流值的大小變化與分佈。最後,以Scott型牽引變壓器為例,於其適用的SVC架構下設計3,5,7次單調型濾波器,同時驗證其電壓不平衡之改善及諧波抑制之能力。
    依據高鐵系統的牽引變電所相關參數進行模擬,利用本論文所提出的各項理論分析與方法,評估系統可能的最大電壓不平衡率及諧波,並提出改善及因應之策略。相信可做為國內外相關工程師及顧問在執行相關規劃、設計及運轉參考,對系統的不平衡及諧波之防範與改善措施,亦得以具體地提出與執行。


    Due to the characters of the single phase source supplying, rapid load demand and heavy-capacity power electric converters used on the traction loads of Taiwan High Speed Rail(HSR), the power harmonics and Voltage unbalance problems are brought out at the Point of Common Coupling(PCC) of the power system of Taiwan Power Company(TPC). For the promotion of the power device’s utility rate and the fulfillment of power quality requirement of Taiwan Power Company, a method is proposed to analysis and solve the problems in the study.
    The formulae, derived by the symmetrical component method, using the traction load current(or admittance), the phase differential angle and the phase voltage ratio of various type of the traction transformers(single phase type、V type、Scott type、Y-△ type、Le Blanc type and Modified Woodbridge type) represent the symmetrical current component at the primary side of the traction transformer. Then, with the definition of voltage unbalance and the assumption of the planning loads on each single source at the HSR substation are mutually independent, the unbalance voltage factors and figures of all types of traction transformers are calculated and drawn at PCC. New Static Var Compensator(SVC) schemes, V and △ type SVC, are designed in accordance with the characters of the train and the type of traction transformer to improve the voltage unbalance. Using the load current transform formula and Fourier transform to simulate of the harmonic current produced by the traction load and SVC, the magnitude and distribution of harmonic during the load change is represented by using 3 dimension figures. Finally, a Scott type transformer is tied with the appropriate SVC schemes, derived in this dissertation, incorporated with 3rd, 5th, 7th single tune filters, the new schemes are verified to improve voltage unbalance and to restrict the harmonic.
    With the parameters of the traction substation, the maximum voltage unbalance and the harmonic magnitude is evaluated by the proposed method, the improving strategies are proposed and verified by a simulation. The results are valuable to the engineers and consultants involved in this field. The means to prevent or restrict the degrees of voltage imbalances and harmonic on a power system can therefore be proposed and executed in the future.

    中文摘要 I 英文摘要 III 誌 謝 IV 目 錄 V 符號索引 IX 圖表目錄 XI 第一章 緒論 1 1.1 動機與背景 1 1.2 研究範圍 3 1.3 研究貢獻 3 1.4內容概述 4 第二章 電壓不平衡率及諧波之定義與相關標準 7 2.1 前言 7 2.2 電壓不平衡率之定義及其相關標準 8 2.2.1 IEEE 8 2.2.2 IEC 9 2.2.3 ANSI 10 2.2.4 台灣電力公司 10 2.3 諧波之定義及其相關標準 11 2.3.1 IEEE 11 2.3.2 日本諧波標準 12 2.3.3 英國諧波管制標準 13 2.3.4 台灣電力公司 14 2.4 本章結論 15 第三章 高鐵供電系統 16 3.1 前言 16 3.2 架空電車線系統 16 3.3 牽引變電所 17 3.4 各型牽引變壓器及數學模型之推導 17 3.4.1單相型 21 3.4.2 V型 22 3.4.3 Scott型 24 3.4.4 Y-△型 26 3.4.5 Le Blanc型 27 3.4.6 Modified Woodbridge型 29 3.5 電力遙控系統 31 3.6 牽引負載 31 3.7本章結論 32 第四章 高鐵牽引系統電壓不平衡率之推導 34 4.1 前言 34 4.2 各型牽引變壓器電壓不平衡率之推導 34 4.2.1單相型 36 4.2.2 V型 37 4.2.3 Scott型 37 4.2.4 Y-△型 38 4.2.5 Le Blanc型 38 4.2.6 Modified WoodBridge型 38 4.3 各型牽引變壓器電壓不平衡率之比較 39 4.3.1 牽引變壓器之牽引負載特性互為相依 39 4.3.2 牽引變壓器之牽引負載特性互為獨立 43 4.3.3 負載率 , 散佈圖及電壓不平衡率日曲線圖之表示 46 4.4 結論 50 第五章 高鐵系統電壓不平衡之改善 51 5.1 前言 51 5.2 靜態虛功率補償器 52 5.2.1閘流體控制電抗器-固定式電容器(TCR-FC) 52 5.3 各型牽引變壓器之SVC架構及容量 54 5.3.1 單相型 57 5.3.2 V型 59 5.3.3 Scott/Le Blanc/Modified Woodbridge型 60 5.3.4 Y-△型 61 5.3.5 相位移Scott型SVC 63 5.3.6 虛功率補償量之模擬 68 5.4 Scott型牽引變壓器之SVC設計 70 5.4.1 電壓不平衡率之推導 71 5.4.2 電壓不平衡率三維圖面之模擬 75 5.5 本章結論 81 第六章 高鐵系統諧波源之分析及模擬 83 6.1 前言 83 6.2 高速鐵路系統諧波探討 83 6.2.1 牽引負載諧波源 84 6.2.2 靜態虛功率補償器操作時之諧波特性 92 6.3 牽引系統各相諧波源之模擬 123 6.3.1 牽引系統三相諧波簡化模型 123 6.4 本章結論 135 第七章 高鐵列車諧波濾波器設計 136 7.1 前言 136 7.2 濾波器種類 136 7.3 諧波濾波器之設計 137 7.4 本章結論 153 第八章 結論與未來研究方向 154 8.1 結論 154 8.2 未來研究方向 155 參考文獻 156 作者簡介 161

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