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电气化铁路牵引负载具有非线性、不对称和功率大等特性,运行时通过牵引变压器向三相供电系统输送零序电流和负序电流,造成电网不对称运行和能量损耗。针对零序电流和负序电流问题,采用变压器绕组接线方程、端口电压输出方程、磁势平衡方程、电压传递方程和电力系统对称分量法等理论,设计了一种新型平衡变压器,研究了新型平衡变压器的电路特性和绕组结构;利用Matlab/Simulink仿真平台建立了3台单相新型平衡变压器系统,分析了新型平衡变压器的电气特性;建立了新型平衡变压器与牵引负载联合动态仿真系统,研究了单车运行和双车运行工况下的电气特性。研究表明,该新型平衡变压器满足平衡变换性能和自然解耦,具有消除零序电流和减小负序电流的功能。主要研究内容和成果如下:(1)系统地分析了现有各种平衡变压器(阻抗匹配平衡牵引变压器、YNvd接线平衡牵引变压器、不对称接线三相-两相平衡牵引变压器和新型阻抗匹配三相-四相平衡牵引变压器)的绕组结构,推导并比较了各种平衡变压器运行电气特性,归纳总结了各种平衡变压器性能优劣。(2)设计了一种新型平衡变压器,给出了该新型平衡变压器的接线方案与铁芯绕组结构,研究了该新型平衡变压器绕组间的平衡条件、电流矩阵、绕组短路阻抗关系、两相解耦条件、平衡变换特性和电流不平衡度特性。理论研究表明:该新型平衡变压器绕组和铁芯结构布置简单、绕组结构对称,绕组数量少、绕组短路阻抗关系匹配容易,满足平衡变换性能和自然解耦条件,具有消除零序电流和减小负序电流的功能,材料利用率高。(3)利用Matlab/Simulink仿真平台建立了3台单相新型平衡变压器系统,进行了空载实验、平衡变换实验、短路实验和负载实验。实验结果表明:该新型平衡变压器能将三相电力系统转换为两相对称牵引供电系统;当牵引侧一相短路或带平衡负载时,一次侧电流对称且负序电流和零序电流近似为0;当牵引侧两相短路、带不平衡负载或一相负载变化时,负序电流比较小,零序电流近似为0,且牵引运行时不会影响另一相的正常运行。即:该新型平衡变压器满足平衡变换性能和两相解耦,具有自然解耦的优势以及消除零序电流和减小负序电流的功能。在此基础上,提出了在不同负载情况下新型平衡变压器的运行控制策略。(4)建立了新型平衡变压器与牵引负载联合动态仿真系统,研究单车运行和双车运行工况下的电气特性。实验结果表明:单车运行工况下正序电流与负序电流的差值达到最小,且在牵引负载变化前后电流不平衡度近似为1;双车运行工况下负序电流达到最小,正序电流一直增大,且在牵引负载变化前后电流不平衡度近似为0;达到了消除零序电流和减小负序电流的目的。