本論文針對台北捷運淡水線供電系統之電能回收效益及供電品質進行改善分析，藉由最佳換流器規劃模式，以節省捷運供電系統之電能消耗，並針對系統的諧波污染提出濾波器規劃與改善諧波失真。

本論文首先針對沒有中間相變壓器的12脈波非控制型之整流變壓器組，推導出含換流變壓器組之換流變電站的數學模型，並加以整合運用在交/直流負載潮流及諧波分析程式。此外亦應用免疫演算法求解捷運供電系統最佳換流器規畫模式之問題，達到最低系統電能消耗成本及換流器投資成本。本方法將目標函數和限制條件表示為抗原，而求解空間的一切可行解表示為抗體，在疊代處理過程中，利用抗體族群相似程度之關係，增加抗體族群的雜異度，可以預防求解過程中可能的停滯，達到快速的收斂至整體的最佳化解。以本方法求解最佳換流器規劃模式，可有效的提升捷運系統電能回收率，並達到減少電能消耗成本及變流器投資成本之目的。

由於捷運系統中牽引動力變電站之負載量會隨列車運轉而隨機變化，本文提出隨機諧波分析的方法，考慮電聯車之動態負載模型，計算交流供電系統之諧波失真，完成捷運電力系統之隨機諧波分析後，探討不同諧波失真之改善策略。根據諧波分析的結果，考慮系統的共振頻率，定義濾波器容量成本與各種運轉的限制條件，以免疫演算法求解最小成本之被動式濾波器裝置級數、參數及容量，滿足諧波管制標準及合理的虛功率補償，並推導尖離峰時段濾波器之投入與切離操作模式，以有效抑制諧波污染，改善捷運系統電力品質。

The objective of this thesis is to enhance the efficiency of Mass Rapid Transit (MRT) system and improve the power quality by reducing harmonic distortion. The energy consumption of an MRT system by considering the annual ridership and the stochastic operation characteristics of train sets are used to find the optimal placement of traction substations to enhance the operation efficiency of MRT systems. To mitigate the harmonic distortion, the installation location and capacity of harmonic filters are designed and verified by computer simulation.
The software programs for AC/DC load flow study and harmonic distortion analysis have been developed and integrated to perform power system simulation of MRT operation. The mathematical model of 12-pulse uncontrolled rectifiers without interphase transformers is derived and implemented in the programs to obtain more accurate simulation results. The optimal inverter substation planning is solved by minimizing the overall cost of power consumption and inverter investment for mass rapid transit power systems with immune algorithm. The objective function and constraints are expressed as antigen, and all feasible solutions are expressed as antibody. The diversity of antibody is then enhanced by proximity of antigen so that the global optimization during the solution process can be obtained. It is found that the energy regeneration can be restored effectively with the optimal planning of inverters by the proposed immune algorithm.
Based on the computer simulation of Taipei MRT system, the voltage harmonic distortion is varied dramatically with the dynamic load behavior of train sets. The stochastic harmonic load flow analysis is performed to investigate the power quality problem for an electrified rapid transit system. Different strategies of harmonic distortion mitigation have been proposed by minimizing the objective function to solve the optimal sizes and locations of harmonic filters so that the harmonic distortion can be reduced and reactive power compensation can be obtained at the same time. By performing the immune algorithm, the harmonic filters with proper capacity and the corresponding switching time for filter commitment are determined. It is found that the harmonic distortion can be effectively reduced for the MRT system by the proper design of harmonic filters.

目 錄
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目錄 v
圖目錄 vii
表目錄 x
第一章 緒論 1
1.1 研究背景 1
1.2 研究動機與目的 2
1.3 論文內容概要 5
第二章 捷運供電系統與電力潮流分析 7
2.1 前言 7
2.2 捷運供電系統架構 8
2.2.1 主變電站 8
2.2.2 牽引動力變電站 10
2.2.3 車站變電站 12
2.3 列車自動控制與電聯車運動方程式 12
2.4 電聯車電能消耗模擬分析 16
2.5 沒有IPT連接的12脈波非控制型整流變壓器模型 18
2.6 換流變壓器模型 22
2.7 交/直流系統負載潮流分析 24
2.8 台北捷運淡水線供電系統模擬分析 29
第三章 免疫演算法於捷運系統換流變電站規劃策略 33
3.1 前言 33
3.2 換流變電站規劃策略 34
3.2.1 問題描述 34
3.2.2 目標函數 36
3.3 免疫演算法 39
3.3.1 免疫系統原理 39
3.3.2 雜異度與相似度計算 42
3.4 免疫演算法求解最佳換流器規劃 44
3.5 系統模擬分析 48
3.6 最佳化結果探討 55
第四章 捷運系統諧波失真改善 60
4.1 前言 60
4.2 捷運系統諧波潮流分析 61
4.2.1 捷運系統諧波模型的建立 61
4.2.2 諧波失真分析 63
4.3 隨機諧波潮流 70
4.4 應用免疫演算法於被動式濾波器之規劃 75
4.4.1 頻率掃描 76
4.4.2 被動式濾波器特性分析 78
4.4.3 被動式濾波器設計之最佳規劃 79
4.5 淡水線諧波失真與改善分析 85
第五章 結論與未來研究方向 97
5.1 結論 97
5.2 未來研究方向 98
參考文獻 100

圖 目 錄

圖1-1 電聯車運轉的能源分布圖 3
圖2-1 捷運供電系統架構圖 8
圖2-2 捷運系統主變電站之單線圖 9
圖2-3 台北捷運路網牽引動力供電圖 10
圖2-4 牽引動力供電系統單線圖 11
圖2-5 車站變電站之單線圖 12
圖2-6 變壓變頻變流器控制系統圖 13
圖2-7 淡水線單一列車從車站R18至R16列車耗電量(再生發電量)、速度和時間的關係圖 16
圖2-8 台北捷運淡水線列車運轉軌跡圖 18
圖2-9 沒有IPT的並聯12脈波非控制型整流變壓器 19
圖2-10 變壓器二次側線電流波形 22
圖2-11 換流變壓器架構圖 24
圖2-12 循序法交/直流負載潮流分析系統模型 25
圖2-13 交/直流負載潮流分析流程圖 28
圖2-14 捷運淡水線尖峰時段某一快照時間系統單線圖 29
圖2-15 牽引動力變電站交/直流側電壓變化 30
圖2-16 牽引動力變電站之消耗功率 31
圖2-17 華捷主變電站(BSS1)尖離峰時段負載變化量 32
圖2-18 投捷主變電站(BSS2)尖離峰時段負載變化量 32
圖3-1 目標年離峰時段捷運淡水線多部列車之第三軌電壓變化 35
圖3-2 台北捷運淡水線起始年至目標年之班距組合 36
圖3-3 免疫系統示意圖 41
圖3-4 抗體(換流器規劃模式)之資料結構 42
圖3-5 執行免疫演算法流程圖 45
圖3-6 抗體間進行單點交換示意圖 47
圖3-7 抗體間進行突變示意圖 48
圖3-8 目標年離峰時段TSS4裝置換流器之電能消耗變化 51
圖3-9 目標年離峰時段TSS4與TSS3之間第112秒至第120秒時列車運行單線圖 51
圖3-10 目標年離峰時段TSS4裝置換流器前後之第三軌電壓變化 52
圖3-11 全部牽引動力變電站裝置換流器後之電能回收率 54
圖3-12 台北捷運淡水線裝置換流器後之電能回收率圖 54
圖3-13 捷運淡水線某一快照時間系統單線圖(裝置換流器) 56
圖3-14 捷運淡水線供電系統之電能消耗比較 56
圖3-15 捷運淡水線換流器規劃之成本效益比較 57
圖3-16 最佳化規劃換流器投資成本與系統電能消耗總成本(IA) 58
圖3-17 最佳化規劃換流器投資成本與系統電能消耗總成本(GA) 59
圖4-1 輸電線等效π模型 61
圖4-2 諧波潮流分析的流程圖 65
圖4-3 目標年尖峰時段牽引動力變電站總諧波電流失真率 66
圖4-4 目標年尖峰時段161kV各匯流排總諧波電壓失真率 67
圖4-5 目標年尖峰時段22kV各匯流排總諧波電壓失真率 67
圖4-6 目標年尖峰時段Bus13總諧波電壓失真率 68
圖4-7 目標年離峰時段161kV各匯流排總諧波電壓失真率 69
圖4-8 目標年離峰時段22kV各匯流排總諧波電壓失真率 69
圖4-9 目標年離峰時段Bus13總諧波電壓失真率 70
圖4-10 目標年尖峰時段各匯流排之隨機諧波分析 73
圖4-11 目標年離峰時段各匯流排之隨機諧波分析 73
圖4-12 Bus9隨機諧波電壓失真分析 74
圖4-13 Bus14隨機諧波電壓失真分析 75
圖4-14 濾波器裝置前Bus7(BSS1華捷)之頻率阻抗響應 77
圖4-15 濾波器裝置前Bus9(BSS2投捷)之頻率阻抗響應 77
圖4-16 各型濾波器電路示意圖 78
圖4-17 LC單調型濾波器之阻抗頻率響應 79
圖4-18 電容器容量成本 81
圖4-19 電感器容量成本 82
圖4-20 最佳化濾波器規劃之流程圖 84
圖4-21 BSS1各班距總諧波電壓失真率 87
圖4-22 BSS2各班距總諧波電壓失真率 88
圖4-23 161kV(Bus4)匯流排各班距總諧波電壓失真率 89
圖4-24 22kV(Bus14)匯流排各班距總諧波電壓失真率 89
圖4-25 目標年尖峰時段BSS1裝置濾波器後之總諧波電壓失真率 90
圖4-26 目標年尖峰時段BSS2裝置濾波器後之總諧波電壓失真率 91
圖4-27 目標年尖峰時段裝置濾波器後之隨機諧波分析 92
圖4-28 目標年離峰時段裝置濾波器後之隨機諧波分析 92
圖4-29 目標年尖峰時段BSS1虛功率之補償變化 95
圖4-30 目標年尖峰時段BSS2虛功率之補償變化 95
圖4-31 目標年尖峰時段BSS1之電壓變化(補償前後) 96
圖4-32 目標年尖峰時段BSS2之電壓變化(補償前後) 96

表 目 錄
表2-1 ia2之θ範圍 21
表3-1 成本效益比較表 58
表3-2 免疫演算法及遺傳演算法效能比較表 59
表4-1 濾波器參數 85
表4-2 濾波器容量與等效成本 86
表4-3 淡水線濾波器組切離模式 86
表4-4 淡水線BSS1濾波器組切換模式之功因改善對照表 93
表4-5 淡水線BSS2濾波器組切換模式之功因改善對照表 94

參考文獻

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