同相供電牽引變電所直掛變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與控制策略研究.pdf

1、單相工頻交流電氣化鐵路以其適用性、優(yōu)越性和可持續(xù)性等優(yōu)點(diǎn)成為當(dāng)今乃至未來電力牽引的主流。機(jī)車負(fù)荷的單相性、非線性和隨機(jī)波動性等特點(diǎn)使得牽引供電系統(tǒng)存在諸如負(fù)序、諧波、無功、“過分相”、通信干擾、設(shè)備容量利用率等多方面的問題。綜合來看，當(dāng)前電氣化鐵路突出的問題主要表現(xiàn)為以負(fù)序?yàn)橹鞯碾娔苜|(zhì)量問題和電分相問題兩個方面。有源補(bǔ)償同相供電系統(tǒng)作為一種理想的供電方案，動態(tài)性和靈活性強(qiáng)，有效地解決了電能質(zhì)量和電分相問題。然而，受電力電子器件單管電壓等

2、級和容量的限制，目前的有源補(bǔ)償變流器往往需要借助于大量匹配變壓器和多重化技術(shù)以滿足電壓等級和容量的要求，無直掛型變流器。匹配變壓器起到升高電流降低電壓的作用，對改善有源補(bǔ)償容量并無貢獻(xiàn)。這不但增加了變壓器投資和系統(tǒng)損耗，而且?guī)碓O(shè)備占地和散熱等問題，給工程實(shí)施帶來諸多不便，特別是既有線改造場地受限時更為明顯。因此，開展同相牽引供電系統(tǒng)有源補(bǔ)償直掛變流器的研究具有重要的意義。
　　分析了模塊化多電平換流器不同類型子模塊的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工

3、作特性，提出了基于半橋子模塊的HBSM MMC型及基于全橋子模塊的FBSM MMC型和級聯(lián)H橋型直掛變流器拓?fù)浞桨福m用于牽引變電所120°和90°接線系統(tǒng)。對不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變壓、變頻、耦合形式、橋臂聯(lián)結(jié)方式等方面進(jìn)行了比較，指出了各自適用場合。提出了不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變流器橋臂子模塊數(shù)選擇方法和電容、電感參數(shù)設(shè)計原則。
　　在解決直掛型有源補(bǔ)償變流器電壓等級和容量的同時，不容忽視有源補(bǔ)償容量帶來的成本投資。將補(bǔ)償度引入直掛變流器中，研

4、究了有功補(bǔ)償型和無功補(bǔ)償型直掛變流器補(bǔ)償容量與負(fù)序補(bǔ)償度、無功補(bǔ)償度和諧波補(bǔ)償度的關(guān)系。指出可根據(jù)國標(biāo)對電能質(zhì)量的要求實(shí)施滿意度補(bǔ)償。在相同的有源補(bǔ)償容量下，不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)形式的直掛變流器所需的IGBT的數(shù)目和單管容量也不盡一致。探討了IGBT器件的補(bǔ)償容量利用率，提出了基于IGBT器件補(bǔ)償容量利用率的優(yōu)化方案。研究了有功補(bǔ)償型和無功補(bǔ)償型直掛變流器補(bǔ)償容量與牽引變壓器接線形式、負(fù)荷接入端口及負(fù)荷屬性之間的關(guān)系，給出了有源補(bǔ)償容量優(yōu)化匹配

5、的牽引變電所系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。另外，以單相組合式同相供電為基礎(chǔ)，提出了一種城市軌道交通多相組合式供電方案，給出了各類負(fù)荷有源補(bǔ)償容量優(yōu)化方法。對同相供電直掛變流器進(jìn)行了統(tǒng)一化分類，探討了雙口功率補(bǔ)償型和三端功率補(bǔ)償型變流器補(bǔ)償特性與容量優(yōu)化匹配關(guān)系。
　　開展了同相供電牽引變電所直掛變流器控制策略研究。研究了最近電平逼近和電容電壓排序控制策略，針對改進(jìn)型功率子模塊結(jié)構(gòu)，提出了適用于多電平功率子模塊的分組降元排序法和基于雙極性功率子模塊的混

6、合聯(lián)結(jié)模塊化多電平橋臂電容電壓平衡控制方法。研究了載波移相正弦脈寬調(diào)制和電容能量預(yù)估控制策略，提出一種載波移相正弦脈寬調(diào)制與電容能量預(yù)估相結(jié)合的控制方法，大大減少了比例積分環(huán)節(jié)，降低控制系統(tǒng)的復(fù)雜度和數(shù)據(jù)交互與處理的頻度，并能較好適用于牽引負(fù)荷多變的應(yīng)用場合。對直掛變流器橋臂間的環(huán)流進(jìn)行了分析，給出了一種基于環(huán)流直流分量預(yù)測的比例諧振PR控制器的環(huán)流抑制方法。
　　最后，在Matlab/Simulink中搭建了基于直掛變流器的同相