基于三相-单相变换器的贯通式同相供电系统研究

【摘要】：铁路作为重要的出行、货运方式,与国家的发展战略和国民日常生活息息相关。随着“八纵八横”铁路网规划的实施,我国的铁路运输正朝着电气化、高速化、重载化的方向发展。牵引供电系统是电气化铁路的动力核心,而目前,传统的牵引供电系统中不仅存在着诸多电能质量问题,其系统中设置的电分相也严重制约了高速、重载铁路的发展。近年来,电力电子技术和多电平技术领域的研究日新月异,基于三相-单相变换器的贯通式同相供电技术的出现,为解决牵引供电系统中的电能质量问题带来了契机。在大容量、大功率的应用场合下,模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converters,MMC)比普通三电平变换器更具有优势,不仅可以降低成本,还可以提高输出电压的质量,故将MMC应用于贯通式牵引供电系统中。本文对基于MMC三相-单相变换器的贯通式同相牵引供电系统进行了研究,主要工作内容如下:首先,对多电平变换器和贯通式同相供电系统的发展现状进行了介绍,并讨论了MMC子模块在系统中的三种工作模式。为了研究MMC四象限运行特性,本文从数学模型和等效电路图两方面对单相MMC展开研究。分析了相间环流的产生机理及其对变换器三相侧和单相侧的影响,并采取了相应的抑制措施。其次,研究了MMC三相-单相变换器的拓扑结构,分析了其工作原理。介绍了MMC三相-单相变换器三相整流侧和单相逆变侧的控制策略。采用基于有功和无功电流解耦的双闭环控制策略对整流侧进行控制,并采用一种基于电压有效值的控制策略对逆变侧进行控制。接着,对贯通式同相牵引供电系统进行阻抗分析,并剖析了牵引变电所间环流产生的机理,在Multisim仿真软件中搭建了三电源并网的仿真模型,进行仿真验证;对分布在不同地理位置的牵引变电所,在不增加附加通信线路的情况下,不能实现输出电压一致,因此,本文提出一种基于北斗卫星导航系统(Bei Dou Navigation Satellite System,BDS)的秒脉冲自同步的多变换器并网控制策略,并通过仿真验证了该策略可行性。最后,利用Matlabl/simulink仿真平台对MMC三相-单相变换器进行建模仿真。分析了该系统在各种工况下整流侧与逆变侧输出电压的动态和稳态结果,证明了所提控制策略的正确性。