V/V牵引供电系统中铁路功率调节器的控制系统研究

【摘要】：铁路机车单相供电的形式,机车负载的不平衡,以及机车负载与线路自身的谐波特性会对三相供电系统造成较大的负序、谐波等电能质量问题。铁路功率调节器(Railway Static Conditioner,RPC),作为一种牵引变压器两侧集中治理电能质量的装置,实现了两供电桥臂的电气连接,可以运行在四象限的工作方式下,实现有功、无功的转移以及谐波的治理。本论文以V/V牵引变压器下的RPC装置为主要的研究对象,开展了以下工作:(1)分析了RPC的工作方式,将RPC的数学模型简化为单相桥臂的供电结构,建立了简化后的数学模型,分析了隔离变压器对系统的影响;(2)从数学上推导了RPC补偿指令的提取原理。其中,单相软件锁相环以及低通滤波器对补偿信号的提取起着主要的作用。使用了一种前置广义二阶低通滤波器,在数字域其频率自适应性实现较为困难,需要改进滤波器结构。在此基础上探讨了两种锁相环,离散谐振器(discrete resonator,DR)锁相环具有离散域设计方便的特点,降阶谐振(reduced order resonant controller)锁相环具有计算量小,实现灵活的特点,在处理器性能不足时可以节约资源。使用了串联的滤波器结构,该结构的滤波器在提取直流信号时提取速度较快,且提取的直流信号较为平滑;(3)RPC的控制器设计是RPC功能实现的核心部分。电流滞环的控制方法实现和设计较为简单,但是其开关周期的不确定性对开关管的要求较大。比例积分控制器作为一种使用较为广泛的控制器,理论比较成熟,该种算法对交流分量的跟踪较弱,谐波补偿能力不足,要实现谐波补偿需要大量的坐标变换,对数字控制器要求较高。重复控制器对周期性谐波的治理能力较强,但是其动态性能较弱,一般使用复合型重复控制器来协调控制器速度与精度的矛盾。使用了一种动态延时重复控制器结构,但是其设计较为复杂,对参数较为敏感,将闭环设计的思想引入重复控制设计中,使得改进以后的控制器易于设计和实现,重复控制器虽然全局谐波抑制能力很强,但是有时候并不需要全局的谐波补偿能力。为了提高控制器的调节速度,使用了一种改进的无差拍控制器。为了治理各次的谐波,使用了改进的并联准谐振控制器,实验表明该算法的有效性。(4)为了验证RPC的功能,搭建了20kW样机系统。重点使用了并联准谐振的控制器结构对该平台进行了验证。