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基于MMC-RPC牵引网电能质量治理研究

雷文琪  
【摘要】:中国电气化铁路迅猛发展,随之给牵引供电系统带来的负序、无功及谐波问题日益严重,威胁着牵引网及公用电网的安全稳定运行。铁路功率调节器(Railway Static Power Conditioner,RPC)最早由日本专家提出,该装置在解决铁路牵引供电系统中的电能质量问题方面做出了重大贡献。模块化多电平换流器(Modular Multilevel Converter,MMC)结构的RPC,能够有效解决牵引网中负序、谐波及无功失衡等问题,且克服了传统RPC的缺点。本文以MMC-RPC为研究对象,实现对电气化铁路牵引网电能质量问题的治理研究,展开了以下工作:首先,分析MMC-RPC结构,阐述了单相MMC运行原理,对MMC-RPC模型建立进行了深入研究,建立了其常规模型,为MMC-RPC控制器设计提供理论支撑。并且采用动态相量法推导出在普遍使用的双闭环控制下,变流器自身所产生的电压、电流谐波关系式,从理论上确定传统双闭环控制的MMC-RPC在工作时所产生的各次谐波量,从而建立MMC-RPC谐波模型。其次,开展了MMC-RPC控制策略的研究。从电流及功率两个方面分析V/v牵引变压器补偿原理,为MMC-RPC改善牵引网负序、谐波及无功问题提供补偿目标。提出了一种适用于模块化多电平换流器的功率解耦下垂控制,该控制方法考虑了传输线路的损耗对牵引网电能质量问题治理效果的影响,可有效减小无功功率分配误差。并且针对传统双闭环控制器不能保障系统输出量精确的问题,通过微分平坦的误差反馈控制对建立的内环参数进行修正,能够准确跟随参考值,且有良好的动态响应。在Matlab/Simulink中进行仿真实验,结果表明,牵引变压器原边负序电流能够很好的消除,不平衡度大大降低,且MMC-RPC输出功率能够很好的跟随期望功率值,功率波动较小,牵引供电系统的电能质量得到进一步提升。最后,根据基于动态相量法的谐波模型,兼顾对变流器产生的谐波与牵引网中谐波共同治理,提出了一种对电压环比例谐振控制,对电流环比例复数积分控制的谐波控制策略,在Matlab/Simulink中通过对仿真波形分析,验证了控制器能够对谐波进行有效消除,MMC-RPC投入使用后,系统THD含量大大降低,达到很好的谐波抑制效果;通过与传统双闭环PI控制进行对比,验证了所提出的谐波抑制策略对供电区段电流平衡以及牵引变压器原边负序电流治理的有效性。


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