基于免疫多智能体的高速铁路混合式无功负序综合补偿系统研究

【摘要】：高速铁路以其高效、快捷、安全、节能和环保等优势成为世界各国争相发展的绿色交通方式。目前,我国已有近万公里的高速铁路开通运营,是世界上高铁运营速度最快、里程最长的国家。相比常规电气化铁路机车,我国高速铁路动车组采用技术先进、性能优越的大功率“交-直-交"型牵引传动系统,其运行时具有功率因数高,谐波含量少等优势。但由于铁路单相供电特性,使高速铁路牵引供电负荷具有大功率、非平稳和非对称等特征,在运行会造成严重的供电系统三相不平衡问题。 为了解决高铁所带来的电能质量问题,本文提出一种基于大容量磁控型静止无功补偿器(Magnetic control static var compensator, MSVC)和小容量铁路功率调节器(Realway static power conditioner, RPC)的高速铁路混合式无功负序综合补偿系统。其中MSVC装置负责补偿高铁负载所产生的大量负序电流和少量无功电流,而RPC装置主要负责对负荷快速波动所引起的负序电流变化进行快速跟踪补偿,而当负载不平衡电流超出MSVC系统补偿范围时,RPC将配合MSVC补偿系统补偿剩余的系统不平衡电流。针对传统晶闸管控制电抗器(Thyristor controlled reactor, TCR)型SVC输出谐波大、成本高等缺点,本文采用的MSVC由成本较低的多级磁阀式可控电抗器(Multi-Stage Saturable Magnetically Controllable Reactor, MSMCR)和LC滤波支路并联组成,通过不同磁阀截面的分段饱和特性有效降低MSMCR装置的谐波输出。同时,本文提出一种基于模块组合多电平变流器(Modular Multi-level Converter, MMC)背靠背结构的新型RPC装置,克服了传统变换器耐压水平低的问题,提高了装置输出电压电流波形质量,有效弥补了MSVC装置在动态响应性上的不足,减少了MSVC装置的补偿容量。 本文在高铁混合式无功负序补偿原理的基础上,以满足相关电能质量国家标准和行业标准为前提,建立了混合式补偿系统优化设计数学模型,通过推导获得系统优化补偿策略,并获得不同RPC容量配比情况下的MSVC系统最小安装容量。当以补偿单车最大牵引负载为基准配置RPC容量时,相比于完全补偿策略,优化后的补偿系统中MSVC的总安装容量最大可以降低54%,进一步提高了系统经济补偿特性。 同时考虑到以单一站点为目标进行补偿会在实际运行时造成极大的补偿装置容量闲置问题,并忽略了系统相邻站点轮流换相所产生的负序分量抵消作用。本文在单站补偿思想的基础上,提出了一种高速铁路多站点协同补偿思想,并参考人工免疫机制,配合多智能体系统设计思想,设计了一套基于人工免疫的高速铁路多站点协同补偿多智能体系统,该系统能够在保证220kV系统公共供电母线三相电流平衡的基础上,兼顾各站点自身电能质量要求,极大的减少了协同补偿系统整体的补偿装置安装容量,提高了系统各补偿单元的有效利用率。 本文在MATLAB的simulink仿真软件中搭建了混合式补偿系统仿真模型,并在实验室低压环境下,搭建了高速铁路混合式无功负序综合补偿系统模拟实验平台。相关仿真和实验结果充分证明了本文所提补偿理论的正确性和有效性。