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V/v牵引供电系统电能质量综合控制技术及应用研究

罗培  
【摘要】:铁路特别是电气化铁路作为国民经济的大动脉、国家重要基础设施和大众化交通工具,对国民经济和社会发展具有重要作用。随着现代电力电子技术在铁路行业中日益广泛地使用,电力电子设备固有的非线性特征和电力机车的供电驱动方式,对牵引供电系统造成多种污染,对公用电网和电力机车的安全、稳定、高效、经济运行与控制带来了不可忽视的消极作用。因此,对牵引供电系统电能质量进行有效治理就成为当前铁路发展面临的重大课题,具有重要的现实意义。本文在多项科研课题的支持下,针对目前电气化铁路电能质量问题,深入研究了一种牵引供电所电能质量综合控制系统拓扑结构和控制策略,并对其优化控制及工程应用等问题展开了一系列研究。论文的主要工作和创新点如下:(1)提出了一种V/v牵引供电所电能质量综合控制系统(V/v-Power Quality Manage System,V/v-PQMS),该补偿系统由背靠背电压源换流器(Voltage source converter,VSC)和无源固定电容(Fixed Capacity,FC)构成,分析了该补偿系统的综合治理原理,并对单相多重化电压源换流器的开关模式和载波移相调制方法进行了研究。仿真结果表明,所提综合补偿装置能实现综合补偿效果。(2)提出了一种静止坐标系下V/v-PQMS控制策略。分别建立了静止abc坐标系模型、αβ坐标系模型和dq坐标系模型,在此基础上对两相同步旋转坐标系下比例积分(Proportion Integration,PI)控制进行讨论,然后对两相静止坐标系下准比例谐振(Quise Proportional Resonant,QPR)控制器的典型表达和基本特性进行分析,特别关注QPR控制器的参数设计和稳定性分析。针对动态调节的快速性和牵引负荷波动造成的供电臂电压波动问题,给出了考虑稳态特性和抗扰动能力的QPR控制器设计方法。仿真对比结果表明,相比于PI控制策略,QPR控制策略在保证良好的负序、无功治理效果的同时,能有效改善系统的动态性能。(3)提出了一种V/v-PQMS非对称补偿设计方法。对V/v变压器两供电臂馈线所挂FC的补偿容量进行了推导,得出了V/v-PQMS系统FC非对称补偿容量计算公式,并就FC对称补偿容量和非对称补偿容量进行了对比分析。为了减少VSC实时功率和损耗,从而提高装置长期运行能力,研究了电能质量参数优化补偿原理,并对比分析了电能质量参数完全补偿和优化补偿之间的差异。分析了电网侧电能质量指标参数与VSC补偿功率给定值之间的关系,建立了V/v-PQMS补偿功率优化模型。为了满足优化算法准确性、快速性和稳定性要求,提出了一种基于大爆炸算法的混合型蛙跳简化粒子群算法。最后对所得优化模型进行了算例分析,证明了V/v-PQMS补偿功率给定值优化计算的有效性和可行性。(4)搭建了V/v-PQMS原理样机,设计了原理样机控制系统。对原理样机主要部件参数设计方法进行了探讨,分析了连接电抗和直流电容取值计算方法。设计了背靠背电压源换流器驱动电路,介绍了现场DSP控制器硬件结构和参考电压过零捕捉电路。最后对原理样机进行了实际测试和数据分析,为工程样机的试制奠定了基础。(5)研制了V/v-PQMS工程样机。结合实际设计经验对工程样机关键参数计算选型公式进行了推导。根据实际测试结果对治理前后电压不平衡度、功率因数、谐波畸变和电压波动等各项电能质量指标进行了详细的对比分析。结果表明V/v-PQMS投运后,电压不平衡度、功率因数、谐波畸变和电压波动等各项指标都能满足国标要求,验证了综合治理方式的有效性和实用性。同时由于电网侧和牵引侧电能质量的改善,提高了铁路经济效益,实现了电力公司和铁路企业双赢,取得了显著的经济效益和社会效益。


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