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基于多电平三相—单相变换器的贯通式同相牵引供电系统研究

何晓琼  
【摘要】:从铁路发展历程、建设规划和运输特点等方面看,电气化铁路仍然是我国未来可持续发展的一种重要交通系统。研究电气化铁路相关技术对促进铁路发展具有重要意义。牵引供电系统是电气化铁路的动力之源,因此,牵引供电系统对铁路尤其是高速、重载铁路的快速发展起着至关重要的作用。目前,既有牵引供电系统在过分相、电能质量和过载能力等方面的问题日显突出。基于既有线改造的同相牵引供电系统可有效改善电能质量、减少牵引供电系统一半的电分相,但仍不能彻底取消电分相实现牵引网全网互联。随着电力电子技术的发展,基于三相-单相变换器的贯通式同相牵引供电系统有望实现牵引网的全网互联。这种牵引供电系统可彻底取消电分相、大大改善公共电网和牵引网电能质量、有效调度牵引网潮流,并且可实现机车制动能量的再生利用和新能源的接入,是一种理想的新型牵引供电方式。考虑到牵引网高电压和大容量的需求,本文主要研究了基于二极管箝位五电平三相-单相变换器的贯通式同相牵引供电系统及其控制理论;对由此变换器并联组成的牵引变电所及贯通式同相牵引供电系统进行了理论分析、仿真和实验验证研究。论文首先分析了牵引供电方式和电力电子技术国内外研究和发展现状,指出了开展贯通式同相牵引供电系统相关研究的必要性;研究了二极管箝位五电平三相-单相变换器,深入分析了五电平三相PWM整流器和H桥单相PWM逆变器的拓扑结构和数学模型,设计了整流器和逆变器的控制策略并完成了三相-单相变换器的主电路参数设计;首次分析了采用45°SVPWM调制算法的变换器的谐波特性,给出了单相变换器造成直流侧电压“二次脉动”原因。其二,论文研究了二极管箝位多电平变换电路直流电容电压不平衡原理以及电容式辅助均压电路的工作原理、电路结构和控制策略;提出了二极管箝位五电平交直交变换器的一级电容式均压电路和二极管箝位多电平交直交变换器的单电容辅助均压电路及其简化电路,以及设计了相关电路实现均压的控制策略,通过仿真和实验验证了相关电路结构和控制策略的有效性,且所提出的均压方式不会改变主电路的结构和控制策略,在任意调制深度和负载类型下都能实现电压均衡。其三,根据牵引变电所容量配置要求,提出了电压源变换器并联的牵引变电所模型结构;在深入分析变换器并联产生环流的基础上,提出了改进型下垂均流控制策略,仿真验证了并联系统的环流分析结果和改进型下垂均流控制策略的有效性和可靠性。根据牵引供电系统特点,提出并搭建了以二极管箝位五电平三相-单相电压源型变换器和二极管箝位五电平三相-单相功率源型变换器混合并联所构成的贯通式同相牵引供电系统;提出了功率源变换器带自我检测有功无功电流给定的并网控制策略,该控制策略通过牵引网电压幅值和相位动态特性计算有功和无功功率给定;提出了贯通式同相牵引供电系统的无线主从自动分流并网控制策略,该控制策略可根据负载及线路阻抗特性实现多个牵引变电所自动分配有功和补偿无功的功能。论文最后设计了带辅助均压电路的三相-单相变换器的实验系统,研究了多变换器并联运行及多个牵引变电所并网运行的实验,实验结果验证了辅助均压电路的均压效果和基于该变换器在贯通式同相牵引供电系统中并联与并网运行的可行性。综上所述,基于三相-单相变换器的贯通式同相牵引供电系统能够彻底取消牵引网的电分相装置,有效调度牵引网潮流,降低变电所容量,能极大地改善牵引供电网和三相公用电网的电能质量,是一种高效、绿色、安全和柔性可控的新型牵引供电系统,具有广阔的发展前景。


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