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城轨牵引供电系统整流器无源控制研究

田玖婷  
【摘要】:随着社会进步和经济发展,城市轨道交通作为城市交通客流运输的重要途径,一定程度上解决了城市交通拥堵问题,在全世界呈现良好的发展态势。等效24脉波整流机组作为直流牵引供电系统的主流,逐渐代替12脉波整流。直流牵引供电系统的核心设备-多脉波整流器是谐波的主要来源,会造成谐波污染,同时多脉波整流不能实现能量回馈,因此在目前牵引供电系统的相关研究中,三相电压型PWM整流器以其单位功率因数整流、能量双向流动特性的巨大优势,得到国内外学者的广泛关注。对城轨系统整流器控制方法的不断改进和创新会很大程度上抑制谐波,降低工程造价。无源控制是从能量的角度出发,对无源性系统进行实时控制的策略,其理论基础是系统稳定性理论。本文以PBC(Passivity Based Control,无源控制)理论为基础,提出了将三相电压型PWM整流器应用于城轨牵引供电系统的构想,设计三相电压型PWM整流器无源功率控制器,达到整流器系统全局稳定,无奇异点的目标。首先,本文详细介绍了城市轨道交通的现状,PWM整流器各种控制策略的相关研究,对国内外城市轨道交通普遍采用的12和等效24脉波整流器进行了仿真验证,可以得出多脉波整流含有的谐波次数。多脉波整流能量单向流动性使列车制动产生的能量不能回馈到电网,造成了能量的浪费。其次,详细论述了无源控制理论的相关内容,推导了三相电压型PWM整流器的数学模型,通过坐标变换求出整流器在两相同步旋转dq坐标系下的整流器的EL(Euler-Lagrange,欧拉-拉格朗日)模型,通过无源性的判定依据对三相电压型PWM整流器的无源性进行验证。然后,根据整流器的EL模型对无源功率控制规律进行了推导,确定出整流器的期望平衡点,通过注入阻尼来提高系统的响应速度,设计出系统的误差存储函数。通过EL模型以及期望误差得到相应的控制规律,对整流器控制进行了仿真验证,仿真分析了机车在负载扰动、机车制动、电网不平衡条件下整流器的性能。最后,将无源功率控制器与双闭环控制器对城轨整流器的控制效果进行仿真比较分析,包括各工况对网侧电压、电流、谐波、功率因数的影响,表明无源性功率控制具有更好的控制效果。


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