同相供電牽引變電所直掛變流器拓撲結構與控制策略研究.pdf

1、單相工頻交流電氣化鐵路以其適用性、優(yōu)越性和可持續(xù)性等優(yōu)點成為當今乃至未來電力牽引的主流。機車負荷的單相性、非線性和隨機波動性等特點使得牽引供電系統(tǒng)存在諸如負序、諧波、無功、“過分相”、通信干擾、設備容量利用率等多方面的問題。綜合來看，當前電氣化鐵路突出的問題主要表現(xiàn)為以負序為主的電能質量問題和電分相問題兩個方面。有源補償同相供電系統(tǒng)作為一種理想的供電方案，動態(tài)性和靈活性強，有效地解決了電能質量和電分相問題。然而，受電力電子器件單管電壓等

2、級和容量的限制，目前的有源補償變流器往往需要借助于大量匹配變壓器和多重化技術以滿足電壓等級和容量的要求，無直掛型變流器。匹配變壓器起到升高電流降低電壓的作用，對改善有源補償容量并無貢獻。這不但增加了變壓器投資和系統(tǒng)損耗，而且?guī)碓O備占地和散熱等問題，給工程實施帶來諸多不便，特別是既有線改造場地受限時更為明顯。因此，開展同相牽引供電系統(tǒng)有源補償直掛變流器的研究具有重要的意義。
　　分析了模塊化多電平換流器不同類型子模塊的結構特點和工

3、作特性，提出了基于半橋子模塊的HBSM MMC型及基于全橋子模塊的FBSM MMC型和級聯(lián)H橋型直掛變流器拓撲方案，適用于牽引變電所120°和90°接線系統(tǒng)。對不同拓撲結構的變壓、變頻、耦合形式、橋臂聯(lián)結方式等方面進行了比較，指出了各自適用場合。提出了不同拓撲結構變流器橋臂子模塊數(shù)選擇方法和電容、電感參數(shù)設計原則。
　　在解決直掛型有源補償變流器電壓等級和容量的同時，不容忽視有源補償容量帶來的成本投資。將補償度引入直掛變流器中，研

4、究了有功補償型和無功補償型直掛變流器補償容量與負序補償度、無功補償度和諧波補償度的關系。指出可根據(jù)國標對電能質量的要求實施滿意度補償。在相同的有源補償容量下，不同拓撲結構形式的直掛變流器所需的IGBT的數(shù)目和單管容量也不盡一致。探討了IGBT器件的補償容量利用率，提出了基于IGBT器件補償容量利用率的優(yōu)化方案。研究了有功補償型和無功補償型直掛變流器補償容量與牽引變壓器接線形式、負荷接入端口及負荷屬性之間的關系，給出了有源補償容量優(yōu)化匹配

5、的牽引變電所系統(tǒng)結構。另外，以單相組合式同相供電為基礎，提出了一種城市軌道交通多相組合式供電方案，給出了各類負荷有源補償容量優(yōu)化方法。對同相供電直掛變流器進行了統(tǒng)一化分類，探討了雙口功率補償型和三端功率補償型變流器補償特性與容量優(yōu)化匹配關系。
　　開展了同相供電牽引變電所直掛變流器控制策略研究。研究了最近電平逼近和電容電壓排序控制策略，針對改進型功率子模塊結構，提出了適用于多電平功率子模塊的分組降元排序法和基于雙極性功率子模塊的混

6、合聯(lián)結模塊化多電平橋臂電容電壓平衡控制方法。研究了載波移相正弦脈寬調(diào)制和電容能量預估控制策略，提出一種載波移相正弦脈寬調(diào)制與電容能量預估相結合的控制方法，大大減少了比例積分環(huán)節(jié)，降低控制系統(tǒng)的復雜度和數(shù)據(jù)交互與處理的頻度，并能較好適用于牽引負荷多變的應用場合。對直掛變流器橋臂間的環(huán)流進行了分析，給出了一種基于環(huán)流直流分量預測的比例諧振PR控制器的環(huán)流抑制方法。
　　最后，在Matlab/Simulink中搭建了基于直掛變流器的同相