V-v牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量綜合控制技術(shù)及應(yīng)用研究.pdf

1、鐵路特別是電氣化鐵路作為國民經(jīng)濟(jì)的大動脈、國家重要基礎(chǔ)設(shè)施和大眾化交通工具，對國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展具有重要作用。隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)在鐵路行業(yè)中日益廣泛地使用，電力電子設(shè)備固有的非線性特征和電力機(jī)車的供電驅(qū)動方式，對牽引供電系統(tǒng)造成多種污染，對公用電網(wǎng)和電力機(jī)車的安全、穩(wěn)定、高效、經(jīng)濟(jì)運行與控制帶來了不可忽視的消極作用。因此，對牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量進(jìn)行有效治理就成為當(dāng)前鐵路發(fā)展面臨的重大課題，具有重要的現(xiàn)實意義。
　　本文在多項科研

2、課題的支持下，針對目前電氣化鐵路電能質(zhì)量問題，深入研究了一種牽引供電所電能質(zhì)量綜合控制系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略，并對其優(yōu)化控制及工程應(yīng)用等問題展開了一系列研究。論文的主要工作和創(chuàng)新點如下:
　　(1)提出了一種V/v牽引供電所電能質(zhì)量綜合控制系統(tǒng)(V/v-Power QualityManage System，V/v-PQMS)，該補(bǔ)償系統(tǒng)由背靠背電壓源換流器(Voltage sourceconverter，VSC)和無源固定電容(F

3、ixed Capacity，F(xiàn)C)構(gòu)成，分析了該補(bǔ)償系統(tǒng)的綜合治理原理，并對單相多重化電壓源換流器的開關(guān)模式和載波移相調(diào)制方法進(jìn)行了研究。仿真結(jié)果表明，所提綜合補(bǔ)償裝置能實現(xiàn)綜合補(bǔ)償效果。
　　(2)提出了一種靜止坐標(biāo)系下V/v-PQMS控制策略。分別建立了靜止abc坐標(biāo)系模型、αβ坐標(biāo)系模型和dq坐標(biāo)系模型，在此基礎(chǔ)上對兩相同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下比例積分(Proportion Integration，PI)控制進(jìn)行討論，然后對兩相靜止

4、坐標(biāo)系下準(zhǔn)比例諧振(Quise Proportional Resonant，QPR)控制器的典型表達(dá)和基本特性進(jìn)行分析，特別關(guān)注QPR控制器的參數(shù)設(shè)計和穩(wěn)定性分析。針對動態(tài)調(diào)節(jié)的快速性和牽引負(fù)荷波動造成的供電臂電壓波動問題，給出了考慮穩(wěn)態(tài)特性和抗擾動能力的QPR控制器設(shè)計方法。仿真對比結(jié)果表明，相比于PI控制策略，QPR控制策略在保證良好的負(fù)序、無功治理效果的同時，能有效改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。
　　(3)提出了一種V/v-PQMS非

5、對稱補(bǔ)償設(shè)計方法。對V/v變壓器兩供電臂饋線所掛FC的補(bǔ)償容量進(jìn)行了推導(dǎo)，得出了V/v-PQMS系統(tǒng)FC非對稱補(bǔ)償容量計算公式，并就FC對稱補(bǔ)償容量和非對稱補(bǔ)償容量進(jìn)行了對比分析。為了減少VSC實時功率和損耗，從而提高裝置長期運行能力，研究了電能質(zhì)量參數(shù)優(yōu)化補(bǔ)償原理，并對比分析了電能質(zhì)量參數(shù)完全補(bǔ)償和優(yōu)化補(bǔ)償之間的差異。分析了電網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量指標(biāo)參數(shù)與VSC補(bǔ)償功率給定值之間的關(guān)系，建立了V/v-PQMS補(bǔ)償功率優(yōu)化模型。為了滿足優(yōu)化算法

6、準(zhǔn)確性、快速性和穩(wěn)定性要求，提出了一種基于大爆炸算法的混合型蛙跳簡化粒子群算法。最后對所得優(yōu)化模型進(jìn)行了算例分析，證明了V/v-PQMS補(bǔ)償功率給定值優(yōu)化計算的有效性和可行性。
　　(4)搭建了V/v-PQMS原理樣機(jī)，設(shè)計了原理樣機(jī)控制系統(tǒng)。對原理樣機(jī)主要部件參數(shù)設(shè)計方法進(jìn)行了探討，分析了連接電抗和直流電容取值計算方法。設(shè)計了背靠背電壓源換流器驅(qū)動電路，介紹了現(xiàn)場DSP控制器硬件結(jié)構(gòu)和參考電壓過零捕捉電路。最后對原理樣機(jī)進(jìn)行了實

7、際測試和數(shù)據(jù)分析，為工程樣機(jī)的試制奠定了基礎(chǔ)。
　　(5)研制了V/v-PQMS工程樣機(jī)。結(jié)合實際設(shè)計經(jīng)驗對工程樣機(jī)關(guān)鍵參數(shù)計算選型公式進(jìn)行了推導(dǎo)。根據(jù)實際測試結(jié)果對治理前后電壓不平衡度、功率因數(shù)、諧波畸變和電壓波動等各項電能質(zhì)量指標(biāo)進(jìn)行了詳細(xì)的對比分析。結(jié)果表明V/v-PQMS投運后，電壓不平衡度、功率因數(shù)、諧波畸變和電壓波動等各項指標(biāo)都能滿足國標(biāo)要求，驗證了綜合治理方式的有效性和實用性。同時由于電網(wǎng)側(cè)和牽引側(cè)電能質(zhì)量的改善，提