城市轨道交通能馈式牵引供电变流系统关键技术研究

摘要

城市轨道交通牵引供电系统用于为城轨车辆提供电能。当前世界各国城市轨道交通牵引供电系统仍采用传统的多脉波二极管整流方式，其具有结构简单、可靠性高、易于维护等优点，但是由于其能量只能单向传输，无法回收列车多余的再生制动能量，造成能量的极大浪费。本文提出一种基于大功率PWM整流器和二极管整流器的新型能馈式牵引供电变流系统方案，充分利用二者的优点，在保证系统良好的节能效果和直流电压稳定性的基础上，使系统具有较高的可靠性和性价比。文中对新型能馈式牵引供电变流系统主电路及控制的关键技术展开研究，并通过大量的仿真和实验进行了验证。
　　 首先，对PWM整流机组主电路及优化进行研究。以大容量、低谐波、模块化、高可靠性为目标进行主电路拓扑选择，得到一种基于隔离型多重化拓扑的无环流PWM整流机组主电路方案。提出了一种利用变压器漏感替代交流电感的系统优化方案，分析了变压器一二次侧不同连接方式对PWM整流器控制的影响，给出了“一次侧控制模式”和“二次侧控制模式”两种不同的PWM整流器控制模式。基于多重化谐波抵消机理，分析了多绕组变压器二次侧连接方式对谐波抵消效果的影响，并得出采用相同连接方式有利于谐波抵消的结论。
　　 其次，对基于器件级并联的单变流器扩容技术进行研究。将器件级并联分为IGBT直接并联和智能功率模块并联两个层面展开论述。分析了影响IGBT直接并联均流效果的主要因素，并给出了相应的解决措施。提出一种新的基于智能功率模块并联的单变流器扩容方案，并对其存在的动态环流问题进行了重点研究。在深入分析动态环流产生机理及影响因素的基础上，提出一种利用差模电抗抑制动态环流的解决方案，并借助仿真和实验进行了验证。
　　 第三，对PWM整流器多重化串并联控制进行研究。介绍了PWM整流器基于dq旋转坐标系的数学模型和控制方法。分析了基于电压源和电流源模型的串并联控制方案的工作原理和优缺点，提出了一种基于功率源模型的串并联控制方案，解决了多变流器复杂系统的串并联控制问题，并大大简化了控制系统结构。
　　 第四，对新型能馈式牵引供电的协调控制策略进行研究。分析了现有二极管整流机组的输出特性，给出了PWM整流机组下垂特性的两种实现方法--“减弱电压环控制”和“输出电流前馈控制”。建立了包含供电站、线路和列车的牵引供电系统简化模型，给出了供电站优化控制目标，提出三种典型的协调控制策略，并对各自的工作机理及优缺点进行了对比分析。搭建了基于二极管整流机组和PWM整流机组的新型能馈式牵引供电变流系统仿真模型，对三种典型的协调控制策略进行了仿真验证。
　　 最后，搭建了基于2MW能馈式牵引供电变流器样机的实验系统，分别进行了对拖实验、串并联实验、输出特性实验等多种实验。通过对大量实验波形、测量数据的分析和总结，验证了本文提出的主电路拓扑和控制策略的可行性，以及理论分析的正确性。

目录

文摘

英文文摘

致谢

1 引言

1.1 研究背景和意义

1.1.1 国内外城市轨道交通发展概况

1.1.2 列车再生能利用技术及存在问题

1.1.3 论文选题意义

1.2 能馈式牵引供电系统研究现状

1.2.1 新型能馈式牵引供电系统

1.2.2 二极管整流机组

1.2.3 PWM整流机组

1.3 本文主要研究内容及成果

2 PWM整流机组主电路及优化

2.1 无环流多重化主电路拓扑

2.1.1 直联型多重化主电路

2.1.2 隔离型多重化主电路

2.2 一种无交流电感的系统优化设计方案

2.2.1 基于谐波分析的交流电感取值

2.2.2 变压器漏感替代交流电感

2.2.3 漏感替代交流电感对控制的影响

2.3 变压器连接方式对系统影响分析

2.3.1 对谐波消除的影响分析

2.3.2 对PWM整流器控制的影响分析

2.3.3 仿真验证

2.4 本章小结

3 基于器件级并联的单变流器扩容技术

3.1 IGBT直接并联技术

3.1.1 静态均流问题

3.1.2 动态均流问题

3.2 智能功率模块并联技术

3.2.1 动态环流分析

3.2.2 动态环流抑制

3.2.3 仿真验证

3.3 本章小结

4 PWM整流器多重化串并联控制

4.1 PWM整流器数学模型和控制方法

4.2 基于电压源和电流源模型的多重化串并联控制

4.2.1 基于电压源模型的串联控制方案

4.2.2 基于电流源模型的并联控制方案

4.2.3 复杂系统串并联控制方案

4.3 基于功率源模型的多重化串并联控制

4.3.1 带压差修正的串联控制方案

4.3.2 无闭环并联控制方案

4.3.3 复杂系统的串并联控制方案

4.4 串并联控制策略对比分析

4.5 本章小结

5 能馈式牵引供电协调控制策略

5.1 二极管整流机组输出特性

5.1.1 等效电路模型

5.1.2 六脉波整流输出特性

5.1.3 十二脉波整流输出特性

5.2 PWM整流机组输出特性

5.2.1 稳压特性及实现

5.2.2 下垂特性及实现

5.2.3 两种输出特性对比

5.3 协调控制目标及策略

5.3.1 协调控制目标

5.3.2 协调控制策略

5.4 仿真验证

5.4.1 输出特性仿真

5.4.2 协调控制策略仿真

5.5 本章小结

6 实验系统设计及实验结果分析

6.1 实验系统组成

6.2 实验结果及分析

6.2.1 双变流器对拖实验

6.2.2 串并联及谐波抵消实验

6.2.3 输出特性实验

6.3 本章小结

7 总结与展望

7.1 本文工作总结

7.2 未来工作展望

参考文献

附录A：2MW样机实物图

附录B：实验系统实物图

作者简历

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