铁路牵引电网功率调节器信号检测与输出控制方法研究

摘要

随着中国高速铁路的快速发展，铁路牵引电网的电能质量问题受到了越来越多的关注。而当前中国多数铁路线处于交-直型与交-直-交型电力机车混跑的局面，牵引网中的负序、无功及谐波问题尤为突出，严重影响电力系统安全。因此，针对牵引网电能质量问题采取有效的治理措施，对中国铁路安全稳定的向高速化、重载化发展具有十分重要的意义。
　　论文通过对牵引电网电能质量补偿装置的研究现状对比分析，选取具有能够直接实现有功功率在两供电臂间双向流动的铁路功率调节器(Railway Static Power Conditioner，RPC)为研究对象。给出了基于Scott牵引变压器的RPC综合补偿系统的拓扑结构和工作原理。分析了系统内部电压电流以及功率之间的流动关系。针对Scott变压器牵引供电系统，提出了一种基于FBD(Fryze-Buchholz-M.Dpenbrock，FBD)理论的信号指令电流的新型检测方法，实现了负序、谐波及无功分量从总指令电流中的分离，提高了RPC补偿目标的灵活性。同时，在检测系统中采用积分均值滤波器替代了传统的低通滤波器，加快了系统检测速度。为提高RPC电流跟踪精度与动态响应速度，提出了一种滞环+比例谐振(Proportion Resonance，PR)控制的复合控制策略。缓解了电流跟踪精度与响应速度间的矛盾。RPC刚投入系统时，直流侧电容电压会发生较大超调，为此，提出了由常规PI控制器与变参数PI（PI Controller with Variable Arguments，VAPI）控制器组成的复合PI控制方法，消除了电压超调以及电流冲击问题。仿真结果验证了两种复合控制方法的有效性。为验证RPC补偿系统对牵引电网中谐波、无功和负序的综合补偿效果，在Matlab/simulink中对牵引网中常见的三种运行工况进行模拟仿真。仿真结果表明RPC综合补偿性能良好。
　　论文最后对RPC补偿系统建立总体结构设计方案，研究了RPC主电路元件的参数设计以及控制系统的设计。对主电路中IGBT模块的选型，输出变压器变比与容量，交流侧输出电感以及直流侧电容容量与参考电压进行了参数设计。介绍了RPC控制系统的硬件与软件设计。重点介绍了DSP芯片的外围电路的设计以及主程序和中断服务子程序的设计方法。为后续工作的展开奠定了基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 牵引电网电能质量的问题产生及危害

1．2．1 无功功率与谐波的产生及其危害

1．2．2 负序电流的产生及其危害

1．2．3 电压偏差、波动与闪变

1．3 铁路牵引网电能质量治理研究现状

1．4 铁路功率调节器研究现状

1．4．1 RPC主电路拓扑结构研究现状

1．4．2 RPC信号电流检测方法研究现状

1．4．3 RPC输出控制方法研究现状

1．5 论文主要研究内容

第二章 功率调节器主电路拓扑及工作特性

2．1 RPC主电路拓扑与补偿原理

2．2 RPC动态工作模型

2．2．1 RPC等效电路

2．2．2 RPC动态模型

2．3 RPC动态工作特性分析

2．3．1 电压电流特性分析

2．3．2 功率特性分析

2．4 本章小结

第三章 基于FBD理论的功率调节器信号检测方法

3．1 FBD理论

3．2．1 Scott变压器电压电流特性分析

3．3．2 Scott变压器输出侧电流检测原理

3．3 功率调节器指令信号检测

3．3．1 系统检测原理图

3．3．2．积分均值滤波器

3．4 仿真验证

3．5 本章小结

第四章 功率调节器交直流侧控制策略研究

4．1 交流电流的复合控制策略

4．1．1 三角载波比较控制

4．1．2 滞环控制

4．1．3 滞环+比例谐振复合控制

4．1．4 比例谐振控制器原理

4．2 直流电压复合PI控制策略

4．3 RPC系统控制原理

4．4 仿真验证

4．4．1 交流侧电流复合控制策略的仿真

4．4．2 直流电压复合控制策略的仿真

4．5 本章小结

第五章 RPC补偿系统综合仿真

5．1 仿真模型与参数

5．2 仿真结果

5．3 本章小结

第六章 功率调节器主电路与控制系统设计

6．1 系统总体结构设计

6．2 主电路元件参数设计

6．2．1 功率开关模块的选型

6．2．2 RPC输出侧变压器的设计

6．2．3 直流侧电容的设计

6．2．4 交流侧电感参数设计

6．3 控制系统硬件设计

6．3．1 中央处理器

6．3．2 控制系统硬件总体设计

6．3．3 电压过零捕捉电路的设计

6．3．4 信号调理电路的设计

6．3．5 驱动及保护电路的设计

6．4 控制系统软件流程设计

6．4．1 主程序流程设计

6．4．2 中断服务子程序流程设计

6．5 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录