基于V/v变压器的电气化铁路电能质量控制系统研究

摘要

随着我国电气化铁路的迅速发展，高速、大功率电力机车的广泛使用给牵引供电系统带来的负序、无功与谐波问题日益突出。为了有效治理电气化铁路的电能质量问题，国内外的学者提出了多种综合治理方案，本文提出了基于V/v变压器的电气化铁路电能质量控制系统（V/v-Railway Power Quality Manage System，V/v-RPQMS），该装置通过多绕组隔离变压器级联多个背靠背换流器，有效提高装置的补偿容量，降低换流器自身产生的谐波，面对发展迅速的高速铁路，有较好的应用推广潜力。本文的具体内容如下：
　　首先，介绍了电气化铁路的特点及其面临的电能质量问题，这些电能质量问题对电网产生的影响以及常见的治理措施，并简要介绍了国内外的换流器控制方法研究，以及直流电压脉动抑制方法的研究现状。
　　然后，阐述了V/v-RPQMS的拓扑结构及各个组成部分；同时详细阐述了V/v-RPQMS的工作原理，从电压电流矢量关系和功率控制这两个角度研究V/v-RPQMS补偿无功与负序的原理，并进行数学公式的推导。
　　接着介绍了常见的电流检测方法与单相锁相环原理，良好的无功电流检测方法和锁相环技术是有效治理电气化铁路电能质量问题的基础；推导了背靠背换流器在两相静止坐标系下的数学模型，提出了基于比例谐振（PR）控制的直接电流控制方法，该方法不需要经过多次坐标变换，控制信号无需解耦，能够实现对交流信号的无静差调节，直流电压和功率外环采用PI控制器，并且推导出各控制器参数的数学公式。同时考虑直流电压脉动导致换流器交流侧产生谐波，提出一种谐振前馈控制方法补偿直流电压的二倍频分量，并通过仿真进行验证。
　　最后，开展了原理样机系统的参数设计，并在MATLAB软件的Simulink平台上搭建仿真模型，分析了电气化铁路电能质量控制系统在投入与负荷变化情况下对负序与无功问题的治理效果，验证了本文提出的控制方法的正确性和可行性。

目录

声明

第1章 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 电气化铁路特性

1.3 电气化铁路电能质量治理方法研究现状

1.4 控制方法研究现状

1.5 论文的主要工作

第2章 V/v-RPQMS的基本原理

2.1 V/v-RPQMS的拓扑结构

2.2 V/v-RPQMS的工作原理

2.3 本章小结

第3章 V/v-RPQMS综合控制方法

3.1 无功与谐波的检测方法

3.2 PLL单相锁相环技术

3.3 电流控制方法

3.4 V/v-RPQMS的控制策略

3.5 本章小结

第4章 直流电压脉动抑制方法研究

4.1 直流电压脉动的产生机理

4.2 直流电压脉动的影响与抑制方法

4.3 直流电压脉动抑制策略研究

4.4 仿真验证

4.5 本章小结

第5章 V/v-RPQMS的原理样机参数设计与仿真分析

5.1 基于V/v-RPQMS的样机参数设计与仿真建模

5.2 V/v-RPQMS仿真分析

5.3 本章小结

结论

1. 全文工作总结

2. 展望

参考文献

附录A 攻读硕士学位期间获得的研究成果

致谢