电气化铁道电能质量综合治理系统的控制研究

摘要

随着电气化铁道在我国的发展，牵引供电系统所面临的负序、无功、谐波等电能质量问题目前仍较为突出。为改善电气化铁道供电系统的供电质量，学者和工程师们提出了多种有源拓扑结构，其中，本文的混合型电气化铁道电能质量综合治理系统(hybrid railway power quality management system，H-RPQMS)通过耦合LC支路降低逆变器端口电压从而大幅降低逆变器补偿容量，这就使得H-RPQMS具备进行深入研究并推广应用的潜力。要实现H-RPQMS的优越性能，除了系统参数的合理配置外，对其控制系统的研究至关重要。国内对于H-RPQMS控制研究主要是基于直接电流控制的滞环电流控制，其特点是集控制与调制于一体，响应速度快、电流跟踪误差小，但其工程适应性有待进一步提高。因此，提出一种适应性更强的H-RPQMS控制算法是亟需解决的重要课题。论文的具体工作和创新点如下:
　　首先，概述了电气化铁道的负荷性质和电能质量治理的研究现状，介绍了现阶段逆变器的多种控制方法;通过数学推导，详细阐述了H-RPQMS的补偿原理;在端口电压分析的基础上，给出了LC耦合支路的最优设计方法;分析总结了常见的检测方法，并给出了适用于H-RPQMS的检测方法。
　　其次，提出了一种基于H-RPQMS的基波间接电流控制方案，引入两个系数k1、k2，用来调节控制对象的极点位置以便于控制系统的设计。首先在静止坐标系下建立系统数学模型，为减小控制的复杂性将其变换到同步正交dq坐标系，通过实现内外环的解耦来获得更完善的控制性能。已解耦的电流内环通过PI控制使得补偿电流紧跟参考值，直流电压环和功率环使用PI控制器。
　　最后，结合湖南北部某牵引变电站的实测数据，在MATLAB的Simulink平台搭建H-RPQMS的仿真模型，验证了论文提出的间接电流控制方案的有效性，并详细分析了整个混合型电气化铁道电能质量综合管理系统的稳态性能和暂态性能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 电气化铁道负荷性质

1．2．1 电气化铁道负荷特点

1．2．2 牵引变压器特性

1．3 国内外电气化铁道谐波、负序和无功研究现状

1．3．1 国内外电气化铁道谐波研究现状

1．3．2 国内外电气化铁道负序研究现状

1．3．3 国内外电气化铁道无功补偿研究现状

1．4 国内外控制方法的研究现状

1．5 论文的主要工作

第2章 H-RPQMS的基本原理和LC支路参数设计

2．1 H-RPQMS的拓扑结构

2．2 H-RPQMS的工作原理

2．3 H-RPQMS的交流侧LC支路参数的设计

2．3．1 LC支路作用

2．3．2 LC支路参数最优化设计

2．4 本章小结

第3章 适用于H-RPQMS的检测方法

3．1 谐波及无功的检测方法

3．1．1 常见的检测方法

3．2 瞬时无功功率理论

3．3 FBD法

3．4 适用于H-RPQMS的检测方法

3．5 本章小结

第4章 一种基于H-RPQMS的综合控制方法

4．1 电流控制技术

4．1．1 滞环电流控制

4．1．2 基于载波的PWM控制法

4．1．3 无差拍控制

4．2 直流侧电容电压控制

4．3 基于H-RPQMS的控制方法

4．3．1 系统建模

4．3．2 “dq”坐标系下数学模型

4．3．3 控制系统设计

4．4 本章小结

第5章 基于H-RPQMS的仿真研究

5．1 基于混合型电气化铁道电能综合治理系统的建模

5．2 实际负荷的建模

5．3 基于电能综合治理系统的控制参数计算

5．4 系统稳态特性和暂态特性仿真分析

5．5 本章小结

结论

1．全文工作总结

2．展望

参考文献

致谢

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