基于MMC的牵引网谐波和负序综合治理技术研究

摘要

铁路运输作为公认的能耗低、环境污染小的绿色交通运输方式，近年来在我国得到了快速发展，机车运行密度和单机功率均处于世界前列。然而，由于我国电网发展相对滞后，电气化铁路给这种相对薄弱电网带来的电能治理问题凸显。近年来，随着交-直-交电力机车的推广，负序电流和宽频域谐波已成为主要的电能质量问题。特别是交-直-交、交-直这两类机车混跑时，经常出现车网谐振和交-直机车阻容烧损等现象，这不仅威胁到机车自身的安全运行，更影响到同网其他用户的正常生产和生活;又由于交-直机车的保有量大，两类机车混跑局面将在我国长期存在，因此该类电能质量问题已成为业界学者研究的热点。众学者主要对采用降压变压器多重化H桥背靠背并联的铁路静止功率调节器（RPC）及其与静止无功补偿器(SVC)组成的混合方式展开研究，但是由于多绕组变压器带来了损耗高、占地面积大等问题，而且受单个开关器件通载能力的限制，难以实现大容量的功率调节和谐波抑制。为此，在总结现有技术的基础上，本文分析了两类机车混跑下的牵引网谐波和负序特性，对基于MMC的铁路静止功率调节器(MRPC)的运行原理及相关控制技术展开研究，其主要研究和创新性成果如下:
　　(1)提出了MRPC新拓扑结构，其利用半桥级联技术实现了低压开关器件在高压系统中的直接应用，消除了变压器带来的延时、相移、占地多和成本高等问题;同时，牵引网之间的能量可通过MRPC的高压直流母线进行融通，双向传输的能量几乎不受限制，避免了传统RPC装置直流电流大而导致的散热问题和低感设计难题。另外，由于是多个逆变模块单元级联，MRPC的等效开关频率高，能方便实现对谐波的精确补偿。随后对两桥臂、三桥臂和四桥臂MRPC的工作原理进行了分析，并对其优缺点及适用场合进行了对比研究。
　　(2)以V/v牵引变电所为对象，分析了RPC两个端口输出的电流幅值、相角与负序电流的关系，建立了在电压波动范围、总功率因数、装置容量、变压器容量、有功平衡约束下的负序电流模值最小的多维非线性约束数学模型，并提出了基于序列二次规划的牵引供电系统负序电流的自适应优化算法。该算法根据检测到的负载情况，自动获取RPC的指令电流最优解;该算法计算速度快、精度高，可以满足实时优化的需要。
　　(3)分析了三桥臂MRPC补偿系统的电压、电流、功率电气量数学关系，对其控制关键技术进行了研究，然后提出了适用于电网不同工况的基于二阶广义积分器(SOGI)的系统负序和无功检测方法，进而提出了两相静止坐标系下基于比例谐振(PR)调节器的控制方案，在保证直流环节电压稳定的前提下，实现了对牵引网负序和无功的有效补偿，同时减小了MRPC的桥臂环流。
　　(4)针对宽频域谐波问题，提出了基于MRPC与高通滤波器（HPF）的混合谐波抑制方法，利用MRPC对低次谐波进行抑制，而HPF对高次谐波进行吸收。针对MRPC的谐波抑制，在分析传统的SOGI控制方法对谐波检测分离及补偿原理的基础上，针对其不能单独提取某次谐波的不足，提出了改进型SOGI算法，并应用PR调节器，实现了对特定次谐波的精确提取和补偿。
　　(5)根据某牵引变电所的参数，对两相三桥臂MRPC的支撑电容、输出电感、开关器件等关键部件参数进行了计算，并搭建了基于RT-LAB的MRPC实时仿真模型，对系统参数、检测方法和控制策略进行了验证。结果表明，本文所提出的MRPC系统能有效实现牵引网负序和谐波的综合治理，并具有良好的动态性能。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 牵引供电制式和电能质量问题

1．2．1 牵引供电制式

1．2．1 牵引供电系统电能质量问题

1．3 牵引供电电能质量补偿技术研究现状

1．3．1 同相供电技术

1．3．2 铁路功率调节器技术

1．4 模块化多电平高压逆变技术研究现状

1．4．1 模块化级联多电平拓扑

1．4．2 调制策略

1．4．3 直流电压控制方法

1．4．4 内部环流抑制技术

1．5 论文选题和各章节安排

第二章 牵引网谐波和负序特性分析

2．1 电力机车的电能质量特性分析

2．1．1 交-直电力机车电能质量特性

2．1．2 交-直-交电力机车电能质量特性

2．1．3 两种机车混跑的电能质量特性

2．2 谐波和负序传播特性及影响分析

2．2．1 牵引供电系统模型

2．2．2 谐波传播特性及影响分析

2．2．3 负序产生机理及影响分析

2．3 本章小结

第三章 V／v供电系统负序电流优化问题建模与求解

3．1 V／v供电的负序电流优化问题模型

3．1．1 V／v型牵引供电系统简介

3．1．2 问题建模

3．2 优化求解

3．2．1 优化问题特征分析

3．2．2 两种算法特征分析

3．2．3 对比求解分析

3．3 自适应优化实现及实例

3．4．1 Matlab符号数学工具箱简介

3．4．2 自适应实时优化策略

3．4．3 工程实例求解

3．5 本章小结

第四章 MRPC拓扑结构及关键技术研究

4．1 MMC工作原理

4．1．1 拓扑结构

4．1．2 工作原理

4．2 MRPC拓扑结构对比

4．2．1 两桥臂MRPC拓扑及工作原理

4．2．2 四桥臂MRPC拓扑及工作原理

4．2．3 三桥臂MRPC拓扑及工作原理

4．2．4 三种拓扑比较分析

4．3 两相三桥臂系统分析

4．3．1 电压关系

4．3．2 电流关系

4．3．3 功率关系

4．3．4 环流分析

4．4 两相三桥臂MRPC控制关键技术研究

4．4．1 负序及无功电流检测方法

4．4．2 桥臂环流抑制策略

4．5 本章小结

第五章 MRPC-HPF谐波抑制技术研究

5．1 谐波快速检测方法

5．1．1 基于SOGI方法的谐波检测算法

5．1．2 改进型SOGI特定次谐波检测算法

5．2 MRPC谐波抑制技术

5．2．1 谐波同步旋转坐标系与静止坐标系对应关系

5．2．2 静止坐标系下指定次谐波电流无静差抑制策略

5．3 高通滤波器优化设计

5．3．1 截止频率的选取

5．3．2 位置选择分析

5．6 本章小结

第六章 基于RT-LAB的MRPC系统设计及仿真验证

6．1 RT-LAB实时仿真平台搭建

6．1．1 实时仿真平台介绍

6．1．2 MRPC实时仿真建模方法

6．2 MR-PC参数设计

6．3 系统仿真验证

6．3．1 负序电流补偿

6．3．2 谐波抑制

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

参考文献

致谢

附录 攻读学位期间的主要成果