基于交直交逆变器新型牵引供电系统的研究

摘要

当前牵引供电系统均采用异相供电技术，各供电区段需要用分相绝缘器分隔，电力机车在运行中会出现停电过分相区和带电闯分相区的情况，严重影响了电气化铁路高速、重载的发展，而且电气化铁道的牵引供电系统三相严重不平衡，存在大量的谐波和无功。这就要求对当前的牵引供电系统进行改造或设计新型的同相牵引供电系统。本研究是在基于电力电子技术广泛发展的前提下，希望通过设计一套新型的同相牵引供电系统来解决目前存在的问题，同时又能够尽量减少对电力系统的电力污染。新型同相牵引供电系统主要包括脉冲整流、直流贮能、交流逆变，并网运行等几大部分。 作为新型同相牵引供电技术重要环节整流部分，PWM脉冲整流器将三相交流电变成直流电，同时使系统电压由66kV变为96kV，本文设计出整流电路的主电路，驱动电路，控制电路以及保护电路，且根据要求选择合理的电力电子器件。 本系统的直流贮能部分，顾名思义就是储存电能，包括系统向这部分释放的电能，还包括这部分向负载端释放电能，同时能起到祛除多重谐波的作用，本课题给出了采用普通电力电容器和高容量电力电容器两种方案，均能实现直流环节的能量贮存和传输功能。 本课题的另一核心交流逆变部分把系统的直流电换成25kV单相交流电，向接触网供电，实现同相牵引供电。本课题设计一台直流96kV至交流27.5kV(50Hz)的SPWM逆变器，包括串联均压电路的设计，过电压，过电流保护电路的设计，控制电路的设计以及合理开关器件参数的选择；最后针对同相牵引变电所的并网运行也做了简单设计，对两台同型号逆变器的并列运行并提出控制策略。 在全文的最后给出了仿真的结果，验证了该设计系统的正确性。 该课题既解决了分相的问题，实现了全线贯通同相供电，与实现高速，重载电力牵引相适应；又解决了牵引供电系统三相严重不平衡，存在大量的谐波和无功的困扰。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪 论

1.1研究的目的和意义

1.2国内外对此的研究现状综述

1.3本文研究的主要内容

1.4本文的篇章结构

1.5本章小结

第二章现有牵引供电系统结构及本文同相牵引供电系统概况

2.1原牵引供电系统简介

2.1.1电气化铁道电能质量问题

2.1.2牵引供电方式

2.1.3原牵引供电系统结构

2.2本文同相牵引供电系统概述

2.3本章小结

第三章整流部分可行性研究

3.1高功率因数PWM整流器简介

3.1.1PWM整流器主电路拓扑结构

3.1.2三相电压型PWM整流器数学模型及推导

3.2 PWM整流电路的控制

3.3基于66kV的公共电网的脉冲整流电路

3.3.1主电路的设计

3.3.2控制电路的设计

3.3.3驱动电路的设计

3.4本章小结

第四章 同相牵引供电系统直流环节的方案比选

4.1器件选择

4.1.1电力电容器的选型

4.1.2变送器的选择

4.2直流环节电气一次系统设计

4.3本章小结

第五章 同相牵引供电系统逆变环节设计方案

5.1 SPWM逆变电路

5.1.1现代逆变系统的基本结构

5.1.2SPWM全桥逆变电路

5.1.3SPWM逆变电路调压原理

5.2同相牵引供电系统逆变环节设计方案

5.2.1开关器件的选择

5.2.2 IGBT的串联均压电路的设计

5.2.3过电压、电流保护电路的设计

5.2.4单相桥式SPWM逆变电路的设计及其控制方法

5.2.5关于器件损耗

5.3本章小结

第六章同相牵引供电系统变电所的并网运行

6.1本研究牵引所并网结构

6.2逆变器系统的并联运行

6.3并联逆变技术的现状与发展

6.3.1并联逆变技术的现状

6.3.2并联逆变技术的发展趋势

6.4并联逆变系统均流

6.4.1均流电路的实现方案

6.4.2具有均流反馈信号的并联逆变系统

6.5并联逆变系统的同步

6.6本章小结

第七章仿真运行

7.1 MATLAB简介

7.1.1 MATLAB的特点

7.1.2 Simulink工具箱

7.1.3 PSB电力系统模块库

7.2本系统仿真

7.2.1整流部分仿真

7.2.2逆变部分仿真

7.3本章小结

总结与展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文

致 谢