采用级联H桥多电平变流器的地面过电分相系统研究

摘要

电气化铁路能够实现节能环保与运输能力、速度与效率的完美结合，已经成为中国高速铁路和重载货运的绝对主力。然而，采用单相工频25kV供电制式的电气化铁路，普遍存在电分相，进而造成列车的速度损失、能耗增加、车网间暂态过电压、弓网电弧等，严重时甚至引起弓网故障。因此，研究能够彻底解决电分相问题的装备及其技术具有重要意义。
　　本文首先提出了一种采用级联H桥多电平变流器的地面过电分相系统。在介绍其拓扑结构的基础上，结合列车通过电分相的过程，阐明了系统的工作原理，分析了各个阶段的控制目标和等效电路，针对高速动车组和重载列车的运行特性，分析了该过分相系统的适应性，明确了功率控制和相位调整是本系统两大核心问题，调制技术是实现控制目标的关键手段。
　　针对H桥级联的多电平变流器，分析了H桥单元的工作模式，介绍了传统最近电平逼近调制算法的工作原理。在分析各级子模块面积等效特性的基础上，得出了最后一级子模块是产生调制误差主要来源的结论。进一步分析了该误差对变流器的性能影响，提出了改进最近电平逼近调制算法的基本思想，即利用面积等效实时计算最后一级子模块的作用时间，达到消除调制误差的目的，仿真结果验证了改进调制算法的有效性。
　　根据电力牵引交流传动系统的工作特性以及受电弓与接触网无害分离的必要条件，提出了基于级联H桥多电平变流器的直接功率控制实现功率切换方案;分析了列车以再生、牵引工况通过电分相时，中性段与供电臂的并联运行工况，并理论推导证明了变流器输出电压幅值和相位的调整是实现功率切换的关键;结合瞬时功率理论，分析了单相并网变流器的数学模型，推导了功率前馈直接功率控制算法。
　　其次，深入分析了相位切换对列车牵引传动系统的影响，即直接的相位切换必将导致车网系统的功率跳变，并可能在车载牵引变压器产生直流偏磁，推导了消除直流偏磁的必要条件;针对相位切换这一问题，分别提出了调频调相、电压重构以及渐进调相的方法，给出了具体的实现过程并进行了对比分析。
　　最后，针对本文所提的级联H桥多电平变流器地面过电分相系统，在Matlab/Simulink仿真平台上，分别搭建了电力机车的负载模型、带电分相的牵引接触网模型以及级联H桥多电平变流器的模型，仿真结果验证了本文所提改进最近电平逼近调制算法的有效性;模拟列车通过电分相的过程，验证了本系统的可行性和有效性。论文利用基于RT-LAB的半实物仿真平台，进一步验证了本系统的可实现性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1．1 研究背景

1．1．2 研究意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 过电分相技术的发展现状

1．2．2 级联多电平技术的发展现状

1．3 论文的主要内容

第2章 级联H桥多电平变流器地面过电分相系统的拓扑结构及工作原理

2．1 系统的拓扑结构

2．2 系统的工作原理

2．3 系统的适应性分析

2．4 本章小结

第3章 改进的最近电平逼近调制算法

3．1 级联H桥变流器拓扑结构

3．2 级联H桥最近电平逼近算法及其特性

3．2．1 最近电平逼近调制算法

3．2．2 理想情况下子模块作用的等效特性

3．2．3 最大电压分辨率的等效特性

3．2．4 NLM调制特性对变流器性能的影响

3．3 最近电平逼近的改进算法

3．3．1 改进算法的基本思想

3．3．2 改进调制算法的实现

3．3．3 改进算法的仿真验证

3．4 本章小结

第4章 地面过电分相系统用级联H桥多电平变流器的控制

4．1 级联H桥多电平变流器的功率控制

4．1．1 中性段与供电臂的并联运行分析

4．1．2 单相并网变流器的直接功率控制

4．2 级联H桥多电平变流器的相位切换控制

4．2．1 相位切换对电力牵引传动系统的影响

4．2．2 级联H桥多电平变流器的相位切换

4．3 本章小结

第5章 级联H桥多电平变流器地面过电分相系统的验证

5．1 系统的仿真建模

5．1．1 电力机车(动车组)整车仿真模型

5．1．2 采用级联H桥变流器的地面过电分相系统建模

5．2 列车通过级联H桥多电平变流器地面过电分相系统过程的仿真验证

5．2．1 直接功率控制与改进最近电平逼近调制算法

5．2．2 牵引供电臂与中性段的功率切换

5．2．3 相邻两供电臂电压幅值相位切换

5．3 列车通过级联H桥多电平变流器地面过电分相系统过程的半实物验证

5．3．1 半实物系统架构

5．3．2 半实物验证结果

5．4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及科研成果