电气化铁路同相供电潮流控制实验装置研究与设计

摘要

同相供电系统方案的提出解决了减少电气化铁道牵引供电系统的负序、谐波和无功三大难题，突破了牵引网电分相阻碍列车高速化发展的技术瓶颈，实现了电气化铁道牵引供电系统的绿色化、高效化和智能化。
　　本论文以同相牵引供电系统的核心单元同相供电潮流控制装置为重点研究对象，对同相供电潮流控制装置的工作原理进行了理论分析，对PWM整流器和并网逆变器的控制方案作比较及选择，并通过软件仿真验证了方案的可行性，给出硬件电路的设计方案和软件的实现方法。本设计制作了一套电气化铁路同相供电系统控制装置，完成了同相供电模拟并网实验，验证了本文采用的控制理论的正确性和可靠性。本文最后给出PWM整流器输入功率因数测试，逆变器并网频率、相位跟踪测试和无功补偿测试等实验结果，并对调试过程中出现的故障进行了分析并给出解决方案。
　　本设计采用单相桥式AC-DC-AC电路结构，以TI公司的C2000系列DSP芯片TMS320F28335为控制核心。在整流器部分，以固定开关频率的双极性调制方式，采用电压、电流双闭环的直接电流PI控制策略，对网侧电流进行跟踪控制实现PWM整流，使系统具有响应速度快，控制稳定可靠，输入功率因数高，对电网无污染的特点；在逆变器部分，以固定开关频率的单极性调制方式，采用电流PI跟踪控制策略，实现电流输出型逆变，并用数字锁相对逆变输出电流进行同频、移相控制，实现了对并网电源的无功补偿与有功调节。
　　本装置对主电路的各个测量信号进行调理放大，通过TMS320F28335内置12位AD转换器进行采集检测，完成了对系统输入电流以及输出电压电流的控制。测试表明，装置输出电压电流的精度达到1％，频率和相位精度达0.5％，输入功率因数最高0.98，无功补偿使并网电源输出功率因数为0.98。本装置采用4.3寸彩色液晶触摸屏作为人机交互媒介，完成了输出信号波形和频谱特性的在线实时显示，以及输入输出电压、电流、频率、相位差及功率，主机效率，失真度等参数的正确显示。采用虚拟数字键盘进行参数输入，操作方便快捷。本装置具有开机自检、输入电压欠压及输出过流保护，在过流、欠压故障排除后能自动恢复。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 电气化高速铁路

1.2 电气化铁路牵引供电系统简介

1.3 国内外现有的牵引供电系统

1.3.1 国外牵引供电系统

1.3.2 我国牵引供电系统

1.3.3 YNvd平衡变压器工作原理

1.3.4 同相供电潮流控制器工作原理

1.4 本论文主选题意义

1.5 论文主要内容及特点

1.5.1 本论文主要内容

1.5.2 设计要求及指标

1.5.3 本设计特点

第2章 同相供电潮流控制器系统结构

2.1 系统控制结构

2.2 主电路拓扑选择

2.3 四象限变流器工作原理

2.4 本章小结

第3章 PWM整流器的设计

3.1 PWM整流器的数学模型

3.2 PWM整流器的工作原理

3.3 PWM整流器的调制方法比较

3.3.1 PWM整流器的单极性调制

3.3.2 PWM整流器的双极性调制

3.3.3 两种调制方式的比较

3.4 PWM整流器电路储能元件的设计

3.3.1 输入高频电感参数的选择

3.3.2 直流侧电容参数的选择

3.5 PWM整流器的控制策略

3.5.1 间接电流控制

3.5.2 直接电流控制

3.6 PWM整流器的仿真

3.6.1 仿真软件PSIM9.0简介

3.6.2 电压闭环间接控制仿真

3.6.3 直接电流PI控制仿真

3.7 本章小结

第4章 并网逆变器的设计

4.1 逆变器的工作原理

4.2 逆变器电路调制方法的比较

4.2.1 逆变器的单极性调制

4.2.2 逆变器的双极性调制

4.2.3 两种调制方式的比较

4.3 逆变器输出滤波电感的设计

4.4 逆变器的并网控制策略

4.4.1 逆变器输出电流控制

4.4.2 同频、调相控制

4.4.3 无功补偿和有功调节控制策略

4.5 逆变器作无功补偿的仿真

4.6 本章小结

第5章 系统硬件设计

5.1 系统硬件框架

5.2 主电路电路的设计

5.2.1 功率开关管的选择

5.2.2 MOSFET参数计算及选型

5.3 MOSFET驱动电路

5.4 DSP处理器电路

5.5 模数转换电路

5.6 模拟信号调理电路

5.6.1 直流电压检测调理电路

5.6.2 直流电流检测调理电路

5.6.3 交流电压检测调理电路

5.6.4 交流电流检测调理电路

5.6.5 频率与相位检测电路

5.7 系统电源设计

5.7.1 辅助电源设计

5.7.2 DSP数字电源电路

5.7.3 DSP模拟电源电路

5.7.4 电源系统共地

5.8 彩色液晶触摸屏电路设计

5.9 本章小结

第6章 系统软件设计

6.1 PWM整流器控制流程

6.2 逆变器控制流程

6.3 数字PI控制器

6.4 人机交互流程

6.5 本章小结

第7章 实验结果及调试分析

7.1 实验装置的性能测试

7.1.1 输入功率因数及电流波形畸变率测量

7.1.2 逆变输出频率和相位调节测试

7.1.3 无功补偿和输出功率调节测试

7.1.4 直流侧稳压性能和电流波形分析

7.1.5 人机交互测试

7.2 调试过程故障分析

7.2.1 电流测量零点偏移问题

7.2.2 PI控制器参数的调节问题

7.3 本章小结

总结与展望

致谢

参考文献

附 录

附录1：DSP处理器电路图

附录2：电路照片

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果