基于可靠性约束的同相供电装置变频控制优化方法研究

摘要

同相供电系统可以有效解决电气化铁路中电分相问题和以负序为主的电能质量问题的，有利于电气化铁路客运高速化和货运重载化的发展。随着同相供电技术逐步工程化实现，其可靠性愈加受到重视。为保障同相供电系统的安全可靠运行，作为系统的核心设备，同相供电装置的可靠性优化研究至关重要。　　(1)以IGBT模块为核心，研究了同相供电装置可靠性影响机理。计及牵引负荷的随机波动性和冲击性，选择了基于物理失效机理的可靠性评估方法，分析IGBT模块物理失效过程；建立损耗计算模型、热网络模型、结温计算模型和寿命预测模型等，评估了IGBT模块的可靠性；研究IGBT模块可靠性影响因素，对比分析了开关频率和功率因数对可靠性的影响，确定以开关频率为同相供电可靠性优化的核心控制参数。　　(2)为保证同相供电装置的输出波形质量，建立了同相供电装置谐波解析模型。利用3D几何墙模型和双重傅里叶变换解析PWM波形，推导了单元模块变流器的谐波表达式；基于同相供电装置特殊的拓扑结构，结合载波移相控制特性，分别建立了同相供电装置电网侧变流器和牵引侧变流器的谐波模型；以同相供电装置技术指标规定的电流谐波畸变率为约束，计算了同相供电装置开关频率的最小允许值。　　(3)为优化同相供电装置可靠性，提出了动态变频控制策略。分析热循环中结温平均值和波动值对IGBT模块寿命的影响，为平滑结温波动，降低失效率，提出了动态变频控制方法；基于IGBT模块损耗和同相供电装置输出波形质量限制，研究了开关频率可调节区间；综合考虑装置可靠性和散热等约束，建立了动态变频控制优化模型，确定最佳策略，有效提升了同相供电装置可靠性，为其优化设计提供了重要参考。

目录

声明

第1 章绪论

1.1 研究背景及研究意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 同相供电装置可靠性研究现状

1.2.2 变流器谐波特性研究现状

1.3 论文研究的主要内容

第2 章同相供电装置及可靠性评估方法

2.1 同相供电方案

2.1.1 眉山同相供电方案

2.1.2 组合式同相供电方案

2.2 同相供电装置

2.2.1 同相供电装置拓扑结构

2.2.2 同相供电装置的主要技术指标

2.3 同相供电装置容量计算

2.4 同相供电装置IGBT模块可靠性评估方法

2.4.1 基于可靠性预计手册的可靠性评估方法

2.4.2 基于物理失效机理的可靠性评估方法

2.5 本章小结

第3 章同相供电装置可靠性影响机理

3.1 基于物理失效机理的可靠性评估模型

3.1.1 IGBT模块功率损耗计算

3.1.2 IGBT模块热网络模型

3.1.3 IGBT模块结温计算

3.1.4 基于雨流算法提取热循环

3.1.5 IGBT模块寿命预测模型

3.1.6 实例计算

3.2 可靠性影响因素分析

3.2.1可靠性影响因素

3.2.1 功率因数及开关频率对可靠性影响的分析

3.3 本章小结

第4 章同相供电装置谐波特性分析

4.1 3D几何墙模型与双重傅里叶变换

4.2 单元模块变流器谐波特性分析

4.3 同相供电装置变流器谐波特性分析

4.3.1 电网侧变流器谐波特性分析

4.3.1 牵引侧变流器谐波特性分析

4.4 实例分析

4.5 本章小结

第5 章同相供电装置动态变频控制策略

5.1 变频控制的研究思路及可行性分析

5.2 同相供电装置开关频率可调节区间

5.3 同相供电装置动态变频控制策略及优化模型

5.4 实例分析

5.5 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文与科研实践