基于三电平PWM整流器的地铁牵引供电系统

摘要

目前我国城市地铁牵引供电系统主要采用750V或1500V直流供电制式。一方面，由于采用二极管不控整流，存在着直流电压不可控、电压波动大、对电网谐波污染严重等缺点；另一方面，地铁列车具有特殊的运行工况：频繁的快速起动和快速制动。快速起动时，需要的牵引功率大，电压迅速跌落；快速制动时，制动能量向直流母线回馈，使得直流母线电压升高，如果直流电压超过限制值，会引起与直流母线相连接的设备损坏，甚至产生严重的安全事故。当直流电压超过安全范围时，一般在牵引变电站中采用电阻耗能方式消耗掉多余的能量，这就造成了能源浪费的问题。PWM整流器具有功率因数高，谐波含量低的特点，并且PWM整流器能够实现能量的双向流动，因此本文提出用能量可双向流动的大功率三电平PWM整流器米取代二极管不控整流器，从而达到节约制动能量的目的。
　　 本文首先分析了地铁牵引供电系统拓扑、牵引整流变压器的等值电路和数学模型、三电平PWM整流器的电路拓扑、三电平PWM整流器在三相abc及同步旋转dq坐标系下的数学模型，并在系统数学模型的基础上对主电路中电感和电容元件的参数选择进行相应的推导；接着详细分析了三电平SVPWM传统算法，并在此基础上研究了三电平SVPWM简化算法，同时对该三电平SVPWM简化算法在DSP开发板上进行实验验证，并重点研究三电平变换器的一个固有问题——中性点电压平的衡问题，采用模糊算法对中性点电压平衡进行控制：随后本文研究了三电平PWM整流器的控制原理，并在此基础上对PWM整流器的并联控制方式进行了分析，提出基于载波移相控制的多PWM整流器并联控制的设计思想；最后本文对新型地铁牵引供电系统进行了仿真研究，仿真分析了整流工况、逆变工况、整流/逆变工况切换、空载到额定负载的过渡过程、同时分析了载波移相控制的网侧稳态电流谐波，最后根据仿真结果得到了不同负载下的能量转换效率。
　　 多种不同工况的仿真结果表明基于三电平PWM整流器具有输入电流正弦性好、能量转换效率高、可获得单位功率因数、可实现能量双向流动、谐波干扰小等优势，同时验证了所提出的控制方法和系统参数设计方法的正确性，以及三电平PWM整流器在地铁、轻轨等直流牵引供电系统中用作牵引整流器的可行性。