用于贯通式牵引供电系统的电压源型逆变器并联研究

摘要

既有牵引供电方式下的铁路系统存在电能质量和过分相问题，随着高速铁路和重载铁路的快速发展，上述问题日趋严重。基于三相-单相变换器的贯通式牵引供电系统使用电力电子变换器代替了变压器，能够完全取消电分相装置，解决电能质量问题，实现了全线贯通，是一种新型的智能牵引供电系统。随着现代电力电子器件及技术的发展，该系统的优势日益突出，因此，有必要对贯通式牵引供电系统展开深入研究。本文研究电压源型逆变器贯通式牵引供电系统并联特性及相应的控制策略，为该系统的工程化提供理论支撑，具有重要的现实意义。
　　本文首先讨论了单相逆变器的拓扑结构，研究了电压源型逆变器的控制方法，并采用带电压幅值反馈与电流前馈的双闭环控制策略实现逆变器电压源型输出;建立了牵引网Carson模型并提出了CRH2型动车组简单多质点牵引负荷模型，在此基础上分析牵引变电所内逆变器并联模型以及牵引变电所并联系统中的环流特性;利用控制单一变量变化策略逐一分析环流有功、无功和直流成分产生的原因，仿真验证了环流分析的正确性。
　　设计了单相锁相环以及电流分解算法，采用分散逻辑控制法进行牵引变电所内并联控制，并搭建逆变器并联组成的单牵引变电所仿真模型;设计了适合于本文研究的贯通式牵引供电系统的并联策略;提出基于双闭环的改进型下垂控制，改善了传统下垂控制稳态误差大的缺点;构建了基于独立电压源型逆变器的牵引变电所并联系统;仿真验证了理论分析的正确性和控制策略的有效性。
　　为进一步验证理论分析以及控制策略的正确性以及可实施性，本文搭建了小功率FPGA实验平台，调试了FPGA控制电路板及IGBT驱动电路板。运用Verilog HDL语言编写了PI控制、单相锁相环以及电流检测等模块。在实验平台上，完成了电压源型单相逆变器双闭环控制，逆变器分散逻辑控制并联策略以及基于双闭环的改进型下垂控制实验。实验结果证明，本文研究的并联系统可实现系统扩容，所设计的控制系统可有效抑制并联系统产生的环流以及增强系统的可靠性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 铁路电气化现状

1．2 贯通式牵引供电系统

1．2．1 同相供电系统

1．2．2 贯通式牵引供电系统研究现状

1．3 国内外单相逆变器并联技术研究现况

1．4 本文主要工作内容

第2章 电压源型单相逆变器工作原理及其控制策略

2．1 单相逆变器拓扑结构

2．2 电压源型单相逆变器控制策略

2．2．1 PI控制器

2．2．2 电压源型逆变器双闭环控制策略

2．3 逆变器输出电流分解

2．4 电压源型单相逆变器仿真分析

2．5 本章小结

第3章 贯通式牵引供电系统并联环流分析

3．1 牵引网等效模型及牵引负荷模型

3．1．1 牵引网等效模型

3．1．2 CRH2型简单多质点牵引负荷模型

3．2 并联系统环流分析

3．2．1 并联等效模型

3．2．2 牵引变电所内逆变器并联环流分析

3．2．3 牵引变电所间并联环流分析

3．3 仿真分析

3．3．1 负荷模型仿真分析

3．3．2 牵引变电所内逆变器并联环流仿真分析

3．3．3 牵引变电所间并联环流仿真分析

3．4 本章小结

第4章 贯通式牵引供电系统并联控制策略研究

4．1 牵引变电所内逆变器并联控制策略

4．1．1 牵引变电所逆变器容量分析

4．1．2 逆变器并联分散逻辑控制策略

4．2 牵引变电所间并联控制策略

4．2．1 牵引变电所间改进型下垂控制策略

4．2．2 独立电压源型牵引变电所并网方案

4．3 仿真分析

4．3．1 牵引变电所内逆变器并联仿真

4．3．2 牵引变电所间并联仿真

4．4 本章小结

第5章 实验验证

5．1 FPGA及Verilog HDL语言概述

5．1．1 FPGA概述

5．1．2 Verilog HDL语言概述

5．2 FPGA实现及硬件设计

5．2．1 控制器FPGA实现

5．2．2 实验系统设计

5．3 实验结果

5．3．1 电压源型单相逆变器双闭环控制实验

5．3．2 逆变器并联分散逻辑控制实验

5．3．3 基于双闭环的改进型下垂控制实验

5．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果