【摘要】：在電氣化鐵路運營中,由于牽引供電系統(tǒng)自身特有的供電制式和機車復雜多變的運行工況,機車負荷產生大量無功和諧波,導致牽引供電系統(tǒng)功率因數低、波形畸變嚴重和電壓波動大等電能質量問題,不僅增加電能的損耗,降低能源的利用效率,還威脅電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)和機車負荷的安全性和穩(wěn)定性,嚴重時甚至引起電氣設備損壞,引發(fā)供電、行車事故,造成國家經濟重大損失。因此,必須采取行之有效的措施對電氣化鐵路電能質量進行補償和治理,而本文提出基于27.5 kV直掛式級聯型有源電力濾波器(APF)的有源補償方案,并對方案實施中的關鍵問題進行了研究。本文首先針對電氣化鐵路典型的交直型和交直交型電力機車、動車組的網側電氣特性進行了分析,通過大量機車負荷實測數據詳細分析了機車負荷本身的無功、諧波特征。此外,根據在牽引變電所實地監(jiān)測的數據,分析了牽引母線的無功、諧波水平,顯示了電氣化鐵路電能質量治理的迫切性,并為有源補償系統(tǒng)參數設計提供基礎數據。結合京滬高速鐵路電能質量綜合治理試點工程,本文總結了現有的電氣化鐵路電能質量治理措施,在此基礎上提出采用直掛式級聯型APF動態(tài)治理電氣化鐵路無功、諧波等電能質量問題。針對典型的牽引供電方式,如以YNd11、單相Vv變壓器為主的27.5 kV供電電壓的直接供電方式,以及2×27.5 kV和55 kV供電電壓的自耦變壓器(AT)供電方式,本文分析了級聯型APF實現方案、工作原理和系統(tǒng)配置結構,研究了不同牽引供電方式下不同有源補償方案的基波有功電流、基波無功電流和諧波電流的流通回路等。級聯型APF主電路復雜、系統(tǒng)龐大,與之對應的控制系統(tǒng)同樣結構復雜、任務繁重。因此,本文分析了空間資源、時間資源消耗較少的ip-iq參考電流檢測算法、滑窗迭代DFT檢測算法和采用兩個權值的自適應對消檢測算法。在分析上述檢測算法的基礎上,針對具有波動性的機車負荷,提出改進的ip-iq檢測算法和無鎖相環(huán)的單相諧波電流檢測算法,提高動態(tài)負荷的檢測精度、響應速度以及避免鎖相環(huán)誤差對檢測性能的影響。本文研究了級聯型多電平變流器的電壓、電流綜合控制策略。針對直流電壓控制,推導出基于瞬時能量平衡的數學模型,并分析了全局直流電壓控制的參數整定方法。針對電流跟蹤控制,提出兩種綜合控制策略,即基于無差拍和準諧振控制的瞬時電流控制策略和基于d而解耦的直接電流控制策略。其中,無差拍控制根據系統(tǒng)模型可推導出準確的的數學公式,且具有參考電流信號預測功能。準諧振控制能夠實現交流信號的無誤差跟蹤,提高基波電流控制精度,將二者結合的瞬時電流控制適合于大功率APF。基于dq解耦的直接電流控制策略將電源電流直接作為控制對象,能夠減少模擬量采集數量,省去參考電流檢測環(huán)節(jié),尤其適用于電氣化鐵路多饋線的應用環(huán)境。針對直流電壓均衡控制,本文基于矢量重構和脈沖交換的原則,本分析了兩類直流電壓均衡控制算法的原理和實現方法。仿真結果表明上述控制算法的正確性。本文考慮牽引供電方式、機車負荷典型穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)特性和牽引網電壓畸變等,建立了有源補償系統(tǒng)的軟件仿真模型,驗證了本文有源補償系統(tǒng)具有很好的無功、諧波補償能力。在仿真驗證基礎上,搭建實驗室小功率試驗樣機,規(guī)劃控制系統(tǒng)總體功能構架,完成集中式數字控制系統(tǒng)設計,并通過試驗驗證了控制系統(tǒng)的正確性,對工程實踐具有寶貴的指導價值。在試點工程中,對27.5 kV大功率APF工程機進行調試,驗證了有源補償系統(tǒng)的主電路、控制電路、控制策略的正確性、有效性,結果表明該補償系統(tǒng)具有良好的無功補償和諧波抑制效果。
[Abstract]:In the operation of electrified railway, due to the special power supply mode of the traction power supply system and the complex and changeable operating conditions of the locomotive, the locomotive load produces a lot of reactive power and harmonics, which leads to the low power factor of the traction power supply system, the serious wave distortion and the large voltage fluctuation, which not only increases the loss of electric energy and reduces energy. Using efficiency, it also threatens the safety and stability of traction power supply system and locomotive load in electrified railway, and even causes electrical equipment damage, triggering power supply and driving accidents, causing great loss of state economy. Therefore, effective measures must be taken to compensate and control the electric power quality of electrified railway, and this paper puts forward this paper. Based on the active compensation scheme of 27.5 kV straight cascaded active power filter (APF), the key problems in the implementation of the scheme are studied. This paper first analyzes the electrical characteristics of the EMU on the grid side of the typical alternating and direct AC type electric locomotives of the electrified railway, and through a large number of locomotive load measured data in detail. The reactive power and harmonic characteristics of the locomotive load are analyzed. In addition, according to the data on the field monitoring in the traction substation, the reactive power and harmonic level of the traction bus are analyzed. It shows the urgency of the power quality control of the electrified railway, and provides the basic data for the parameters design of the active compensation system. In the pilot project, this paper summarizes the existing measures for the power quality control of electrified railway, and on the basis of this, a direct hanging cascaded APF is proposed to dynamically control the reactive power and harmonic power quality of electrified railway. For typical traction power supply modes, such as the direct power supply of 27.5 kV power supply with YNd11 and single-phase Vv transformer as the main power supply. The mode, as well as the 2 x 27.5 kV and 55 kV power supply voltage autotransformer (AT) power supply mode, this paper analyzes the cascaded APF realization scheme, the working principle and the system configuration structure, and studies the fundamental active current of different active compensation schemes under different traction power supply modes, the circulation circuit of the fundamental wave reactive current and the harmonic current and so on. The cascade type APF The main circuit is complex and the system is huge, and the corresponding control system is complex and heavy. Therefore, this paper analyzes the ip-iq reference current detection algorithm, the sliding window iterative DFT detection algorithm and the adaptive cancellation detection algorithm with two weights. Based on the analysis of the above detection algorithm, this paper analyzes the space resources and the less time resource consumption. In view of the fluctuation of locomotive load, an improved ip-iq detection algorithm and a single phase harmonic current detection algorithm without phase-locked loop are proposed to improve the detection precision of dynamic load, the response speed and the avoidance of the influence of phase locked loop error on the detection performance. This paper studies the voltage and current integrated control strategy of cascade multilevel converters. In DC voltage control, a mathematical model based on instantaneous energy balance is derived and the parameter tuning method of the global DC voltage control is analyzed. Two comprehensive control strategies are proposed for current tracking control, namely the instantaneous current control strategy based on the deadbeat and quasi resonant control and the direct current control strategy based on D and decoupling. The error free control can deduce accurate mathematical formula based on the system model and have the function of predicting the reference current signal. The quasi resonant control can realize the non error tracking of the AC signal, improve the control precision of the basic wave current, and apply the instantaneous current control combined by the two parties to the direct current control strategy based on the DQ decoupling based on the high power APF. The power supply current is directly used as the control object, which can reduce the number of analog acquisition and save the reference current detection link. It is especially suitable for the application environment of multi feeder line in electrified railway. Based on the principle of vector reconfiguration and pulse exchange, this paper analyzes the principle of two kinds of DC voltage equilibrium control algorithms. The simulation results show the correctness of the above control algorithm. In this paper, the traction power supply mode, the typical steady state of the locomotive load, the transient characteristics and the traction network voltage distortion are considered, and the software simulation model of the active compensation system is established. It is verified that the active compensation system has good reactive power and harmonic compensation ability. On the basis, we build a laboratory small power test prototype, plan the overall function frame of the control system, complete the design of the centralized digital control system, and verify the correctness of the control system through the experiment. It has valuable guidance value for the engineering practice. In the pilot project, the 27.5 kV high power APF engineering machine is debugged and the active complement is verified. The correctness and effectiveness of the main circuit, control circuit and control strategy of the compensation system show that the compensation system has good reactive power compensation and harmonic suppression effect.
【學位授予單位】：北京交通大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：U223.52

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本文編號：2122969