高鐵負(fù)序補(bǔ)償與再生制動能量回饋利用技術(shù)研究.pdf

1、鐵路特別是高速電氣化鐵路作為國民經(jīng)濟(jì)的大動脈，對國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展具有重要作用。電力電子技術(shù)促進(jìn)了高鐵技術(shù)進(jìn)步和迅速發(fā)展，但電力電子設(shè)備非線性特性和電力機(jī)車的供電方式，給電網(wǎng)和牽引供電系統(tǒng)帶來了日益嚴(yán)重的負(fù)序和再生制動能量沖擊問題，愈來愈受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的高度重視。鐵路功率調(diào)節(jié)器(Railway Power Conditioner，RPC)通過動態(tài)調(diào)節(jié)兩供電臂有功平衡和無功補(bǔ)償，實現(xiàn)電網(wǎng)電壓平衡、抑制再生制動能量沖擊并提高其利用率，是

2、高鐵供電系統(tǒng)電能質(zhì)量管理領(lǐng)域的一次重大進(jìn)步。然而傳統(tǒng)的 RPC技術(shù)用于解決上述問題并不成熟。為此，本文針對高鐵負(fù)序補(bǔ)償與再生制動能量回饋利用技術(shù)進(jìn)行了細(xì)致深入的研究，主要研究內(nèi)容包括：
　　(1)論述了牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量治理技術(shù)及其應(yīng)用，深入分析并比較了多種牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量特性，總結(jié)了 RPC的技術(shù)現(xiàn)狀并指出其發(fā)展趨勢，闡述了課題的重要意義。
　　(2)針對 RPC直流側(cè)電壓響應(yīng)速度慢、超調(diào)大等問題，提出了一種直流電壓

3、復(fù)合控制策略，該策略由常規(guī) PI控制器和變參數(shù) PI控制器構(gòu)成。通過建立直流電壓誤差與 PI參數(shù)的函數(shù)關(guān)系，動態(tài)調(diào)節(jié) PI參數(shù)，從而加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度并減少超調(diào)，并通過實驗證實了該方法的正確性。針對 RPC交流側(cè)補(bǔ)償電流穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差大的問題，提出了交流電流復(fù)合控制策略，通過在常規(guī) PI控制基礎(chǔ)上增加前饋環(huán)節(jié)，能有效改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，相比于 PI控制策略，復(fù)合控制策略在保證良好的負(fù)序治理效果的同時，顯著減少跟蹤誤差。
　　(3)針

4、對混合型高鐵電能質(zhì)量補(bǔ)償系統(tǒng)(HPQCS)容量設(shè)計問題，通過分析HPQCS的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，探討了 HPQCS非對稱補(bǔ)償原理，推導(dǎo)了 HPQCS非對稱補(bǔ)償容量計算公式，并就對稱補(bǔ)償容量和非對稱補(bǔ)償容量進(jìn)行了對比分析。為了減少系統(tǒng)運行電流和損耗，從而提高 HPQCS長期運行能力，研究了負(fù)序優(yōu)化補(bǔ)償原理，并對比分析了完全補(bǔ)償和負(fù)序優(yōu)化補(bǔ)償之間的差異。針對不同負(fù)載工況下在線實時計算補(bǔ)償電流問題，研究了電壓不平衡度與補(bǔ)償電流之間的關(guān)系，推導(dǎo)了負(fù)序優(yōu)化

5、補(bǔ)償計算方法，提出一種適用于不同負(fù)載工況的在線實時補(bǔ)償電流計算方法。算例分析和仿真實驗驗證了 HPQCS負(fù)序優(yōu)化補(bǔ)償?shù)挠行院涂尚行浴?br>　　(4)針對電力機(jī)車再生制動能量利用率很低，且牽引變壓器峰值功率沖擊問題，提出了一種由 RPC和超級電容(SC)儲能裝置構(gòu)成的新型儲能式高鐵電能質(zhì)量補(bǔ)償系統(tǒng)(SC-PQCS)，分析了 SC-PQCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和雙向 DC-DC變換器，完成了系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)計。引入了削峰功率設(shè)定值和平緩充電功率設(shè)定值

6、，分析了包括再生制動能量控制模式在內(nèi)的三種工作模式，構(gòu)建SC-PQCS和RPC等效電路，對比分析了這兩種補(bǔ)償系統(tǒng)的再生制動能量利用率。仿真實驗結(jié)果驗證了該系統(tǒng)不僅能夠解決高鐵供電系統(tǒng)負(fù)序問題，還能顯著提高電力機(jī)車再生制動能量利用率，并且利用閑時充電峰值放電功能，有效改善了峰值負(fù)荷對變壓器的沖擊，提高了變壓器的利用率，具有良好的理論研究價值和工程應(yīng)用前景。
　　本文開發(fā)了小功率實驗樣機(jī)，設(shè)計了實驗樣機(jī)主電路框圖、主控制器、驅(qū)動電路、