高鐵負序補償與再生制動能量回饋利用技術研究.pdf

1、鐵路特別是高速電氣化鐵路作為國民經濟的大動脈，對國民經濟和社會發(fā)展具有重要作用。電力電子技術促進了高鐵技術進步和迅速發(fā)展，但電力電子設備非線性特性和電力機車的供電方式，給電網和牽引供電系統(tǒng)帶來了日益嚴重的負序和再生制動能量沖擊問題，愈來愈受到學術界和產業(yè)界的高度重視。鐵路功率調節(jié)器(Railway Power Conditioner，RPC)通過動態(tài)調節(jié)兩供電臂有功平衡和無功補償，實現(xiàn)電網電壓平衡、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)電能質量管理領域的一次重大進步。然而傳統(tǒng)的 RPC技術用于解決上述問題并不成熟。為此，本文針對高鐵負序補償與再生制動能量回饋利用技術進行了細致深入的研究，主要研究內容包括：
　　(1)論述了牽引供電系統(tǒng)電能質量治理技術及其應用，深入分析并比較了多種牽引供電系統(tǒng)電能質量特性，總結了 RPC的技術現(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直流側電壓響應速度慢、超調大等問題，提出了一種直流電壓

3、復合控制策略，該策略由常規(guī) PI控制器和變參數(shù) PI控制器構成。通過建立直流電壓誤差與 PI參數(shù)的函數(shù)關系，動態(tài)調節(jié) PI參數(shù)，從而加快系統(tǒng)的響應速度并減少超調，并通過實驗證實了該方法的正確性。針對 RPC交流側補償電流穩(wěn)態(tài)跟蹤誤差大的問題，提出了交流電流復合控制策略，通過在常規(guī) PI控制基礎上增加前饋環(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，復合控制策略在保證良好的負序治理效果的同時，顯著減少跟蹤誤差。
　　(3)針

4、對混合型高鐵電能質量補償系統(tǒng)(HPQCS)容量設計問題，通過分析HPQCS的拓撲結構，探討了 HPQCS非對稱補償原理，推導了 HPQCS非對稱補償容量計算公式，并就對稱補償容量和非對稱補償容量進行了對比分析。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，研究了負序優(yōu)化補償原理，并對比分析了完全補償和負序優(yōu)化補償之間的差異。針對不同負載工況下在線實時計算補償電流問題，研究了電壓不平衡度與補償電流之間的關系，推導了負序優(yōu)化

5、補償計算方法，提出一種適用于不同負載工況的在線實時補償電流計算方法。算例分析和仿真實驗驗證了 HPQCS負序優(yōu)化補償?shù)挠行院涂尚行浴?br>　　(4)針對電力機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)儲能裝置構成的新型儲能式高鐵電能質量補償系統(tǒng)(SC-PQCS)，分析了 SC-PQCS拓撲結構和雙向 DC-DC變換器，完成了系統(tǒng)主要參數(shù)設計。引入了削峰功率設定值和平緩充電功率設定值

6、，分析了包括再生制動能量控制模式在內的三種工作模式，構建SC-PQCS和RPC等效電路，對比分析了這兩種補償系統(tǒng)的再生制動能量利用率。仿真實驗結果驗證了該系統(tǒng)不僅能夠解決高鐵供電系統(tǒng)負序問題，還能顯著提高電力機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用前景。
　　本文開發(fā)了小功率實驗樣機，設計了實驗樣機主電路框圖、主控制器、驅動電路、