基于MMC的新型铁路功率调节器的PIR控制策略

对于铁路供电系统的负序电流、无功补偿及谐波抑制问题,铁路功率调节器(RPC)具有良好的综合治理效果。采用MMC构造的新型RPC(MMC-RPC)具有耐高压、容量大和波形质量好等优点。首先分析了MMC-RPC的拓扑结构,并建立了数学模型;其次以Scott牵引变压器供电系统为例分析了电流补偿的方法;然后采用比例-积分-谐振控制器实现了交流补偿电流的准确控制以及MMC桥臂环流的抑制;最后在Matlab/Simulink中搭建仿真模型,结果验证了所提出控制策略的有效性。     

基于MMC铁路功率调节器的环流分析与抑制策略

采用模块化多电平换流器构造的新型铁路功率调节器(MMC-RPC)实现牵引供电系统电能质量问题综合治理具有诸多优点,但MMC结构特点会导致MMC-RPC存在环流问题。因此通过对牵引供电系统补偿原理的分析,结合MMC-RPC补偿电流特点,建立单相MMC的数学模型,分析了环流产生的机理。在理论分析的基础上,采用比例–积分–复数积分控制器设计了一种适用于MMC-RPC单相系统的环流控制器。最后在Matlab/Simulink中搭建仿真模型,计算与仿真共同验证了MMC-RPC存在偶数倍频环流,其流入直流端会引起直流电流和电压的波动,仿真说明了本文环流控制能策略有效抑制环流。     

一种新型的MMC-RPC功率控制策略

为综合治理牵引供电系统中的电能质量问题,分析V/v变压器左右两侧供电臂上的功率关系,通过有功功率平衡、无功功率补偿以及谐波功率分离等方式综合治理无功功率、谐波、负序等电能质量问题。同时,在对基于模块化多电平的铁路功率调节器(MMC-RPC)直接功率控制的基础上引入微分平坦控制理论。选取供电臂上的有功和无功功率作为系统的输出量,并结合微分平坦理论证明其满足微分平坦条件,使得整个MMC-RPC为微分平坦系统。控制系统由前馈控制与误差反馈控制两部分组成,前馈控制环节产生主控制量,反馈控制环节产生修正控制量。在MATLAB/Simulink中搭建仿真系统,模拟不同的工况进行仿真,并与其他控制方式进行对比,所得结果验证了该控制策略的有效性与优越性。     

基于模块化多电平换流器的牵引供电负序治理

为解决牵引变的负序问题并补偿无功功率,采用两组单相模块化多电平换流器MMC背靠背连接构造铁路功率调节器RPC,直接接入牵引网。首先,建立了单相MMC数学模型;然后通过二阶广义积分构造正交虚拟分量,将其转换到旋转坐标系下,设计双闭环控制器,并以V/v牵引变为例,定量分析并补偿有功和无功;最后,在Matlab中搭建了基于MMC-RPC向V/v牵引变提供负序治理及无功补偿的仿真系统。仿真结果证明了MMC运用到RPC的可行性以及控制策略的有效性。     

基于模型预测的MMC-RPC直接功率控制策略

为了实现对传统铁路牵引供电系统中的负序、谐波和无功问题的综合治理,在直接功率控制基础上将模型预测与直接功率控制MPDPC（model predictive direct power control）结合引入模块化多电平结构的铁路功率调节器 MMC-RPC（railway power conditioner with modular multilevel converter structure）。以每一个控制周期结束时功率误差最小为原则确定了目标函数,并在传统MPDPC控制上加入了延时补偿,以得到最优的MMC-RPC交流端口电压矢量进行调制。在Matlab/Simulink中搭建基于MPDPC的MMC-RPC仿真模型,并与直接功率控制和双闭环PI控制的MMC-RPC进行对比,验证了模型预测直接功率控制策略运用到MMC-RPC的优越性和可行性。     

静止坐标系下铁路电能质量控制系统控制策略

为实现电气化铁路负序和无功综合治理,建立了基于V/v变压器的铁路电能质量控制系统(V/v-railway power quality manage system,V/v-RPQMS).结合比例谐振(proportional resonant,PR)控制器的特性,设计了V/v-RPQMS控制策略.研究表明:该方法通过将同步坐标系下的有功电流和无功电流分量转换到静止坐标系下进行调节,能实现V/v-RPQMS有功、无功功率的独立调节以及有功功率快速双向变换传输;与采用比例积分(proportional integral,PI)控制器的矢量控制相比,该策略避免了多次坐标变换,简化了控制算法;控制模型不存在耦合项和前馈补偿项,提高了系统的鲁棒性.仿真和实验结果表明所提控制策略性能良好,能显著改善V/v牵引供电系统电网侧电能质量.     

电力电子牵引变压器中单相PWM整流器准PR控制策略

电力电子变压器(Power Electronic Transformer,PET)装备在电力机车中可以满足牵引系统减重、改善电能质量等多种要求。单相脉宽调制(Pulse Width Modulation,PWM)整流器作为电力电子牵引变压器的重要组成部分,具有功率因数可控、动态响应较快的优点,但由于输出直流电压的低频波动,使其输入交流电流中产生低次谐波"污染",恶化电能质量。为此,论文为电力机车牵引系统的单相PWM整流器提出一种改进的矢量控制策略,将比例谐振(PR)控制引入电流控制环,并在分析网侧谐波电流产生原因的基础上,将低次谐波抑制功能引入到电流环控制器中,以抑制网侧电流谐波。仿真分析与实验结果验证了所提出控制策略的有效性。     

采用V/v变压器的高速铁路牵引供电系统负序和谐波综合补偿方法

为解决高速铁路牵引供电系统中的负序、谐波电能质量问题,提出采用铁路功率调节器(railway static power conditioner,RPC)进行负序和谐波电流综合治理。RPC包含共用直流侧电容的背靠背形式的两变流器,控制其功率能够实现负序补偿和谐波抑制。分析RPC的基本结构和补偿原理后,提出三相V/v变压器下负序和谐波补偿电流检测方法,为保证RPC直流侧电压稳定和实现负序和谐波补偿,提出RPC直流侧电压和两变流器电流控制策略。最后,进行仿真验证。仿真结果表明,在该文提出的负序和谐波检测方法及控制策略下,RPC具有良好的负序和谐波补偿性能。     

基于模块化多电平换流器的牵引供电系统电能质量治理方法

针对铁路牵引供电系统高压大功率的特点,基于模块化多电平换流器(MMC)设计了两相三桥臂功率调节装置,以消除铁路牵引供电系统中负序、无功功率及谐波电流。分析了机车负载电流在旋转坐标系下的特点,使用了一种基于二阶广义积分器及直流积分器的信号提取方法,可以快速地得到功率平衡及无功功率、谐波消除的补偿信号。设计了静止坐标系下基于MMC的两相三桥臂铁路静止功率调节装置的控制系统,最终,通过实时数字仿真系统(RT-Lab)进行实时仿真及样机实验,验证了算法的有效性及系统的补偿性能。     

一种应用于动车组牵引变流器控制的变压器直流偏磁抑制方法

动车组(EMU)牵引供电系统采用25 kV单相牵引变压器从接触网取电,EMU运行过程中的弓网离线、功率器件的非线性特性、硬件电路和控制系统的不对称性等,均会引起直流分量通过电气回路注入车载牵引变压器,引起变压器的直流偏磁。通过将比例-积分-谐振(PIR)控制应用于电流内环控制器,同时实现正弦信号的稳定跟踪和直流分量的抑制。仿真和硬件在环的半实物仿真结果验证了该控制策略的有效性。     

功率耦合与阻感比结合的MMC-RPC新型下垂控制策略

并联在牵引供电臂上的铁路功率调节器RPC(railway power conditioner)与供电臂间的连接线路上会产生电能损耗,使得RPC无法对牵引网中的电能达到有效、精准的治理效果。以采用模块化多电平换流器结构的铁路功率调节器MMC-RPC(modular multilevel converter-rail power conditioner)为研究对象,对其进行建模,推导出其交流侧P-f与Q-U之间的关系,建立传统的下垂控制方式。在此基础上考虑传输线路的阻感影响,提出一种改进型的下垂控制策略,它采用功率耦合的方式,并引入阻感比参数,它能更加灵活有效地跟踪MMC-RPC的期望出功率。最后在MATLAB\Simulink中模拟实际工况对MMC-RPC系统进行仿真,仿真结果验证了所提下垂控制策略对于MMC-RPC系统的有效性;与传统下垂控制的仿真结果相对比,进一步说明了这种改进方式的优越性。     

电气化铁路功率调节器综合补偿系统的稳定性与闭环跟踪能力分析

针对高速化铁路牵引系统产生的大量负序与谐波电流,提出了一种能够进行大容量功率转移、负序补偿与谐波抑制的电气化铁路功率调节器(railway static power conditioner,RPC)结构。首先分析了针对V/V牵引变压器的RPC系统负序补偿原理,建立了其数学模型和控制原理图,重点分析了控制器参数变化对系统稳定性和闭环跟踪能力的影响,为参数的合理选取提供了理论依据。最后进行了仿真验证,仿真结果验证了分析的正确性。     

计及特征次谐波治理的铁路网侧储能系统控制策略

针对电气化铁路节能增效及谐波治理问题,提出一种考虑特征次谐波治理的铁路牵引网侧储能系统控制策略。首先,分析牵引网侧储能系统接入方案并对其工作模态进行划分;其次,根据牵引负荷特征次谐波分布规律,推导网侧储能系统削峰填谷及特征次谐波治理方法;然后,提出一种计及网侧特征次谐波抑制的超级电容储能系统控制策略;最后,通过多工况下仿真测试,验证了所提策略的可行性。结果表明,所提策略能有效回收再生制动能量,减小网侧功率波动,抑制网侧特征次谐波。     

计及特征次谐波治理的铁路网侧储能系统控制策略

针对电气化铁路节能增效及谐波治理问题,提出一种考虑特征次谐波治理的铁路牵引网侧储能系统控制策略。首先,分析牵引网侧储能系统接入方案并对其工作模态进行划分;其次,根据牵引负荷特征次谐波分布规律,推导网侧储能系统削峰填谷及特征次谐波治理方法;然后,提出一种计及网侧特征次谐波抑制的超级电容储能系统控制策略;最后,通过多工况下仿真测试,验证了所提策略的可行性。结果表明,所提策略能有效回收再生制动能量,减小网侧功率波动,抑制网侧特征次谐波。     

高速铁路电能质量调节装置低压试验模型研究

针对高速铁路牵引供电系统给电网带来的负序、谐波等电能质量问题,研制出一种高速铁路电能质量调节装置低压试验模型,深入研究了负序谐波补偿原理、试验模型主电路拓扑结构和控制方法。试验模型主电路由3个单相背靠背H桥构成,然后通过单相变压器接入牵引网。模型的一个交流侧采用定直流电压控制策略,另外一侧采用定有功功率输出控制策略,对所提出试验模型进行了仿真和试验研究。仿真和试验结果表明,所提出的主电路结构及控制方法是有效的,试验模型能够实现负序和谐波的综合补偿。     

一种模块化级联H桥构造的三相—单相同相牵引供电系统

为解决高速、重载电气化铁路负序、谐波和无功等电能质量问题,依据三相对称补偿理论,并结合H桥构造,提出了基于模块化级联H桥的三相—单相同相牵引供电系统。分析了系统补偿特性及工作原理,研究了直挂型"!"联结的有源补偿装置(MMCHC)拓扑结构,推导了子模块参数确定方法,并给出了系统控制策略。通过直挂补偿装置将三相牵引变压器转换为单相供电,节省了匹配变压器的容量为补偿容量的2倍。仿真表明,补偿装置在牵引和再生制动工况下均具备良好的补偿特性和动态性能,消除了牵引负荷引起的负序、谐波和无功分量,且子模块电容电压稳定在2%以内。     

基于无功控制的电铁电能质量治理装置及应用

为了综合治理电气化铁路给电网带来的低功率因数、高谐波含量和大负序电流的问题,改变目前仅通过补偿无功功率来提高功率因数的现状,提出了在每个牵引臂安装一套晶闸管相控电抗器与固定电容器相结合的静止无功补偿器,通过对整个变电站无功功率的综合控制来提高功率因数、稳定电网电压、抑制谐波并改善负序电流;同时分析了该静止无功补偿器的拓扑结构和无功控制的数学模型及无功计算。在怀化供电段涟源牵引变电站的运行结果表明:装置投运后功率因数从0.8提高到0.96,不平衡度由原来的20.43%下降到1.81%;谐波和负序电流都有较大程度的减少。实践证明,基于无功控制的动态无功补偿方法可改善牵引网的电能质量。