电力牵引机车用同相供电控制系统研究

我国现有电气化铁路单相工频供电系统存在三相不平衡、电分相、能量回馈效率低、向公共电网注入无功及谐波电流等问题。同时,由于采用相序轮换的供电方式,使得接触网存在电分相环节,降低了机车运力和安全性。现有的解决方案是为牵引变压器并联电能质量补偿装置,属于被动补偿的方式,且无法彻底取消电分相。本文基于一种无牵引变压器新型同相供电系统拓扑,着力于研究该新型拓扑在电气化铁路牵引供电系统中应用所面临的一系列关键性问题。 无牵引变压器新型同相供电系统,是由电力电子变换装置直接形成接触网的单相供电电压,实现电能质量的主动治理。本文从谐波、无功、负序电流及并联等方面对该拓扑特性进行研究,并指出其应用于电气化铁路牵引供电系统中的优越性。 单相H-H功率单元是本课题中新型同相供电拓扑的基本组成单元。针对兆瓦级功率单元单相PWM整流器,本文提出一种基于输入电压、直流母线电流、直流母线电压全前馈的功率单元整流侧控制策略,旨在解决大功率变流系统稳定性与动态响应性能之间的矛盾,以满足机车负载频繁、快速变化的特点；针对大功率应用场合开关频率低影响控制性能这一共性问题,提出一种准自然采样方法,缩短系统控制周期和调制滞后,使调制效果极大地接近自然采样法,并给出该调制策略的适用范围；为解决低开关频率系统输入电流中开关动作造成的电流纹波过大的问题,提出多个功率单元整流侧载波移相控制策略；最后,提出优化的数字锁相方法以及抑制单相系统瞬时功率波动的数字滤波器设计方法,以形成一套完整的单元控制策略。 为取消电分相环节,必须使各台牵引供电装置的输出侧能够通过接触网实现并联供电,而同相供电系统的核心目标就是实现多台同相供电装置之间的贯通式并联供电。本文对电气化铁路同相供电系统的并联环流问题进行了深入分析,指出当前电气化铁路供电系统无法彻底取消电分相的原因；建立了并联系统的环流模型,并明确提出同相供电中的特殊性问题及控制目标；基于无互连线的控制思想,提出一种多台同相供电装置并联控制策略,在为接触网提供电压支撑的同时抑制环流；针对电气化铁路不间断供电的要求,对本系统的容错性进行了分析及设计。 本文给出了完整的工业样机系统参数及主回路设计方案,并建立了包含人机界面、主控单元、PLC、下位机、采样板等模块的控制系统。针对大功率系统中IGCT的应用,指出了其中的关键性问题,并给出了吸收电路、死区补偿、驱动保护等特殊性问题的解决方案。 最后,进行了功率单元整流侧实验及三单元串联同相供电实验,实验结果完全满足设计指标,设备运行稳定、可靠,为无牵引变压器同相供电系统的进一步研究和工业应用奠定了基础。