基于模块化多电平换流器的铁路功率调节器研究

我国铁路的牵引供电系统采用工频25k V单相交流供电方式,这是一种不对称供电方式。随着我国铁路的高速化和重载化发展,铁路供电的负序、无功、谐波等电能质量问题愈发突出。铁路功率调节器(Railway Static Power Conditioner,RPC)是众多电能综合治理中最为优秀的方案之一。然而传统RPC采用两/三电平结构VSC背靠背构造而成,存在电压水平较低、补偿容量有限、器件动/静态均压困难等缺点。为克服传统RPC存在的不利因素,本文由2个单相模块化多电平换流器(modular multilevel converter,MMC)背靠背连接构造铁路功率调节器(MMC-RPC),并直接接入牵引网,实现传统RPC所有功能的同时,兼具MMC拓扑结构的优点,取消了降压变压器,提高了直流电压,减小了直流端电流。本学位论文以MMC-RPC为研究角度,开展的主要工作和创新点如下:1)建立MMC-RPC的数学模型。首先分别介绍了V/v牵引变压器和Scott牵引变压器的结构,并定量计算两种牵引变压器电流补偿指令和功率补偿指令;然后介绍了RPC的基本拓扑结构,通过简化RPC等效电路模型,分析了RPC基本工作原理;再分析MMC子模块拓扑结构的工作特性,建立了单相MMC的相关数学模型,并在此基础上分析并建立采用MMC拓扑结构的新型RPC(MMC-RPC)的数学模型。2)提出MMC-RPC的双闭环控制策略。通过二阶广义积分构造正交虚拟分量后,转换到旋转坐标系下设计双闭环控制器,有效控制MMC-RPC实现对牵引变压器的负序治理和无功补偿。3)提出MMC-RPC直接功率控制策略。分析单相系统的电压与功率间的数学模型,设计了一种无需系统角频率和电感参数的直接功率控制策略(direct power control,DPC),并设计直接功率控制策略下的直流端电压稳定策略。该控制策略实现功率的准确、快速的解耦控制,实现对牵引变压器的负序、谐波、无功的综合治理。4)提出时域坐标系下的两相三线式MMC-RPC的PIR控制策略。采用比例-积分-谐振(PIR)控制器实现交流补偿电流的准确控制,同时设计采用谐振控制的MMC桥臂环流的抑制策略,提高电流跟踪质量。5)设计Park坐标系下MMC-RPC的频率自适应PIR控制策略。构造虚拟正交分量后建立单相MMC数学模型,在同步旋转坐标系下分析机车谐波电流的特性,指出单相奇次谐波电流在dq坐标系下都以4的倍数次频率波动。依此提出需要更少的谐振控制器数量的比例-积分-谐振控制策略,并考虑供电网的频率偏移情况而设计频率自适应功率分离器与频率自适应的谐振控制器,提高控制策略的频率偏移适应能力。该控制策略能够在电网频率变化,机车负载突变等复杂情况下实现对牵引变压器的综合补偿。6)对MMC-RPC的环流进行定量分析并提出抑制策略。由于MMC采用分布式电容结构特点,导致其存在环流问题,同时与直流输电不同的是MMC-RPC需要向牵引电网主动注入奇次谐波电流,谐波电流通过桥臂使得臂环流的成份变得更加复杂。通过对牵引供电系统补偿原理的分析,建立单相MMC的数学模型,结合MMC-RPC补偿电流特点,定量分析了环流产生的机理,得出MMC-RPC存在偶数倍频环流,并且环流流入直流端,引起直流电流和电压的波动。然后在理论分析的基础上,采用比例-积分-复数积分控制器设计一种适用于MMC-RPC单相系统的环流控制器。