基于三相单相变换器的贯通式同相供电系统研究（可编辑）

1、基于三相单相变换器的贯通式同相供电系统研究 密级:公开国内图书分类号:国际图书分类号:.西南交通大学研究生学位论文级年 三二级姓专二。一三年五月 :.:. . . . 、: :. .西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于.保密口,在 年解密后适用本授权书:.不保密一使用本授权书。请在以上方框内打“”和学位论文作者签名: 导

2、老师獬名指、/参目期日期:弓.名/”.西南交通大学硕士学位论文主要工作贡献声明本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下:、通过查阅资料,对现有牵引供电技术进行优缺点分析,研究了新型贯通式牵引供电系统。、对贯通式牵引供电系统的控制方式进行分析,并实现系统的并网及多机并联运行控制。、对系统进行/仿真,验证系统控制可行性。、对系统进行车网耦合谐波分析。本人郑重声明:所呈交的学位论文, 是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外, 本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起

3、的一切法律责任将由本人承担。学位论文作者签名:日期:纠弓.乡./衫西南交通大学硕士研究生学位论文 第页葡 斐传统牵引供电系统采取三相.两相分相供电方式,存在着无功、谐波、负序等电能质量的技术难题,并且由于过分相装置的存在,大大制约着机车的运行速度和承载能力。随着高速,重载铁路的发展,该系统面临着严重挑战。基于此,本文研究了基于三电平三相一单相二极管钳位变换器的贯通式同相牵引供电系统。利用电力电子技术彻底取消过分相装置,实现三相负荷的对称以及牵引网侧的柔性可控,大大改善了电能质量,提高了系统效率,是一种新型的智能牵引供电系统。本文深入分析了贯通式同相供电系统的控制问题,讨论了三相一单相变换器的拓

4、扑结构,研究了三相变换器及单相变换器的控制方法,对于三相变换器采用双闭环调节,并对直流电容进行均压控制。对于单相变换器,采用电压前馈并网控制。建立了变换器数学模型,并对控制系统的参数进行了整定,描绘了控制系统开闭环波特图,证明了系统的稳定性。建立新型牵引网模型,讨论分析多机并网系统的阻抗分布,环流分布以及下垂性能,得出系统具有下垂特性,可以使用下垂控制实现多组变换器并联运行,选取了双闭环结构,对电流进行解耦,配置了控制系统参数,波特图证明系统达到稳定性要求,并实现了均流控制。由于机车作为谐波源会向系统注入大量谐波电流,牵引供电系统成为最直接的谐波电流源激励对象,很可能对相关设备造成损害。因此,

5、针对这一新型牵引供电系统进行谐波分析,建立了基于分布式电感电容降阶计算的牵引网阻抗模型,搭建了机车负载模型,进行了车网耦合仿真,分析了负载牵引网侧、变电所牵引网侧和三相电网输出侧的谐波情况,证明了该系统车网耦合时谐波满足国家标准要求,还分析了极端情况下大谐波电流注入的情况,该系统谐波情况优于现有供电系统,为避免谐波谐振提供相应的理论参考。为了验证该系统的相关性能及特性,利用/搭建系统仿真模型和谐波分析模型,对于三相.单相变换器单机并网和多机并联并网的情况进行建模和仿真,对于车网耦合的谐波情况进行了仿真。仿真结果表明该贯通式同相供电系统相比于现有的供电系统模型能更好地解决供电电能质量、谐波、无功

6、及三相不平衡电流等问题,相对于现有系统优势明显。关键词:三相.单相变换器,贯通式同相供电系统,阻抗分析,环流分析,下垂特性,谐波分析西南交通大学硕士研究生学位论文 第页。 :, . .,一 , . . ,? . ,. , ?. . , ?. .?. ,. . , , .,.,., . , . ? / . . , ?, .西南交通大学硕士研究生学位论文 第页 :? ? , ,? , ,西南交通大学硕士研究生学位论文 第页目 录第章绪论一.研究背景和意义?.国内外研究现状.贯通式同相供电系统?.论文研究内容?.第章三电平三相.单相变换器?.变换器工作原理?.三相变换器及其控制?.变换器的数学模型?

7、.变换器解耦控制.?.。与直流电容均压控制.单相变换器及其并网控制?.变换器开关模型及三电平.变换器并网控制.本章小结?.?.?.第章多机并联运行及均流控制?.贯通式同相供电系统牵引网阻抗计算.环流分析?.系统的下垂特性分析?.?.控制策略.系统下垂特性?.?.系统下垂控制.?.本章小结?.?.第章系统仿真模型搭建及分析?.三电平三相一单相变换器模型.仿真模型搭建.?.?.仿真结果分析?.多变电所并联运行模型?.?.并联模型搭建?.多变电所并联运行仿真结果分析.本章小结?.?.第章贯通式同相供电系统谐波分析.牵引网谐波模型?.?.阻抗降阶原理?.导纳降阶原理?.车网耦合谐波分析.机车模型.车网

8、耦合模型仿真及分析?.本章小结.?.结论与展望?.致谢?.参考文献?西南交通大学硕士研究生学位论文 第页攻读硕士学位期间发表的论文?.西南交通大学硕士研究生学位论文 第页第章绪 论.研究背景和意义铁路较公路,水路及空运来说,经济环保,且受环境因素影响更小。随着经济的发展和生活水平的提高,铁路的发展趋势也向高速、重载倾斜。世界各铁路技术强国都不约而同地发展自己的高速铁路技术。法国、德国、日本的高速铁路技术均已走在世界前列,是各国学习模仿的对象。中国自年建设秦沈客运专线至今,通过大规模的高速铁路建设及对既有线路的改造,现已有高速铁路里程公里以上,成为世界上最大规模的高速铁路网络。目前,中国高铁己基

9、本完成四横四纵布局,根据中国铁路中长期规划,接下来要形成五纵六横八连线。中国高速铁路的发展极大促进了区域间经济的发展和交流,是中国交通运输发展的重要组成部分。而重载列车的发展,是为了满足经济快速发展所带来的物流压力,大力发展铁路特别是重载铁路,将促成物资的大交换、大交流,将对推动产业结构升级产生深远影响。年,第一条电气化铁路在德国建成通车。随着电力、电子、自动化及计算机技术的发展,电气化铁路显示出极高的效率和巨大的经济效益。我国自年开始修建宝成线电气化铁路,到目前为止电气化铁路总里程超过公里电气化牵引供电技术丰要有直流制、低频单相交流制、三相交流制和工频单相交流制几种。牵引供电系统是电气化铁路

10、的重要组成部分之一,同时该系统又是电力系统的重要的负载。因此,牵引供电系统的结构和性能对铁路和电力系统具有重要影响。我国采用的是工频单相交流制供电技术,目前已占全世界电气化铁路牵引供电方式的%以上。而在我国,工频单相交流制供电技术又有多种结构,如供电方式、供电方式、供电方式和直接供电方式等。但是在其结构中均有过分相装置。随着高速、重载列车的发展,其问题也逐渐暴露出来。工频单相交流制供电系统在牵引变电所将三相供电系统变换为两相,并分别向两侧的接触网供电,如图.所示。其优点包括主变压器制造要求小,价格低廉,可将各牵引变电所的两个重负电荷轮换接入电力系统中的三相。但是,随着高速、重载铁路的发展,该系

11、统面临着以下几点严重挑战【】:在两相供电时,为求得对电力系统的平衡,牵引变电所采取三相进线换相连接措施,这就导致了.侧接触网的电分相环节分相绝缘器出现。而高速和重载运输则要求机车受电弓平滑连续地受流,因此这种分相环节由于其机械、电气上的弱点,不仪成为速度和牵引力损失的主要原因,也是整个系统中最薄弱的环节之一。若缩短供电臂距离,增加牵引变电所数目,则耗费巨大。而自动过西南交通大学硕士研究生学位论文 第页分相装置虽然是解决问题的方法之一,但因电压高、转换动作频繁,使其准确性和可靠度在应用中受到严峻挑战。国内还在研究阶段,国外在使用中的技术缺陷依然存在。因此,除非研制新型自动过分相装置,否则,过分相

12、仍是一个技术瓶颈。高速、重载运输都需要大容量供电,为满足国家标准中电力系统对电气化铁道以负序为突出的电能质量的限制指标,增大变电所容量成本过高,而原有两相供电方式所使用的无功补偿技术已无法适应。若在牵引变电所采用可调对称补偿技术,即使使用交一直一交机车牵引不计其无功和谐波,技术和经济上均难达到理想状态。我国建设的高速铁路是高、中速混跑模式,若出现交一直一交机车与交一直机车混用局面,除负序外,无功和谐波仍然存在,电能质量不能改善,电气化铁路面临高价电费问题,同时速度和牵引力的损失可能使高中速列车的速差进一步拉大,影响整体运能。;?传统方式供电区问?一基于的同辛供电区间?图?传统分相供电系统与同相

13、供电系统示意图.国内外研究现状同相供电系统是一种新型的牵引供电系统,是牵引供电系统的发展方向之一,其特性符合高速重载铁路的要求【】,因此,世界各国均致力于类似该方向的研究。德国既有电力牵引系统采用 、低频率.的单相供电系统,具有较好的实现同相供电的基础。日本铁科院、东日铁公司和明电舍等联合研制了具有平衡两相供电与谐波无功补偿特性的补偿系统,并已投入现场运行【 。我国学者提出的“同相供电补偿系统”是针对既有线路的一种较好的同相供电系统,该系统以牵引供电既有线为补偿对象,采用基于电力电子补偿装置,解决既有电气化铁路的电能质量问题,同时实现了变电所的同相供电,将过分相个数减半【】。基于既有线路改造的

14、同相供电系统已经在四川眉山试运行】,如图.所示。该系统通过平衡变压器将电网上的三相电,转化为两相。,。提供牵引功率,而连接动态补偿装置。补偿单相电西南交通大学硕士研究生学位论文 第页网负载电流的无功和谐波,并传递一半有功,平衡变压器负载两相输出,并实现同相供电。接补偿器的一相输出也可为传统两相供电系统的另一供电臂供电,因此,该系统适合既有线路改造,是当前一种可行的同相供电系统实现方案。但是,连接牵引变压器副边两相的输出并不改变供电臂的相位,如果相邻两供电段变压器输出存在相差,则不宜将相邻变电所直接相连,所以该方案难以实现整个牵引供电大系统范围内的同相贯通供电。.贯通式同相供电系统图?贯通式同相

15、供电模式的发展,基于电力电子装置的三相.单相变换器为实现理想同相供电系统提供了良好的支撑,使得基于三相一单相变换器实现理想模式的同相供电系统成为可能。本文研究的三相.单项变换器由三电平三相整流器与三电平单相逆变器背靠背组成,连接三相电网与单相牵引供电系统,不再需要图.中的补偿装置。由于三相系统侧与单相系统侧的变换器都具有四象限运行的能力,因此,能够将有功能量在两侧三相.单相系统间传递,并通过三相系统侧的整流器实现三相电网有功电流的平衡,同时通过单相系统侧的逆变器提供牵引供电及同相并网能力。如果单个变电所出现故障后,该故障所在的供电区段可以与系统断开连接,并不影响其它供电区段的正常运行。因此,基

16、于三相单相变换器的同相供电系统能够实现牵引网与三相电网的可靠、安全、经济、高效、绿色的运行和使用,可以说是一种智能牵引网。电力电子变换器的多电平拓扑结构具有系统容量大、直流电压高等优点,是解决器件容量、速度同系统容量、输出波形质量之间的矛盾的有效方案。当前,多电平变换器研究较多的有钳位二极管. 、飞跨电容型和级联型等类型。其中结构节约高压电容数目、不需要独立直流电源,在高压大功率领域应用广泛】。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页三电平交直交变电所牵引供电系统变电所由一个或多个三相一单相变换器组成,变换器由构成。的使用使得变换器电平数增加,改善了输出电压:降低系统的:低耐压器件应用到高压大功率

17、输出得以实现。不同于和,变电所简化为一个不受控单相逆变器,为牵引网提供初始电压。当系统正常工作时,为其它变电所提供电压支持,并作为一个独立的变电所运行。机车能够在三电平交直交变电所牵引供电系统的任意一点受流。牵引网可以完全取消过分相,彻底解决不平衡及其它电能质量问题,获得更高的系统效率,是一种新型的智能牵引网。.论文研究内容本文的绪论部分介绍了两种现有供电模式的优缺点以及贯通式同相供电系统相对于前两种模式的优点,介绍了国内外相关的研究进展以及贯通式同相供电系统的拓扑结构和性质。第二章着重介绍三相.单相变换器的拓扑结构以及三相和单相部分的控制策略。其中三相部分采用双闭环控制,并对直流电容进行均压

18、控制。对于单相部分,采用电压前馈并网控制。简单介绍了三电平和控制方法。分析了三相及单相部分的具体控制参数的整定,以及计算仿真了系统的开闭环频率特性。实现单个变电所的完整功能。第三章重点分析多变电所并联运行的相关控制。通过分析系统的阻抗分布,建立模型,进而进行环流计算,分析其下垂特性,最后使用下垂控制对多个变电所进行均流控制。讨论了畸变非正弦周期电流的分解,并对于下垂控制系统的参数整定进行了设计和分析。第四章搭建系统的仿真模型,给出仿真和计算结果。首先对于三电平三相.单相变换器单机并网的情况进行仿真。之后对于多机并联运行状况下变电所能否根据负载变化实现电压稳定和电流指定输出进行了仿真和讨论。第五

19、章主要针对该系统进行谐波分析,通过建立谐波阻抗降阶分析模型,搭建了整流负载模型,并进行车网耦合仿真,验证了系统谐波总畸变率低于国家标准,并考虑了大谐波电流注入的情况,为避免谐波谐振提供一定的理论参考。最后,对本文进行总结,指出可进一步深入研究的内容。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页第章三电平三相.单相变换器.变换器工作原理当前,三相整流器与桥式单相逆变器是大容量电力电子设备的研究重点。在实现大功率变换的几种解决方案中,多电平变换器具有输出电压波形畸变 ,/、器件电压应力和系统电磁干扰低等优点【。其中基于结构的多电平变换器可以节约高压电容数目、不需要独立直流电源,在高压大功率领域应用广泛。三

20、相电网三相变换器 直流电容单相变换器 牵引网图. 三电平三相.单相变换器本文研究的三相一单相变换器由三电平三相变换器与三电平单相变换器背靠背组成,连接三相电网与单相牵引供电系统,如图.所示。由于三相系统侧与单相系统侧的变换器都具有四象限运行的能力。因此,能够将有功能量在两侧三相一单相系统间传递,并通过三相系统侧的变换器实现三相电网有功电流的平衡,同时通过单相系统侧的变换器提供牵引供电及同相并网能力。基于三相一单相变换器的同相牵引供电系统能够实现牵引电网与三相电网的可靠、安全、经济、高效、环境友好的运行和使用,是贯通供电系统的核心设备。本文采用的三电平二极管钳位三相一单相变换器,它主要由三个子模

21、块组成:三相变换器:在三相电网和直流环节之间传递能量。牵引工况下,作为整流器将电网侧的三相电转换为稳定的直流电,从电网吸收能量;再生工况下,作为逆变器将直流电转换为三相电,向电网回馈能量;支撑电容:串联电容储存能量,为背靠背变换器提供直流电压。单相变换器:在供电线和直流环节之间传递能量。牵引工况下,作为逆变器将直流电转换为频率幅值相位可调的单相电,从直流侧汲取能量,为机车供电;再生工况下,作为整流器将单相电转换为直流电,给直流侧输送能量。西南交通大学硕士研究生学位论文第页一.三相变换器及其控制.变换器的数学模型图 三电平三相变换器数学模型三相三电平二极管钳位变换器开关等效电路如图所示,三个桥臂

22、的开关分别用、表示。考虑所有功率元件均为理想开关且变换器三相对称,有出。则彳、艿、三相的开关函数满足:。坼:互%口, ?一一三%对于相,定义三种接通状态开关函数为。,。,墨。,即有:。,:。,墨。墨:.。,墨。,墨。 ?【一:。,。,。且有约束条件:。:。,。 ?即上述开关状态每次只有一个为,其余都为。根据定律,有:。”眈乞堕/比。?%咆鲁曲。”吮一。堕饥。吃圪 ?吃【. / 、,综 日 式 , 、, 可 得西南交通大学硕士研究生学位论文 第页防班巩矿。矿。 墨 % &邑其中:,:系统三相对称,且为三线制,则有:虬%虬根据定律,直流侧有:卜 一. 既 . 乙耐?一& . 是 .丘 删警孥根据基

23、尔霍夫定理,以及式,得到三相三电平变换器在三相静止坐标系下的数学模型如式所示:。 。 。 。一 一 一 ,忍丘 巳 .口 。一 么 % 。 。 , 。一 一 一厶 艮% . 。一 乞 & ,。 是。 。一 一 一厶 艮巳 . 。一 ,如 叉 ,丸一衍以瓦丸一衍?一义义八 户户户 /,./,./,.一/ 户户户。百。、。?制警叫&峨。耐%“认为交流侧电感厶三,电阻兄毽是,根据图?,可得三相交流侧电压方程:庆删卧 圈三相变换器交流侧可分为电源、电阻和电感三部分,对于各部分分别求得其幽坐标下的数学模型:电源部分三相交流电压%和电流表达式如下:西南交通大学硕士研究生学位论文 第页一虬厅“/亏一口 吼一

24、吼。饥正相 其中:识网电压初鲜】始 :目位饥一一交流侧电流信。峰值寻一一如峰值、/了一一。出峰但臣相 止坐标 位角为,可得:虬虬 【 矧叮在 :相静.吒砌。. %】 .在旋转坐标系下:。卜删砌。】陋钕如掣电感部分设交流.仞 :坐标系中为:三相电阻电压在一相静吃如肠肭】 . 在旋转坐标系下:. 。卜甜幻。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页有筝吃乞如,。,得到:.阢。一三国/。 由式?,?得到由坐标下数学模型:。,阱茗三筒其中,兰,圪,圪为由坐标下的输入电压,即解耦的有功和无功分量,整理后得:、 屯。乞一印:,沪印 .变换器解耦控制通过控制三相电网和直流电容之间的有功电流的幅值和方向以保持直流电

25、压的稳定。本文采用解耦控制策略,通过采集网侧电流信号,经过三相电压锁相后进行.变换,实现有功无功解耦,然后采集直流侧实际电压与给定电压做比较,差值经控制器输出量与三相电流分量比较,经控制器输出电流控制指令信号的分量,另一方面将三相电流分量与给定值比较,经控制器输出电流控制指令信号的分量。然后,根据式?计算得到电压的分量,将其逆变换,经控制模块后输出三相桥开关控制信号,实现稳定整流。三相变换器的控制原理如图.所示。陌图三电平三相变换器控制原理框图控制系统包括一个电压外环,负责对直流电压进行控制;一个基于电流前馈的电流内环;一个锁相环,负责为.坐标变换提供电网电压的相位,保证网第页西南交通大学硕士

26、研究生学位论文侧的单位功率因数电流的实现:系统还采用空间电压矢量进行调制。解耦后电流内环的控制框图如图.所示。根据图.可得电流内环的开环传递函数为丽百 面瓦而./:丽设控制器的积分时间与电流内环采样时间相同,则,.,为功率开关的开关时间,啊为整流器等效增益。根据典型型系统的要求,为了使电流内环得到满意的电流跟随性能,合并两个惯性环节传递函数:上监:上丝型:茎型 ?. ., 图? 电流内环控制原理框图为消去控制环节与电路的零极点,设,/,蟛/秭,得到电流内环的开环传函为:,啪,赫赤其中,自然角频率哦,阻尼比考上,由此可得电流环参数如下:面杀耻志其闭环传函为:瓯面弦瓦而取第页西南交通大学硕士研究生

27、学位论文.,善.啊。正。根据式可求得电流内环尸,参数如下:稀,。“萋韵; 一 一?帕棚图电流内环开闭环波特图图.为电流内环的开闭环波特图。由上图可以看出电流内环系统有较大相位裕度,可以满足系统稳定及带宽的条件。电压外环的控制结构如图.所示。图?电压外环控制原理框图图中瓯为电流内环等效环节,由于电流内环的截止频率高于电压外环的截止频率,项系数远远小于项系数,可以忽略。因此电流内环可以等效为一阶惯性环节,其闭环传递函数可以化简为:【,高经简化的电压环控制结构如图,其中。为电压环采样时间常数。第页西南交通大学硕士研究生学位论文图简化电压外环控制原理框图可得电压环开环传函为:?瓦再.面”丽丁:笠?”.

28、。电压环闭环传函为:小,丽而嚣等篙蠢该系统为典型型系统,根据三阶最佳整定方法【,有:鱼旦:坠:贸互。其中红.为中频带宽,一般取。夏专根据式 ,可求得电压外环的控制参数如下:一?蠢淼童一根据式.可求得电压外环尸,参数:,订。由以上结果可以得到电压外环开环、闭环函数的波特图如图.所示。可以看出系统有较大相位裕度,可以满足系统稳定及带宽的条件。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页“。.:、. :焱、:图.电压外环开闭环波特图.与直流电容均压控制根据.的分析,三相三电平变换器的每相桥臂有种开关状态,整个变换器共有种开关状态,而由于冗余的存在,实际上只有个矢量与这种开关状态相对应。其中有长矢量个,其幅值

29、为吃,位于外六边形的项点;中矢量个,其幅值为.半吃,位于外六边形的中点; 个小矢量,其幅值为/,位于内二六边形顶点,个零矢量,只有零矢量和短矢量才会存在冗余,分布情况如图?所示。控制策略的原理就是在每个开关周期内使用变换器三相输出脉冲电压合成期望输出的参考矢量电压,即用平均角速度去逼近期望的基准源空间旋转。具体角速度,具体计算过程包括区域判断,时间计算,时间状态分配三步【计算方法不再赘述。三相三电平二极管变换器在运行过程中,必然会产生直流电容电压的不平衡,这是由于中矢量对应的开关状态使得中点总是与某相电流相联系,电流的注入造成了中点电位不平衡;而每个小矢量有两种开关状态正和负,正小矢量作用时,

30、中点电位降低,负小矢量工作时,中点电位升高【】;长矢量和零矢量对应的开关状态与中点均没有连接,不影响中点电位。中点电压的不平衡会造成变换器输出畸变,开关管电压不平衡,严重时会损坏开关管,电容上的电压波动会降低电容寿命,因此有必要对于中点电压进行必要的控制 。目前,针对中点电压平衡问题的解决有多种途径,主要分为硬件方法和软件方法两大类【 。硬件方法包括强行分压、并接换流器以及构造均压电路三种,强行分压即在输出直流侧电容两端并联大电阻,这样会造成大功率、高电压场合下的巨大功率损耗:并接换流器与直流侧电源和电容之间,将中点电流引入变流器,避免其对中点电压的干扰,这样虽然减小了不必要的功率损耗,但是增

31、加了西南交通大学硕士研究生学位论文 第页设备成本,也使系统更为复杂:而构造均压回路,则是利用电容或电感的储能特性,由元件充放电进行对中点电流的调节,这种方法的优点在于不受限于负载状况,且与调制方式无关,但是由于元件有充放电时间的限制,在高频场合下的均压效果会受到限制。瓜/ /沥/心念心泐.历弋彦影憾。瓜八。/ /. 、/图?空间电压矢量分布图软件方法则是通过调整的算法来调节中点电流,不需要加入额外的硬件设备,其具体方法由调制方式决定。在方式下,采用基于电荷平衡的控制,即保证一个周期内流入及流出电容的电荷量不变,这个可以通过在调制过程中注入零序分量实现【引。而方式下则是通过控制正负小矢量对应中点

32、电流方向来实现的【。软件方法较硬件方法而言,系统更简单,设备花费更少,目前被普遍采用。本文中选取基于调制方式的中点电压软件控制方法。在合成空间电压矢量时,至少会用到一对正负小矢量,通过调整正负小矢量对的相对作用时间,可以对中点电压进行补偿。根据合成的要求,每次只有一相桥臂开关动作。在调节时需检测该矢量开关管状态对应相的电流方向,就可知该小矢量对直流电容电压的影响趋势,通过调整正负小矢量的相对作用时间,就可以实现中点电位平衡。设。一”,当时,即电容电压偏大,应当延长正小矢量的作用时间,即延长电容 的放电时间,使其电压下降;反之,则减少正小矢量的作用时间,即减少电容的放电时间,使其电压上升。为了避

33、免电压波动造成开关频繁动作,设定阈值,其电压不平衡超过一定范围,即当或一再作调整,其正负小矢量的作用时间通过调制因数进行调节,其取值由以下条件决定:西南交通大学硕士研究生学位论文 第 页.?.矿,三 三 卫上旦上 ?图作州时间分配图.单相变换器及其并网控制.变换器开关模型及三电平上单相三电平变换器开关等效电路如图. 所示。图中为直流侧电容的电压,为直流侧电容上的电压。为便于分析,我们将开关管用理想开关来代替,。代表相桥臂开关,代表相桥臂开关,忽略牵引绕组电阻与、与分别是、两桥臂上下功率开关。觚吐.一厂一、,一“。,乞, 照, ,。图.单相变换器开关等效电路开关函数如下:乃导通?既?导通西南交通

34、大学硕士研究生学位论文第页瓯器鬻由于上、下桥臂不能同时导通,所以功率开关与、与的驱动信号必须互补。因此于整流器网侧输入端电压口有三个电平值:、.。、 、 、有效的开关组合有种,即 四种逻辑,则整流器网侧输入端电压口可表示为:。一瓯% 类似于对三相变换器的开关状态分析,单相变换器每个桥臂均有三种开关状态,总共有九种,其具体情况如表.所示。控制技术,用一种正弦参考波为调制波,与载波通常是倍于调制波频率的三角波或锯齿波进行比较,产生一组幅值相等、而宽度正比于调制波的矩形脉冲序列来等效调制波,对开关管进行通断控制。表.工作模式及相应电压乃, . 乃死 工作模式甜口 “, 。“, 材,。“, ? “,?

35、. ? 。 一三电平单相变换器调制方法相比两电平要稍显复杂,采用单极性正负。,反相层叠式载波调制,如图. 所示。相调制波与相调制波相位相差为减少高次谐波,相载波与相载波相差相位。其理想开关函数如式.。经调制输出的、相信号,分别控制单相变换器、相桥臂上开关管的通断【。口正侧载波甜。口负侧载波时,。口正侧载波“口/叩负侧载波时, .”。口正侧载波,阳负侧载波时,.西南交通大学硕士研究生学位论文 第页图. 三电平逆变器调制示意图.变换器并网控制变换器并网控制框图如图所示。其中,。为滤波环节,:为逆变环节,为控制,为电压前馈环节【。图.引入电压前馈变换器并网控制框图滤波环节传函为:鬲单相变换器环节可等

36、效为惯性环节,其传递函数为:?:丽其中删时间常数可取。环节传函:?:?:令:西南交通大学硕士研究生学位论文 第页, 、 会去 . 尺由于电网电压对并网电流有扰动,因此加入电网电压前馈环节进行系统补偿。加入电压前馈后,并网电流的传递函数为: 、 。一剥揣九 :若消除电网电压的扰动,则使,歧口:?一丽结合式.,可得系统参数和开环传函与闭环传函分别为:查一瓦了丽瓦丽而取.,.,可得,。系统的开闭环传函波特图分别如图. 所示。可以看出系统均有较大相位裕度,可以满足系统稳定及带宽的条件。图.系统开环、闭环波特图.本章小结本章研究分析了三相.单相变换器三相和单相部分的拓扑结构、数学模型。讨西南交通大学硕士

37、研究生学位论文 第页论三电平及控制方法。详细分析了三相变换器电压电流双闭环、直流电容中点电压平衡及单相变换器部分电压前馈并网的控制方式,并对控制系统参数进行整定计算,最后给出系统频率特性计算仿真结果,证明了参数配置的正确性和系统的稳定性。完成了三相.单相变换器单机运行功能的实现。西南交通大学硕士研究生学位论文 第页第章多机并联运行及均流控制贯通式同相供电系统要实现整个牵引网的贯通,需要多个变电所并联运行,为牵引网供电。而多个变电所的并联则不可避免带来环流和功率分配等问题,要解决这些问题,首先要对贯通式同相牵引供电系统进行阻抗分析,了解其阻抗分布情况,进而分析系统的环流分布,验证系统是否有下垂特

38、性,再决定控制策略。.贯通式同相供电系统牵引网阻抗计算牵引网是牵引系统的重要组成部分,由接触网包含接触线、承力索、加强导线口等、铁轨及大地构成回路,贯通同相供电系统的接触网部分与现有铁路模型类似。因此,对于贯通式同相供电系统牵引网的分析可以参照现有牵引网阻抗分析进行【。牵引网上工频电压较低,在计算牵引网阻抗时,可以忽略分布电容和电导的影响,只计算牵引网有效电阻和电抗。以链型悬挂带加强导线的单线牵引网为例,首先建立并联导线网.地回路简化模型如图.所示。卜?一?二一图.并联导线网一地回路简化模型列写各导线一地电路的电压方程有【,亨 二, ,一, 一解之得:昙。 咖?”, , 。式中,将三个并联导线

39、一地回路等效成一个当量导线一地回路,根据阻抗的定义可西南交通大学硕士研究生学位论文 第页求得其单位长阻抗为:二一?一一? ,:掣:占?;,?;一其中,?,设定三个并联导线对称,即其自阻抗和相互间的阻抗均相等,这就使得电流,在三个导线中均匀分布。这样就有,由式和可得吉:【恐%。.。歹。.,:南万吃吩。.。,。?,习乏霞霞忑丽这样,三个并联导线一地回路就构成一个当量导线一地回路,对照单导线一地回路情形,上式即为当量导线一地回路的等效阻抗,其等效半径为叫,足:,:,:,。所以,电流均匀分布的三个并联导线网.地回路等效成一个导线地回路后,该导线的等效半径为础卜西南交通大学硕士研究生学位论文 第页疋:,

40、单位长阻抗为:导线与导线之间的距离为西:。线路模型如图.所示。 曲 地面一一隹一一 一俐进人地燧可域卜?一?.?一图 线路模型根据电磁场理论,可以求得导线导线的单位长自感厶、及两者之间的单位长互感:分别为铲峰。,妒%斗薏一?式中,尝。/进一步可求得两导线单位长自阻抗及其之间的单位.抗分别为/毗.。?一/埘对图所示电路建立回路电压方程毛一,厶则导线卜地回路单位长等值自阻抗毛为,:掣:一一。一:/厶一。:三:砘训脚若毫在工频下,:,则.娟训/.嚣毫刚砌西南交通大学硕士研究生学位论文第页式中,大地交流电阻为巧/?一/砌. 工频频率,则./。令害将式? ,.带入式. ,并采用常用对数,得导线卜地回路单

41、位长等值自阻抗为圳.尺。/砌式中,为导线在大地的等值深度?琅嚣训式中,/为电流频率,单位;仃为大地电导率,单位/。仃可取/?,或取哦。考虑接触网与轨地回路互感,建立模型如图.所示。 /.一、 .、 凶 /,卜?一卜?一图.接触网与轨地回路互感线路模型已知导线、的等效半径、有效电阻和两两导线之间的距离, 因此可得两导线的单位自阻抗及其之间的单位互阻抗分别为川删卺四湖兰/砌?式中,且。建立导线.地回路电压方程有一一一?西南交通大学硕士研究生学位论文 第页毛%:掣/一一一一一/百抽将式.代入式.,并将自然对数换成常用对数,得工频下的两导线.地回路单位长互阻抗毛.孚/.综合上述分析,可以得到牵引网电路

42、最简模型如图.所示。,一?翥?、,、一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一一,。、:一?一一.血型二掣?一卜二二二二二二二二兰二生二二叫。图.牵引网电路最简模型根据牵引网电路最简模型模型,可以得出回路电压方程如下:? ? ?二旦丝一,.一笪,则牵引网单位长阻抗为: .一?一一? 。:一:一一芷选取单线有加强全补偿链形悬挂,导线型号一一一/,钢轨规格为/。查阅相关参数【引,计算得接触网一地回路自阻抗为.月. /砌,轨一地回路自阻抗为.曲. /,互阻抗为./枷,牵引网单位长等效阻抗为.月./砌。.环流分析贯通式同相供电系统虽然解决了牵引网的电能质量和功率平衡问题,但是也带来了新的

43、问题。由于实现了贯通,因此各变电所并联运行,由于参数及运行情况差异,变电所之间会出现环流,过大的环流不仪对于负载没有贡献,反而会增.西南交通大学硕士研究生学位论文 第页加系统负担,甚至损坏设备。因此有必要对该系统的环流加以分析。将变电所等效为电源,简化的两变电所并联回路如图所示。其中,.是电源输出电压幅值,是电源输出电压相位,.是变电所等效输出感抗,是变电所等效输出阻抗,是牵引网等效输出阻抗,乙是负载,即运行的机车,是两电源输出电流,是环流。图牵引网电路最简模型为简化分析过程,假设识妒:,:,根据图,有:。.弘.彳:弘:乏?,%一吣一、一。其中,由于机车的运动造成.的变化,是牵引网单位长度等效

44、输出阻抗,是机车与左边变电所距离,两变电所相距:,乒因此环流阻抗中的负载阻抗不能忽略,根据式?., 可得.及的表达式分别为:。?半厶半圪一去一焘西南交通大学硕士研究生学位论文 第页,一?圪一圪?,根据上节计算结果,并取机车为恒阻抗模型【,吖。计算环流助随距离变化趋势如图.,.所示。和在,夏日变化,为一确定值时,以厶的实部和虚部为、轴,为轴,如图?所示:的范围是一个平行与面的有限平面。当在【,间变化时,随变化规律如图所示:从图可看出,当时,图形出现拐点,在这一点,左右两边阻抗相等,式可化简为:半。图. 时,环流分布图环流随变化趋势通过分析可知,在贯通式同相供电系统多机并联运行时的环流不可忽略,必须通过控制将其抑制。.系统的下垂特性分析西南交通大学硕士研究生学位论文 第页.控制策略多变电所并联运行等同于多个电源模块的并联运行,各模块由于参数不一致,使得其输出不同,有的输出电流大,有的输出电流小,有的甚至不输出,这样会导致电流分配不均,引起环流,使得部分模块开关应力过大,造成设备损坏,最终使得系统可靠性降低。均流控制就是要将负载电流合理分配给各变电所,同时使输出电压符合系统