模块化多电平铁路功率调节器接入的机车混跑车网耦合系统稳定性分析

基于模块化多电平换流器的铁路功率调节器(modular multilevel converter-railway static power conditioner,MMCRPC)能够有效解决牵引供电系统存在的电能质量问题,但接入MMC-RPC对车网耦合系统低频稳定性的影响尚不明确。针对此问题,首先考虑频率耦合效应,基于多谐波线性化方法建立了CRH3型、CRH5型机车变流器及MMC-RPC的端口序导纳模型,并实现了不同控制策略、不同变流器负荷序导纳模型在单相静止坐标系的统一。其次,分别研究了MMC-RPC接入牵引网前后车网耦合系统的低频振荡现象。接着,根据主导相角裕度和灵敏度指标首次定量评估了MMC-RPC接入机车混跑系统工况下不同控制器参数对系统稳定性的影响,并提出相应调参准则以提升系统稳定性。最后基于Matlab/Simulink仿真和硬件在环半实物实时仿真验证了对系统稳定性分析结果的正确性。

考虑损耗优化的多电平铁路功率调节器的混合环流注入策略

铁路功率调节器(railwaypowerconditioner,RPC)主要承担电气化铁路牵引系统的有功转移和无功、负序补偿。在V/v牵引系统中,多电平铁路功率调节器(multilevel railway power conditioner,MRPC)需补偿无功维持电网电压平衡,此时造成MRPC链节功率不平衡,导致链节间电容电压的发散。为抑制电压发散,需注入环流电压和电流。传统注入方案仅注入直流或交流分量,未考虑MRPC功率损耗等性能。针对应用于V/v牵引系统的MRPC,分析其等效电路模型和链节功率不平衡原因;建立MRPC功率损耗模型,提出优化MRPC功率损耗的混合环流注入策略,并以损耗优化为目标,对环流的幅值和初相角进行优化设计。通过仿真对所提出的混合环流注入策略与传统方案进行对比,验证所提方案的正确性和有效性。

双星型多电平铁路功率调节器及其控制方法

电气化铁路向高速、大功率发展的同时,给牵引电网带来不容忽视的电能质量问题。为实现牵引电力系统三相电流的平衡,研究一种高压大容量的双星型多电平铁路功率调节器。该调节器采用模块化高压级联结构,由4个H桥链节及输出滤波电感组成,可直接挂接于27.5 kV电压等级,能用于多种类型牵引供电系统的功率调节,尤其适用于斯科特(Scott)同相供电牵引系统的功率转移和补偿。在分析该新型铁路功率调节装置拓扑结构、等效模型以及功率平衡的基础上,提出以调节器电压平衡为目标的分层控制策略,以保证系统的安全稳定运行。最后通过仿真和实验验证了所提补偿装置和控制方法的有效性。

多电平铁路功率调节器的无源控制方法

为了治理铁路系统的电能质量问题,研究了一种多电平铁路功率调节器(MRPC),其采用多电平级联型H桥链,只需要通过一个隔离变压器与牵引供电臂连接。若采用同相供电方式,MRPC可直接与牵引供电臂连接,不再需要隔离变压器。根据MRPC的拓扑结构推出了其等效电路图,并对其进行了数学建模。在此基础上,通过Park(αβ/dq)变换建立了dq坐标系下的欧拉—拉格朗日(EL)模型,分析了系统的无源性,提出了一种无源性控制方法,并设计了无源控制器。仿真和实验结果表明,该控制方法能提高MRPC对控制参数扰动的鲁棒性,改善牵引网电能质量。

模块化多电平铁路功率调节器滞环控制策略

为克服模块化多电平铁路功率调节器(MRPC)在治理牵引网电能质量中存在控制复杂、计算量大及调制策略复杂等不足,本文在参考两电平滞环控制基础上构建了MRPC的直接电流滞环控制策略。该策略通过最近电平逼近策略输出抵消牵引侧高电压的端口电压,同时利用补偿侧电流误差值调制桥臂子模块脉冲信号实现补偿电流无静差跟踪。所构建的滞环控制策略具有调试简单、计算量小及鲁棒性强等优点。仿真结果验证了本文所提控制策略的正确性和有效性。

基于滑模变结构的模块化多电平铁路功率调节器直接功率控制

为解决传统牵引网中存在的负序、无功、谐波等电能质量问题,在采用模块化多电平换流器结构的铁路功率调节器(modular multilevel converter-railway static power conditioner,MMC-RPC)基础上,提出一种基于滑模变结构的直接功率控制策略(sliding mode variable structure-direct power control,SMVS-DPC)。该控制策略不仅无需锁相环,动态响应快,而且能够减小切换滑模面时产生的高频抖振,稳定性和鲁棒性优越。首先建立单相MMC-RPC数学模型,分析其工作原理;其次详细论述SMVS-DPC控制策略的原理及其设计过程;最后以V/v变压器为例,在Matlab/Simuink中搭建MMC-RPC仿真模型,通过仿真结果验证SMVS-DPC控制策略运用到MMC-RPC的有效性和优越性。

模块化多电平铁路功率调节器复合控制策略研究

模块化多电平铁路功率调节器MMC-RPC可以综合治理电气化铁路高负序含量、谐波污染等电能质量问题。传统双闭环PI控制存在受非线性因素影响大、动态响应慢、谐波治理能力差的缺陷,为提高MMC-RPC的控制性能和治理效果,提出一种可降低系统超调量并对控制器参数进行实时动态调整的双环复合控制策略。功率外环采用传统PI和变参数PI相结合的分段控制,电流内环引入重复模糊PI控制器。在Matlab/Simulink中搭建仿真模型,并与传统双闭环PI控制策略进行对比分析,验证了采用控制策略的优越性和可行性。

一种基于储能型铁路功率调节器的再生制动能量控制策略研究

针对某长大坡道线路牵引负荷实测数据,首先分析了牵引负荷具有峰值功率高、波动性强、工况之间交替频繁且再生制动能量丰富的特点,并且基于储能型铁路功率调节器,提出一种再生制动能量控制策略。然后通过MATLAB/Simulink搭建仿真模型,根据仿真结果分析系统各工况下的能量转移特性,验证该能量控制策略的可行性,在储能系统削峰填谷的同时,对牵引供电系统出现的功率因数低、三相不平衡等电能质量问题也起到治理的效果,具有良好的应用前景和经济价值。

铁路功率调节器混合储能控制方法

中国铁路的建设发展水平在世界范围内已经处于领先地位,高速铁路建设里程更是位于世界首位,铁路运营的相关经验也已经输送到世界各国,为当地铁路建设提供参考。进行铁路电气化改革后,与原有铁路相比,载客量更大,运输效率更高,延误率更低。电气化改革后铁路的优点显而易见,但是能耗较高,供电质量不稳定等问题亟待解决。

计及电网电压不平衡的储能型铁路功率调节器负序优化补偿策略

针对偏远地区电网电压不平衡条件下牵引供电系统负序补偿及再生制动能量回收利用问题,基于储能型铁路功率调节器,提出一种在补偿装置容量有限时,计及电网电压不平衡条件的再生制动能量利用及负序综合补偿优化策略。分析了电网电压不平衡时储能型铁路功率调节器负序完全补偿机理,引入储能系统补偿系数,有功、无功电流补偿系数,以负序补偿度和牵引变电所补偿容量及供电臂负荷平衡度作为优化目标,提出储能型铁路功率调节器优化补偿模型。采用序列二次规划法对优化模型进行求解,最后通过仿真验证,表明该策略可以在电网电压不平衡时,使电网侧负序不平衡度降低的同时提高再生制动能量利用率,减少牵引负荷对牵引变电所的能量需求。

基于模块化多电平的铁路功率调节器直接功率控制策略

为解决铁路供电负序问题,同时兼顾无功补偿与谐波治理,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。较传统RPC而言,取消了降压变压器,提高了直流电压,减小了直流端电流。针对铁路供电,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)。以V/v牵引变为例,在Matlab/Simulink中搭建仿真模型,仿真结果验证了所提策略的有效性。

一种考虑再生制动能量反馈的混合铁路功率调节器

为低成本地解决高速铁路或重载铁路牵引供电系统中的三相电流不平衡问题,提出了一种考虑电力机车再生制动能量反馈的混合铁路功率调节器HRPC(hybrid railway power conditioner)对负序电流进行补偿。HRPC由模块化RPC和所提的一种新型静止无功补偿器SVC(static var compensator)组成。首先,详细介绍了HRPC的拓扑结构及其工作原理,分析了列车不同运行工况下的三相电流不平衡度及负序补偿原理。然后,设计了模块化RPC和新型SVC的控制策略。最后进行了仿真验证。仿真结果表明,所提HRPC具有较好的负序补偿能力,且降低了补偿装置的成本,易于工程应用。

基于混合模块化多电平变换器的储能铁路功率调节器及其控制策略

针对电气化铁路系统具有负序、无功补偿能力和回收制动能量功能的装置存在成本高、控制不灵活的问题,本文提出了一种基于混合模块化多电平变换器(HMMC)的储能铁路功率调节器(RPC)拓扑及其控制策略。该拓扑可以灵活配置模块化多电平变换器各桥臂的储能子模块数目,同时储能子模块中RPC侧半桥变换器和储能系统侧半桥变换器控制独立,具有成本低、控制简单的特点。通过改进补偿电流指令生成方法,对储能电池采用直接电流控制并在均衡控制中前馈电池电流信息,能够灵活独立地控制各储能子模块的储能功率并维持子模块电容电压稳定;通过储能功率调配策略给定各储能子模块储能功率以充分利用储能系统容量,实现了负序、无功补偿和机车制动能量存储的目的。仿真结果验证了拓扑和控制策略的正确性和有效性。

基于81电平铁路功率调节器的不平衡补偿策略

为进一步降低铁路功率调节器在大功率补偿过程的开关频率,采用开关频率较低的混合级联81电平变换器作为电压源、开关频率较高的单相全桥变换器作为电流源,将两个电压源背靠背连接,提出一种81电平铁路功率调节器。由于系统中承担85%的补偿功率的开关器件的开关频率在250 Hz及以下,开关频率高的电流源仅承担1%的功率,因此系统开关损耗小且对补偿电流参考信号的跟踪性能好。研究了系统的基本结构及其等效电路,通过构建等效对称三相电压源建立等效三相电路,采用有功功率平均分配法,使得补偿后的系统等效为Y-Y型对称三相电路,从而实现不平衡电流补偿,并提出一种新的补偿电流检测方法。仿真结果证明所提系统及其补偿方法的有效性和可行性。

27电平新型铁路功率调节器及其负序补偿方法

针对电气化铁路的负序问题,提出一种基于电压源和电流源串联的新型多电平铁路功率调节器,其中电压源由混合级联27电平变换器构成,电流源由单相三电平变换器构成,电压源中承担主体功率的H桥的开关频率仅50 Hz,因此系统损耗小,也有利于提高开关器件在大功率补偿时的安全性。研究了系统的结构和工作原理,考虑到传统检测方法存在波动问题,基于移相构造的思想,提出稳态波动小的负序补偿电流检测新方法。仿真验证了新方案和新方法的有效性。

V/V牵引供电系统中铁路功率调节器的控制方法研究

针对电气化铁路高负序含量、谐波污染等电能质量问题,讨论一种能够进行负序与谐波综合补偿的铁路功率调节器(railway static power conditioner,RPC)。为了提高RPC的控制性能与效果,构建RPC的电流内环基于重复预测的无差拍控制和电压外环的复合准PI控制的双环控制策略,实现了对参考电流信号的快速、平滑跟踪和直流侧电压的平稳控制。考虑到系统模型参数的扰动性与波动性,通过采用基于遗忘因子的递推最小二乘算法来动态辨识系统参数,增强控制系统的适应性。最后进行仿真和实验验证,结果证实了所提方法的正确性。

一种基于超级电容储能系统的新型铁路功率调节器

在采用铁路功率调节器解决电气化铁路电能质量问题时,为了提高再生制动能量的利用率,提出一种由铁路功率调节器和超级电容储能系统构成的新型储能式铁路功率调节器。该系统不仅能实现两供电臂能量双向流通,还能通过铁路功率调节器和储能系统的协调控制,提高再生制动能量利用率并实现削峰填谷功能。首先分析系统工作原理,构建再生制动工况下的等效电路,推导再生制动能量利用率表达式;然后分析该系统能够提高再生制动能量利用率并实现削峰填谷功能的原因;最后搭建仿真模型和实验平台,多种工况下的实验结果表明了所提新型补偿系统的正确性及有效性。

基于超级电容储能的新型铁路功率调节器协调控制策略设计

为综合解决牵引供电系统电能质量问题,并提高电力机车再生制动能量利用率,在铁路功率调节器中增加超级电容储能系统,提出一种基于超级电容储能的新型铁路功率调节器。为进一步提高该拓扑结构的再生制动能量利用率和削峰填谷的控制精度,并有效控制超级电容的充放电,从而减少系统损耗,深入研究超级电容与铁路功率调节器之间的功率转移特征,通过构建两种控制方式的等效电路,对比分析两种控制方式精度问题和超级电容放电失控问题,进而提出基于超级电容储能的新型铁路功率调节器协调控制策略。仿真结果证明了所提协调控制策略的正确性及有效性。

电气化铁路并联型铁路功率调节器控制策略的仿真研究

为解决电气化铁路牵引供电系统中三相网侧谐波、无功和负序等电能质量问题,同时满足电气化铁路补偿容量大的要求,提出了采用并联型铁路功率调节器(railway static power conditioner,RPC)配合降压变压器的综合补偿方案,具体研究了并联型RPC的控制策略并进行了仿真分析。提出了对RPC的指令电流检测采用平衡补偿电流检测法,对RPC的补偿电流控制采用基于比例谐振(proportion resonance,PR)控制器的三角波比较控制方式,同时将载波相移(carrier phase shift,CPS)技术应用于RPC的控制。最后,利用MATLAB/Simulink搭建了由2个RPC并联构成的补偿方案的仿真模型。仿真结果表明:RPC投入运行后,三相网侧电流为与电网电压同相位的三相正弦对称电流,只含有开关频率整数倍次的高次谐波;通过进一步采用CPS技术,开关频率奇数倍次的高次谐波被有效滤除,三相网侧电流总谐波畸变率由8.04%降低为2.24%。仿真结果验证了并联型RPC在解决牵引供电系统中三相网侧电流谐波、无功和负序等电能质量问题方面的可行性与优越性,为并联型RPC的工程应用提供了有价值的参考。

一种铁路功率调节器的改进单周控制方法

为了治理高速铁路机车引起的电能质量问题,维持一个清洁安全的电网,文中讨论了一种先进的铁路功率调节器。针对高速铁路机车的随机性和快速性,提出了一种基于等效负载电阻电压前馈控制的改进单周控制方法。通过等效负载电阻电压前馈控制的方法,可以实时跟踪机车负载的变化,能有效提高控制系统动态响应性能。通过单周控制对直流侧电压进行闭环比例—积分控制,可以稳定直流侧电压,以保证铁路功率调节器的正常、可靠工作。为了克服死区时间对单周控制补偿精度的影响,采用一种死区补偿方法对死区进行了有效补偿。最后,通过仿真和实验验证了所提出控制方法的正确性,有效地改善了牵引供电网的电能质量水平。