基于RPC的同相供电系统供电运行能量多维控制研究

为确保高速铁路安全、可靠、经济运行,提出高速铁路同相供电系统供电运行能量多维控制方法。分析供电系统组成结构与供电过程,利用潮流控制器补偿该系统功率,确保系统稳定运行;结合三相不平衡程度、电压电流波形畸变等指标构建运行能量的最佳负载模型,使传输能量损失降到最低;经过对2个供电臂电流的有功与无功补偿,消除负序电流;制定铁路功率调节器控制策略,获得降压变压器变化情况,保障直流侧电压稳定;再使用比例积分控制器获取电流理想值,得出控制信号,实现供电运行能量多维控制。仿真实验证明,所提多维控制方法能提高三相电流平衡程度,达到均压稳定效果。

高压大容量五电平变换器在RPC中的应用

针对电气化铁道电能质量存在的负序、谐波和无功问题,借鉴日本模式,提出了基于新型YNvd平衡变压器的电铁功率调节器RPC(railway static power conditioner)。为了适应牵引负荷高电压、大容量的需求,RPC主要由2个背靠背的单相二极管箝位型五电平电压源变流器构成,可以实现有功平衡、无功补偿和谐波抑制,使得牵引供电系统相对电力系统而言是一个三相对称纯阻性网络。此外还采用一种新颖的辅助稳压电路来解决二极管箝位多电平结构固有的直流侧电容均压问题。最后用Matlab/Simulink仿真验证了该方案的可行性。

基于RPC控制的光伏并网功率调节器及其控制策略

传统的三相光伏并网装置能够在输出光伏电能的同时实现综合补偿功能,但牵引供电系统是一种特殊的两相供电系统,造成其无法被直接应用。提出了一种基于铁路功率调节器(RPC)的光伏并网功率调节器及其控制策略,在实现光伏并网的同时对牵引供电系统进行无功、负序和谐波综合补偿。经DC/DC变换器升压和最大功率跟踪后的光伏电能汇流至RPC的直流电容;为保证光伏并网电流的平衡性,并保持RPC自身的综合补偿功能,对RPC的控制策略中参考信号的计算、直流电压的控制进行了改进。在Simulink仿真平台下搭建了仿真模型,对3种典型工况进行了仿真,验证了所提功率调节器和控制策略的有效性。

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。

提升RPC系统快速响应特性的功率前馈控制策略

提升铁路功率调节器的快速响应特性对于降低系统振荡具有重要作用。以V/V牵引变为基础,采用单相MMC构建了铁路功率调节器以补偿交流电网负序电流。建立了RPC的线性化数学模型,分析了系统的动态响应特性,并对直流电压控制器参数进行了定量设计。同时,提出了具有提升系统动态响应特性的功率前馈控制,使得理论上RPC直流电压在动态运行过程中基本保持不变,从而降低了直流电压的波动大小。

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。

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。

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。

大功率混合型电气化铁路功率补偿装置

针对高速电气化铁路牵引供电系统面临的负序、谐波等电能质量问题,提出一种新型混合电能质量补偿系统。该系统主要由铁路功率调节器(RPC)、晶闸管控制电抗器和三次滤波器组成。为了达到负序与谐波综合治理的目的,首先采用无源装置分别给两个供电臂补偿固定容量的容性与感性电流来改变两供电臂电流相位差,然后RPC根据补偿情况来转移相应量的有功、补偿余额的无功并补偿指定量的谐波,这样大大减小了有源部分的容量,节省了成本,提高了系统的可靠性。考虑到电流内环指令信号的交流特性,故采用了一种模糊递推PI控制方法并能够很好地消除稳态误差,并提高系统的动态性能。根据补偿要求设计了补偿装置参数,最后仿真与实验结果验证了本文研究内容的正确性。

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。

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。

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。

一种基于YNvd变压器的多电平铁路功率调节系统

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,提出了一种基于YNvd平衡变压器的多电平铁路功率调节系统。采用由4个多电平级联型H桥链与滤波电感组成的多电平铁路功率调节器MRPC(multilevel railway power conditioner),并将MRPC一侧直接连接于YNvd平衡变压器二次侧β相分接头,取代了通过降压变压器连接于供电臂的传统方法,减少了系统成本。分析了该系统的拓扑结构、等效模型及补偿原理,并根据补偿原理提出一种由指令电流跟踪、环流抑制与链节电压平衡3层组成的分层控制策略,最后通过仿真验证了所提理论的可行性与有效性。

基于MMC的铁路功率调节器方案对比

针对铁路电力机车产生的负序、谐波、无功等电能质量问题,传统的两电平变换器型的铁路功率调节器已经无法满足高压大功率应用领域的要求,基于MMC的铁路功率调节器具有明显的优势。以采用V/v接线变压器的牵引变电所为背景,对不同结构的MRPC方案进行分析和对比。最后,总结了3桥臂MRPC方案的优势,通过RT-LAB实时仿真平台,对3桥臂MRPC系统进行了验证,结果验证了该方法的可行性和有效性。

Optimal electromagnetic hybrid negative current compensation method for high-speed railway power supply system

To achieve economical compensation for the huge-capacity negative sequence currents generated by high-speed railway load, an electromagnetic hybrid compensation system(EHCS) and control strategy is proposed.The EHCS is made up of a small-capacity railway static power conditioner(RPC) and a large-capacity magnetic static var compensator(MSVC). Compared with traditional compensation methods, the EHCS makes full use of the SVC’s advantages of economy and reliability and of RPC’s advantages of technical capability and flexibility. Based on the idea of injecting a negative sequence, the compensation principle of the EHCS is analyzed in detail. Then the minimum installation capacity of an EHCS is theoretically deduced. Furthermore, a constraint optimization compensation strategy that meets national standards, which reduces compensation capacity further, is proposed. An experimental platform based on a digital signal processor(DSP) and a programmable logic controller(PLC) is built to verify the analysis. Simulated and experimental results are given to demonstrate the effectiveness and feasibility of the proposed method.

一种基于储能系统的混合铁路功率调节器及其控制策略

为充分利用交直交型电力机车产生的再生制动能量,提高V/v牵引供电系统的电能质量,并提高其经济性,提出一种基于储能系统的混合铁路功率调节器(ESS-HRPC)。储能装置通过双向DC-DC变换器与铁路功率调节器(RPC)的直流侧相连接,以回收利用多余的再生制动能量。一组晶闸管投切电容器(TSC)和一组晶闸管控制电抗器(TCR)用于辅助RPC提供无功功率,以降低负序电流补偿的成本。首先,分析ESS-HRPC的结构组成和工作原理,研究TCR、TSC和RPC的装置容量配置,推导系统电压、电流和功率关系;然后,设计ESS-HRPC各部分的给定参考信号和控制策略;最后,通过三种系统工况仿真验证所提ESS-HRPC及其控制策略的可行性和有效性。

新型的铁路电能质量综合治理控制策略

采用模块化多电平换流器结构的铁路功率调节器对牵引供电系统中存在的无功、负序、谐波等电能质量问题进行治理。首先对V/v牵引供电系统中负序、无功、谐波等电能质量问题进行了分析,提出了比例复数积分控制方式。通过对比分析比例复数积分控制与不同控制策略的稳态误差以及频域特性,得出比例复数积分控制器在目标频率处有无穷大增益,并达到零稳态误差的控制效果,从理论上说明了该控制器的优良控制性能,能对牵引供电系统的电能质量起到综合治理的效果。最后在Matlab/Simulink中搭建模块化多电平换流器结构的铁路功率调节器的仿真模型,模拟牵引变压器左右两端供电臂上负载不平衡的工况进行仿真分析,通过仿真证明了所提出的控制方式的有效性。

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。

列车再生制动能量管理及控制系统研究

为回收利用交流电气化铁路列车产生的再生制动能量,研究了再生制动能量管理及控制系统。提出一种基于牵引负荷状态的能量综合管理策略,以牵引变压器两供电臂负荷功率为信息载体表示系统的不同工作模式,多种工作模式可相互切换。在混合储能装置内部功率分配中,通过引入锂电池荷电状态SOC(state of charge)及超级电容中间调节电压,保证了储能单元能够根据各自储能特性运行。设计了铁路功率调节器RPC(railway power conditioner)变换器和储能接口双向DC/DC变换器的控制算法。仿真结果表明该系统的正确性和有效性。

牵引变压器负序分析及补偿

分析了不同联结形式的牵引变压器在不同负荷条件下的负序电流特性;指出在同时具有牵引负荷和回馈负荷的工况下,三相电流不对称程度的严重性;介绍了采用铁路静止电能调节器(RPC)对负序、无功、谐波等电能质量问题进行综合治理的基本原理;重点讨论了利用RPC消除三相-两相牵引变压器负序电流所需的装置容量问题,为RPC的工程应用提供指导。