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用于城市轨道交通的新型能量回馈牵引整流系统的研究

作　者: 郭宗志
导　师: 林飞
学　校: 北京交通大学
专　业: 电力电子与电力传动
关键词: 城轨交通能量回馈四象限变流器有源滤波器模式切换
分类号: TM461
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

可持续发展的城市交通系统,是集土地资源、能源、环境、居住出行等友好交通模式为一体的城市综合交通系统。城市轨道交通(简称城轨交通),作为一种低能耗、低污染、高效率的运输方式,在世界各国的大中型城市都得到了广泛的应用。目前的城轨交通供电模式存在两个问题。第一个问题是无法有效利用制动能量。第二个问题是,由于目前城轨交通中主要有晶闸管和二极管两种整流方式,这样的整流方式等于向电网注入了大量谐波和无功功率,会引起网侧电流畸变,甚至严重影响电力系统的电能质量。本论文提出了一种用于城轨交通的新型能量回馈牵引整流系统。在现有晶闸管、二极管整流的基础上并联上小容量的四象限变流器。该变流器有能量回馈和有源滤波两种运行模式。当有制动能量需要回馈时,四象限变流器工作在逆变模式,将电能逆变回电网,并可保持网侧功率因数接近-1；其他时间则作为有源滤波器,改善电网的谐波和功率因数特性。以该整流系统为研究目的,本文首先详细介绍了四象限变流器的数学模型、参数设计原理、电流控制技术和网侧电流优化技术。并对参数设计部分,两种电流控制技术,两种电流优化技术进行了仿真验证。同时还实现了变流器仿真的四象限运行。其次,本文还详细介绍了有源滤波器的谐波提取原理和电流控制原理,并对单台有源滤波器的各种不同工况、有源滤波器与12／24脉波整流器的配合运行工况和有源滤波器的多重化工况进行了仿真验证。基于前文的理论介绍和仿真研究,本文构建了新型能量回馈牵引整流系统的仿真模型。利用这个模型进行了能量回馈、有源滤波和模式切换的仿真分析。同时还给出了四象限变流器容量问题的分析与仿真。在理论研究和仿真验证的基础上,本文进行了实验系统的硬、软件设计,并搭建了新型能量回馈牵引整流系统的实验平台。在此平台的基础上,对四象限变流器和有源滤波器的各种模式进行了较为详细的实验和结果分析。并最终实现了能量回馈与有源滤波两种运行模式的切换。实验结果验证了本文对于四象限变流器和有源滤波器的研究和分析的正确性。同时也证明了在城轨供电系统中引入本文所提出的新型能量回馈牵引整流系统是可行的。

全文目录

致谢  5-6
中文摘要  6-7
ABSTRACT  7-12
1 绪论  12-20
  1.1 研究背景  12-13
  1.2 国内外研究现状  13-17
    1.2.1 国内的研究现状  13-16
    1.2.2 国外的研究现状  16-17
  1.3 本文的提出  17-18
  1.4 研究内容  18-20
2 四象限变流器的基本原理  20-46
  2.1 数学模型  20-23
    2.1.1 三相静止坐标系(a-b-c)下的数学模型  20-21
    2.1.2 两相静止坐标系(α-β)下的数学模型  21-22
    2.1.3 两相旋转坐标系(d-q)下的数学模型  22-23
  2.2 参数设计原理  23-24
    2.2.1 三相交流电感参数的设计  23-24
    2.2.2 直流电容的设计  24
  2.3 四象限变流器的电流控制技术  24-27
    2.3.1 预测电流控制的数学模型和基本原理  25-26
    2.3.2 同步PI电流控制的数学模型和基本原理  26-27
  2.4 网侧电流优化技术  27-31
    2.4.1 LCL滤波技术  27-29
    2.4.2 多重化消谐技术  29-31
  2.5 仿真验证  31-44
    2.5.1 参数设计原理部分  31-33
    2.5.2 电流控制技术部分  33-37
    2.5.3 网侧电流优化技术部分  37-41
    2.5.4 四象限运行部分  41-44
  2.6 本章小结  44-46
3 有源滤波器的基本原理和控制策略  46-72
  3.1 拓扑结构和工作原理  46-47
  3.2 谐波电流检测方法和补偿电流控制策略研究  47-50
    3.2.1 有源滤波器的谐波电流检测方法  47-48
    3.2.2 有源滤波器的补偿电流控制策略  48-50
  3.3 仿真验证  50-71
    3.3.1 有源滤波器的基本仿真  50-64
    3.3.2 12/24脉波整流器下有源滤波器的仿真  64-69
    3.3.3 有源滤波器的多重化仿真  69-71
  3.4 本章小结  71-72
4 新型能量回馈牵引整流系统的仿真研究  72-86
  4.1 新型能量回馈牵引整流系统的基本控制策略  72-74
  4.2 能量回馈模式的仿真  74-76
  4.3 有源滤波模式的仿真  76-78
  4.4 两种模式切换的仿真研究  78-82
  4.5 四象限变流器容量问题的分析与仿真  82-84
  4.6 本章小结  84-86
5 新型能量回馈牵引整流系统的实验研究  86-105
  5.1 实验系统要求  86
  5.2 实验系统硬件  86-88
    5.2.1 实验系统主电路  86-88
    5.2.2 控制系统硬件组成  88
  5.3 系统控制软件  88-93
    5.3.1 系统控制软件结构  89
    5.3.2 各部分控制软件流程图  89-93
  5.4 实验内容  93-103
    5.4.1 能量回馈部分的实验与研究  93-96
    5.4.2 有源滤波部分的实验与研究  96-102
    5.4.3 系统的整体实验与研究  102-103
  5.5 本章小结  103-105
6 结论  105-107
  6.1 全文总结  105-106
  6.2 进一步完善的工作  106-107
参考文献  107-108
索引  108-110
作者简历  110-114
学位论文数据集  114

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