研究具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大功率鐵路電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置

2008年8月中國第一條具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)、世界一流水平的高速鐵路——京津城際高鐵通車運(yùn)營，拉開了中國高速鐵路建設(shè)和運(yùn)營的序幕。中國高速鐵路將在世界上率先實(shí)現(xiàn)運(yùn)營時(shí)速350公里以上，必將對中國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和城市化進(jìn)程產(chǎn)生積極而深遠(yuǎn)的影響。高速鐵路給人們?nèi)粘Ｉ顜順O大便利的同時(shí)也給電氣化鐵路供電網(wǎng)帶來比較嚴(yán)重的電能質(zhì)量污染。由于鐵路牽引網(wǎng)的單相供電方式和負(fù)載機(jī)車的四象限PWM整流方式會給供電網(wǎng)引入大量的負(fù)序、無功和諧波電流。大量的負(fù)序和諧波電流直接威脅著供電網(wǎng)的安全運(yùn)行，隨著高速鐵路的大規(guī)模建設(shè)和電力機(jī)車發(fā)車密度的增大，由此給電網(wǎng)帶來的電能質(zhì)量問題會越來越突出，因此研究一種具有自主知識產(chǎn)權(quán)的大功率鐵路電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置及控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)高速鐵路系統(tǒng)高質(zhì)、安全和經(jīng)濟(jì)供電，打破國外技術(shù)封鎖，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本論文的研究內(nèi)容來源于“十一五”國家科技支撐計(jì)劃“高速列車牽引供電技術(shù)”子任務(wù)“高速鐵路供電系統(tǒng)綜合補(bǔ)償及諧波抑制技術(shù)”（項(xiàng)目編號：2009G09-5-1、2、4、7、9、11），在《中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)》（Proceedings of the CSEE）2011年5月第31卷13期的論文《用于V/V牽引供電系統(tǒng)下的鐵路功率調(diào)節(jié)器的控制方法研究》中得到了全面闡述。針對鐵路系統(tǒng)的無功、負(fù)序和諧波等電能質(zhì)量問題，日本學(xué)者提出了一種鐵路功率調(diào)節(jié)器的概念，它采用2個(gè)背靠背結(jié)構(gòu)的電壓源變流器，直流側(cè)共用一組電容，交流側(cè)分接于變電所兩供電臂，具有有功功率平衡、無功補(bǔ)償、穩(wěn)定電壓和有源濾波等多種功能，故一直受到國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注與青睞。考慮到牽引供電系統(tǒng)是一個(gè)快速變化系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的隨機(jī)性、波動性和擾動性，常規(guī)的控制方法很難實(shí)現(xiàn)對鐵路功率調(diào)節(jié)器的快速，無差動態(tài)調(diào)節(jié)與控制，并有可能產(chǎn)生很大的電壓電流沖擊，損壞補(bǔ)償裝置。為此，作者在深入分析功率調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)模型和補(bǔ)償原理的基礎(chǔ)上，提出了一種新穎的電壓電流雙環(huán)控制方法。通過對系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型分析，根據(jù)能量平衡原理，提出了電壓外環(huán)的一種復(fù)合準(zhǔn)PI控制方法，能夠根據(jù)電壓跟蹤誤差準(zhǔn)確計(jì)算出反饋補(bǔ)償信號，實(shí)現(xiàn)對直流側(cè)電壓的快速控制，為裝置的電流補(bǔ)償和穩(wěn)定運(yùn)行提供了重要的支撐與保障；提出了電流內(nèi)環(huán)的一種基于重復(fù)預(yù)測的無差拍控制方法，有效結(jié)合重復(fù)預(yù)測的預(yù)測能力和無差拍控制的快速補(bǔ)償功能，抑制電流內(nèi)環(huán)的噪聲干擾，提前補(bǔ)償開關(guān)器件的死區(qū)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)參考電流的快速無差跟蹤，并采用一種基于遺忘因子的遞歸算法對無差拍控制參數(shù)進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化，提高補(bǔ)償裝置的適應(yīng)性能。針對鐵路系統(tǒng)的快速波動性的特點(diǎn)，論文從電壓電流控制上都做了深入而細(xì)致的研究，提出了一套行之有效的控制策略，這將有助于形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的鐵路電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置，為高速牽引系統(tǒng)的電能質(zhì)量補(bǔ)償提供重要的理論和技術(shù)支持。

根據(jù)《中國鐵路中長期發(fā)展規(guī)劃》，為滿足快速增長的旅客運(yùn)輸需求，規(guī)劃了“四縱四橫”鐵路快速客運(yùn)通道以及四個(gè)城際快速客運(yùn)系統(tǒng)，建設(shè)客運(yùn)專線1.2萬公里以上。隨著未來中國高速鐵路系統(tǒng)的進(jìn)一步建設(shè)和發(fā)展，由此帶來的電能質(zhì)量問題將會對電網(wǎng)產(chǎn)生重要的沖擊和影響，因此研究適用于高速鐵路供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量補(bǔ)償裝置拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)負(fù)序、無功和諧波的綜合檢測技術(shù)，電壓電流控制技術(shù)及裝置主電路參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)，形成具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高速鐵路電能質(zhì)量補(bǔ)償?shù)睦碚擉w系和工程技術(shù)，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。