研究具有自主知識產權的大功率鐵路電能質量補償裝置

2008年8月中國第一條具有完全自主知識產權、世界一流水平的高速鐵路——京津城際高鐵通車運營，拉開了中國高速鐵路建設和運營的序幕。中國高速鐵路將在世界上率先實現運營時速350公里以上，必將對中國經濟的發展，促進產業結構優化和城市化進程產生積極而深遠的影響。高速鐵路給人們日常生活帶來極大便利的同時也給電氣化鐵路供電網帶來比較嚴重的電能質量污染。由于鐵路牽引網的單相供電方式和負載機車的四象限PWM整流方式會給供電網引入大量的負序、無功和諧波電流。大量的負序和諧波電流直接威脅著供電網的安全運行，隨著高速鐵路的大規模建設和電力機車發車密度的增大，由此給電網帶來的電能質量問題會越來越突出，因此研究一種具有自主知識產權的大功率鐵路電能質量補償裝置及控制技術，實現高速鐵路系統高質、安全和經濟供電，打破國外技術封鎖，具有十分重要的現實意義和工程應用價值。本論文的研究內容來源于“十一五”國家科技支撐計劃“高速列車牽引供電技術”子任務“高速鐵路供電系統綜合補償及諧波抑制技術”（項目編號：2009G09-5-1、2、4、7、9、11），在《中國電機工程學報》（Proceedings of the CSEE）2011年5月第31卷13期的論文《用于V/V牽引供電系統下的鐵路功率調節器的控制方法研究》中得到了全面闡述。針對鐵路系統的無功、負序和諧波等電能質量問題，日本學者提出了一種鐵路功率調節器的概念，它采用2個背靠背結構的電壓源變流器，直流側共用一組電容，交流側分接于變電所兩供電臂，具有有功功率平衡、無功補償、穩定電壓和有源濾波等多種功能，故一直受到國內外學者的關注與青睞。考慮到牽引供電系統是一個快速變化系統，具有很強的隨機性、波動性和擾動性，常規的控制方法很難實現對鐵路功率調節器的快速，無差動態調節與控制，并有可能產生很大的電壓電流沖擊，損壞補償裝置。為此，作者在深入分析功率調節器的結構模型和補償原理的基礎上，提出了一種新穎的電壓電流雙環控制方法。通過對系統數學模型分析，根據能量平衡原理，提出了電壓外環的一種復合準PI控制方法，能夠根據電壓跟蹤誤差準確計算出反饋補償信號，實現對直流側電壓的快速控制，為裝置的電流補償和穩定運行提供了重要的支撐與保障；提出了電流內環的一種基于重復預測的無差拍控制方法，有效結合重復預測的預測能力和無差拍控制的快速補償功能，抑制電流內環的噪聲干擾，提前補償開關器件的死區時間，實現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進行動態優化，提高補償裝置的適應性能。針對鐵路系統的快速波動性的特點，論文從電壓電流控制上都做了深入而細致的研究，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權的鐵路電能質量補償裝置，為高速牽引系統的電能質量補償提供重要的理論和技術支持。

根據《中國鐵路中長期發展規劃》，為滿足快速增長的旅客運輸需求，規劃了“四縱四橫”鐵路快速客運通道以及四個城際快速客運系統，建設客運專線1.2萬公里以上。隨著未來中國高速鐵路系統的進一步建設和發展，由此帶來的電能質量問題將會對電網產生重要的沖擊和影響，因此研究適用于高速鐵路供電系統的電能質量補償裝置拓撲結構，實時負序、無功和諧波的綜合檢測技術，電壓電流控制技術及裝置主電路參數優化設計技術，形成具有自主知識產權的高速鐵路電能質量補償的理論體系和工程技術，具有十分重要的現實意義和工程應用價值。