用于城轨双向变电站的LCL型四象限变流器控制策略研究

作     者：贾猛 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：林飞

授予年度：2020年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：LCL滤波器 四象限变流器 有源阻尼 弱电网 电网电压前馈 双坐标系 

摘      要：作为地铁能馈装置的核心,四象限变流器可与二极管不控整流配合,在列车再生制动时充当能量回收装置,也可完全取代现有二极管整流,发挥其牵引整流和逆变回馈双重功能。当采用LCL滤波器进行滤波时,变流器系统存在谐振问题,严重时,交流侧电流会存在较大的谐波,且直流侧电压不稳定,威胁系统的安全运行。本文将从LCL型四象限变流器数学模型、LCL滤波器谐振机理、LCL滤波器谐振抑制、弱电网下变流器稳定性四个方面展开研究。首先,论文研究了不同坐标系下LCL型变流器的数学模型,进而给出了LCL滤波器谐振机理。指出,LCL滤波器谐振抑制的关键是增加足够的阻尼,降低谐振频率处的谐振尖峰。对工程中常用的电容支路串联电阻无源阻尼方式,在Matlab/Simulink上搭建仿真模型验证了其有效性。其次,研究了基于电网电流反馈有源阻尼策略,提出了改进型基于双坐标系的有源阻尼策略。该策略在dq同步旋转坐标系下实现对直流电压、并网电流的闭环控制;在αβ静止坐标系下实现有源阻尼的谐振抑制。考虑数字控制后,分析了等效阻抗随频率变化的规律,找出了有源阻尼抑制策略的有效范围。分析结果表明存在等效电阻为0的频率点fR,故若抑制策略起到作用需设计谐振频率fres处等效电阻非0。采用根轨迹的方法对控制策略进行稳定性分析,并对有源阻尼控制参数和电流控制器参数进行设计。在Matlab/Simulink上搭建仿真模型进行了参数设计和有源阻尼策略的有效性验证。再者,本文对弱电网下变流器失稳进行分析并提出了改进电网电压前馈鲁棒性控制策略。分析了该控制策略的原理是在牺牲一定系统带宽前提下有效提高系统的稳定裕度。其优势是控制策略简单、易于工程应用。利用Matlab/Simulink仿真验证了鲁棒性控制策略的有效性。最后,分别搭建50k W和2MW四象限变流器样机,对样机的参数和软件程序进行介绍。在50k W样机完成了电容支路串联电阻无源阻尼策略的实验验证;在2MW样机上初步完成了变流器牵引整流和逆变回馈双重功能验证性实验。