计及可靠性约束的同相供电装置多模块协调控制策略研究

作     者：王梦 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：陈民武

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：同相供电装置 可靠性优化 全寿命周期成本 冗余结构配置 协调控制策略 

摘      要：同相供电系统采用对称补偿理论和高压大容量变流技术,为解决传统牵引供电模式存在的电能质量问题和电分相问题提供了有效途径。同相供电装置作为同相供电系统的核心设备,其可靠性对系统安全高效运行起决定性作用。因功率半导体器件容量限制,同相供电装置通常采用多个潮流控制器并联结构、均流控制方式,并通过配置冗余单元提升系统可靠性。如何确定同相供电装置最优冗余配置结构,破除可靠性提升与总成本间的矛盾关系,解决均流控制下IGBT模块热应力大的难题,相关研究具有重要意义。首先,建立了同相供电装置可靠性评估模型。分析了同相供电系统及同相供电装置的拓扑结构和运行特性;基于电力电子器件物理失效机理,建立了同相供电装置核心元件IGBT模块的功率损耗计算模型、结温计算模型和基于雨流计数法的随机热载荷统计模型,研究了IGBT模块平均结温和结温波动对其失效率的影响。构建了同相供电装置可靠性评估流程,并通过实例分析验证了评估方法的有效性与准确性。其次,建立了同相供电装置总成本计算模型。基于全寿命周期成本理论,搭建了计及系统可靠性影响的同相供电装置总成本计算模型。基于电力电子器件运行特性,分析了模块级与装置级冗余结构、不同负荷条件下同相供电装置投运数目对系统可靠性和全寿命周期成本的影响规律,提出了考核周期内以可靠性为约束的同相供电装置冗余配置方法以有效降低系统全寿命周期成本。最后,研究了同相供电装置优化控制策略。基于可靠性影响机理和系统运行特性,为改善系统热应力与平滑结温波动,提出了同相供电装置协调控制策略。以负序限值为约束,以高低负荷分区点、低负荷区域各单元运行时间为决策变量,建立了控制策略优化模型以提升系统可靠度,并基于智能算法求解模型。最后通过与均流控制策略及功率动态分配策略进行对比分析,验证了本文提出的策略在提升系统可靠性、降低全寿命周期成本方面的有效性,为同相供电装置优化设计提供重要参考。