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城市轨道交通牵引供电变流系统为列车牵引提供电能,它的安全可靠是保证列车运行的前提。现有的二极管整流系统因其能量的单向流动性,无法吸收列车再生制动产生的电能,需要额外添加装置完成能量吸收。工业应用的再生制动能量吸收装置主要包括再生能量电阻消耗装置、再生电能逆变回馈设备、超级电容储能装置、以及飞轮储能装置。在比较它们的优缺点的基础上,提出了未来再生制动能量吸收装置的发展目标为:技术成熟可靠、制动能量全功率吸收、对电网影响(污染)小、综合成本较低。
本文所研究的能馈式牵引供电变流系统具有整流和逆变的双重功能,它既能满足列车牵引的需求,又可以将再生制动能量加以利用。为了减少其对交流电网的影响,本文对此展开了进一步的研究。
本文介绍了能馈式牵引供电变流系统谐波含量应该符合的标准,为抑制谐波设定合理的目标。在分析了能馈式牵引供电变流系统相关的几个标准的制定过程及背景后,得出结论《电能质量公用电网谐波》GB/T14549-93是本系统应该遵循的标准。进一步的研究发现能馈式牵引供电变流系统的谐波含量比标准的规定要小得多,本文的研究工作是在这个前提下展开的,即在原有较小谐波含量的基础上,对谐波成分及含量进行进一步的抑制。
本文介绍了组成能馈式牵引供电变流系统两个机组-12脉波机组和PWM变流机组的主电路拓扑与工作原理,在此基础上分析了各自的谐波特性以及二者并联后电流谐波的特点。12脉波整流器利用两个6脉波整流器交流网侧电压的移相,实现5、7次谐波的对消,从而使得整流机组的谐波频谱从(6n±1)次变为(12n±1)次；PWM整流机组的谐波电流含量与其脉宽调制的方式相关,本文仅以SVPWM方式为例,讨论其谐波电流分布特点。
本文根据上述两个机组的特点,分别提出了进一步抑制谐波的措施。
对于12脉波整流机组,它的谐波电流含量主要由主电路拓扑和移相精度决定,文中对比了更多脉波整流电路和交流侧单独设立滤波装置两种方案的优缺点,结果表明采取更多脉波的整流方案更为有利,此外文中还对移相角度的设计方法进行了讨论。
对于PWM整流器机组。分析了主电流参数(主要是交流侧电感)对交流侧电流谐波的影响-在允许的范围内适当增大电感有助于电流谐波的减小；分析了两电平和三电平拓扑对交流侧电流谐波的影响一结构和控制更为复杂的三电平结构拓扑其交流侧电流THD要小于两电平拓扑。本文还讨论了ISVPWM方案,该方案可以使等效开关频率提高n倍(n为并联机组数量)。另外,死区补偿也是减小谐波的有益尝试。
最后,本文搭建了仿真模型并进行了现场试验。仿真模型用可控电流源模拟列车牵引、惰行、制动的全过程,考察能馈式牵引供电变流系统的工作状况及其电流谐波特性。现场采集到的实验数据也对上述理论进行了验证。