高性能城市轨道交通直流牵引供电电源的研究
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摘要
消除电网谐波污染、提高功率因数是电力电子领域研究的重大课题。由于中大功率的电力电子设备在电网中占有很大的比重，因此对高功率因数的三相PWM整流器的研究己成为当今国内外研究的一大热点，如能将之应用在城市轨道交通直流牵引供电电源系统中将有着重大的现实意义。
本文首先讨论了实用的三相整流多重化技术原理，以期推动等效二十四脉波整流技术在城市轨道交通直流牵引供电系统的应用。
然后在推导三相电压型PWM整流器数学模型的基础上，从控制的角度出发，总结了目前对其研究的一些控制方案，并指出了各种控制方案的特点。继而确定了采用基于电压空间矢量PWM调制(SVPWM)的直接电流控制方法对三相电压型PWM整流器进行双环控制，文中详细推导了三相PWM整流器基于SVPWM的实时控制算法原理和计算过程，并在此基础上讨论了两种基于SVPWM而改进的电流控制方法，其一是基于有功、无功电流解耦的SVPWM控制方法，另一是基于预测电流的SVPWM控制方法。所改进的基于预测电流的SVPWM控制方法相比于常规方法具有更简单的控制结构和更少的可变调节参数，因而也更容易得到理想的系统响应。
文中建立了Matlab／Simulink环境下三相电压型PWM整流器及其整个控制系统的完整仿真模型，其能准确地反映可逆变流器的特性，从而使得在设计阶段就能全面考察系统的动静态特性并优化选择合理的系统结构及参数，在最大程度上避免设计的盲目性，提高试验的一次成功率，缩短研制周期、节约研制成本。
文中还推导了基于SVPWM控制方法的三相PWM整流器系统主电路参数的工程化设计方法，将所设计的电流环和电压环调节器参数以及系统主要元件参数代入系统仿真模型，针对城市轨道交通直流供电电源中一应用环境进行仿真。通过仿真结果验证了三相PWM整流器在地铁、轻轨等直流牵引供电电源中用作牵引整流器的可行性，也验证了针对其应用而提出的控制方法和系统参数设计方法的正确性。
Eliminating harmonic pollution and improving power factor are a very important task in the field of power electronics. Due to the prodigious proportion of medium and big electronic equipment in power line, the research of three-phase PWM rectifier is becoming the researching hotspot on international and native. So it is significant to bring it to the DC traction power supply system for urban mass transit.
Firstly, to promote the widely use of 24-pulse rectifier set, the paper discusses the principle of multiple superposition of three-phase rectifier.
On the basis of deriving the VSR' s mathematical model, the MATLAB simulation model is achieved, the VSR' s control ways are summarized and their features are pointed out.
The control, based on active and reactive current, as a kind of direct current control strategy, is selected by comparing with other ways in this paper. The voltage space vector is selected as the PWM method, its theory and computing steps are described in detail. And then discusses two control ways based on SVPWM. One is the current decouple control, another way is current predicted control. The novel control tactic, based on predicted current, has a more simple structure and less variables, therefore it would be easier to achieve optimum response that use this way than other ways.
The whole simulation module of control system is built up under the powerful MATLAB/SIMULINK platform, it can precisely reflect the system properties, and it makes the control tactics selecting and parameter confirmation become easier. And the closed loop simulation base on a real environment of DC traction power supply system for urban mass transit is done, testified the control ways and the way for designing parameters of the system are all useful, and also testified that the use of three-phase VSR in DC traction power supply system for urban mass transit is available.
本文首先讨论了实用的三相整流多重化技术原理，以期推动等效二十四脉波整流技术在城市轨道交通直流牵引供电系统的应用。
然后在推导三相电压型PWM整流器数学模型的基础上，从控制的角度出发，总结了目前对其研究的一些控制方案，并指出了各种控制方案的特点。继而确定了采用基于电压空间矢量PWM调制(SVPWM)的直接电流控制方法对三相电压型PWM整流器进行双环控制，文中详细推导了三相PWM整流器基于SVPWM的实时控制算法原理和计算过程，并在此基础上讨论了两种基于SVPWM而改进的电流控制方法，其一是基于有功、无功电流解耦的SVPWM控制方法，另一是基于预测电流的SVPWM控制方法。所改进的基于预测电流的SVPWM控制方法相比于常规方法具有更简单的控制结构和更少的可变调节参数，因而也更容易得到理想的系统响应。
文中建立了Matlab／Simulink环境下三相电压型PWM整流器及其整个控制系统的完整仿真模型，其能准确地反映可逆变流器的特性，从而使得在设计阶段就能全面考察系统的动静态特性并优化选择合理的系统结构及参数，在最大程度上避免设计的盲目性，提高试验的一次成功率，缩短研制周期、节约研制成本。
文中还推导了基于SVPWM控制方法的三相PWM整流器系统主电路参数的工程化设计方法，将所设计的电流环和电压环调节器参数以及系统主要元件参数代入系统仿真模型，针对城市轨道交通直流供电电源中一应用环境进行仿真。通过仿真结果验证了三相PWM整流器在地铁、轻轨等直流牵引供电电源中用作牵引整流器的可行性，也验证了针对其应用而提出的控制方法和系统参数设计方法的正确性。
Eliminating harmonic pollution and improving power factor are a very important task in the field of power electronics. Due to the prodigious proportion of medium and big electronic equipment in power line, the research of three-phase PWM rectifier is becoming the researching hotspot on international and native. So it is significant to bring it to the DC traction power supply system for urban mass transit.
Firstly, to promote the widely use of 24-pulse rectifier set, the paper discusses the principle of multiple superposition of three-phase rectifier.
On the basis of deriving the VSR' s mathematical model, the MATLAB simulation model is achieved, the VSR' s control ways are summarized and their features are pointed out.
The control, based on active and reactive current, as a kind of direct current control strategy, is selected by comparing with other ways in this paper. The voltage space vector is selected as the PWM method, its theory and computing steps are described in detail. And then discusses two control ways based on SVPWM. One is the current decouple control, another way is current predicted control. The novel control tactic, based on predicted current, has a more simple structure and less variables, therefore it would be easier to achieve optimum response that use this way than other ways.
The whole simulation module of control system is built up under the powerful MATLAB/SIMULINK platform, it can precisely reflect the system properties, and it makes the control tactics selecting and parameter confirmation become easier. And the closed loop simulation base on a real environment of DC traction power supply system for urban mass transit is done, testified the control ways and the way for designing parameters of the system are all useful, and also testified that the use of three-phase VSR in DC traction power supply system for urban mass transit is available.
引文
1 蔡彬，陈德桂．轨道交通的直流供电系统．电工技术杂志．2001(2)
2 徐德鸿．三相高功率因数整流器的发展与现状．江苏机械制造与自动化．2000(4)：6
3 张崇巍，张兴．PWM整流器及其控制．机械工业出版社．2003
4 张纯江，王炎，邬伟扬，刘彦民．高功率因数整流器的拓扑结构及控制策略．东北重型机械学院学报．1997，21(4)
5 郑瞳炽，张明锐．城市轨道交通牵引供电系统．北京：中国铁道出版社．2000
6 张庆贺 等．地铁与轻轨．人民交通出版社．2002
7 何宗华．城市轻轨交通工程设计指南(“七五”国家重点科技攻关项目成果)．1993
8 毛保华等．城市轨道交通．科学出版社．2001
9 方鸣．城市轨道交通的供电制式及馈电方式．城市轨道与交通．2003(4)：49～53
10 朱俐琴．城市轨道交通系统供电制式与受流方式分析．电力机车与城轨车辆．2003，26(3)：29～31
11 贺威俊，高仕斌，张淑琴，王勋．电力牵引供变电技术．西南交通大学出版社．1998
12 叶斌．电力电子应用技术及装置．中国铁道出版社．1999
13 赵振波，许伯强，李和明．高功率因数PWM整流器综述．华北电力大学学报．2002，29(4)：36～40
14 邵丙衡．电力电子技术．中国铁道出版社．1997
15 林渭勋．现代电力电子电路．浙江大学出版社．2002
16 A.W. Green, J.T. Boys, G.F. Gates. 3-phase voltage sourced reversible rectifier. IEEE proceedings. 1988,135(6)
17 史伟伟，蒋全，胡敏强，唐国庆，蒋平．三相电压PWM整流器的稳态分析和主电路设计．电气自动化．2002(1)：33～39
18 Veas D R. Dixon J W, Ooi B T.A novel load current control method for a leading power factor voltage source PWM rectifier. IEEE Trans on Power Electronics. 1994,9(2)
19 R.H. Park, Two-Reaction Theory of Synchronous Machines, Generalized Method of Analyses-Part Ⅰ. Trans. AIEE, 1929(48)
20 詹长江，康勇，刘平，陈坚．电压型PWM高频整流器统一数学模型及系统
仿镇．电工技术学报．1996，11(6)
21 Wu R, Dewan S B, Slemon G R. A PWM AC to DC Converter with Fixed Switching Frequency. IEEE Trans. on IA, 1990,26(5):880～885.
22 Dixon W J. Indirect control of a unity of a unity power factor sinusoidal current boost type three-phase rectifier. IEEE Trans Power Electron, 1998,35(4):508～515
23 Green A W, Boys J T. Hysteresis Current-forced Three-phase Voltage-sourced Reversible Rectifier. IEEE Proceedings, 1898,136-B(3):113～120
24 Davande M.S. Three-phase Switch Mode Rectifier with Hysteresis Current Control. IEEE Trans. on PE, 1996,11(3)
25 郑颖楠，傅诚．电压型可逆变流器的控制策略现状与发展．电气传动．2001(6)：3～6
26 SUN Xiao-feng, LIU Yu-hua, LI Chang-wu. Optimum vector sequence for 3-phase AC/DC soft-switch converter control. Journal of Dalian Insititute of Light Industry, 2001,20(2):140～142
27 李潮泳．基于电压空间矢量脉冲调制的单位功率因数整流器的仿真．电气传动．2003(10)
28 浦志勇，黄立培．三相PWM整流器空间矢量控制算法的研究．电工电能新技术．2002(2)
29 薛定宇．控制系统的计算机辅助设计——MATLAB语言及应用．清华大学出版社．2000
30 李波．四象限变流器PWM双闭环控制系统的计算机仿真．机车电传动．2000，(3)：16～19
31 易伟烈，桂武鸣．一个四象限变流器的仿真研究．测控技术．2002，21(10)：67～69
32 沈辉．精通SIMULINK系统仿真与控制．北京大学出版社．2003
33 王兆安、黄俊，电力电子技术．第四版．机械工业出版社．2000
34 张纯江，张金泉，孙孝蜂．空间矢量PWM波形的谐波仿真研究．燕山大学学报，2000(2)：141～144
35 Blasko V. Analysis of a Hybrid PWM based on modified space-vector and triangle-comparison methods. IEEE Trans on IA, 1997,33(3)
36 张纯江，王炎，刘彦民，孙孝峰．基于矢量控制的三相AC／DC软开关变流
器的研究．电力电子技术．1999(4)
37 熊健，张凯，陈坚．PWM整流器的控制器工程化设计方法．电工电能新技术．2002，21(3)
38 李兴源．高压直流输电系统的运行和控制．科学出版社．1998
39 张桂斌，徐政．直流输电技术的新发展．中国电力．2000，33(3)：32～35
40 李永坚，周有庆，宋强，轻型直流输电(HVDC Light)技术的发展与应用．高电压技术．2003，29(10)：26～28
41 文俊，张一工，韩民晓，肖湘宁．轻型直流输电——一种新一代的HVDC技术．电网技术．2003，27(1)：47～51
42 武娟，任震，黄雯莹，代英筠．轻型直流输电的运行机理和特性分析．华南理工大学学报(自然科学版)．2001，29(8)：41～44
43 杨冠豪．地铁牵引变电站整流器的热设计．机车电传动．1995(4)
44 丁荣军，桂武鸣．四象限变流器输入电压的计算．机车电传动．1998(4)
45 屈莉莉，秦忆，扬兆华．三相PWM高频整流器主电路参数选择．东北电力技术．2002(1)：41～43
46 郑颖楠，王炎，邬伟扬，刘彦民．可逆变流器输入电感分析与计算．电力电子技术．1999(4)：20～22
47 沈安文，万淑芸，王离九，赵金．双PWM交流传动系统中主电路储能元件设计．华中理工大学学报．1999，27(7)：23～25
48 http://www.bjx.com.cn 2003-11-11北极星电力新闻网
49 于相旭，侯振程，叶一麟．三相六开关Boost整流器的简化大信号模型．重庆大学学报(自然科学版)．2001，24(2)：72～75
50 何新霞，张加胜．电压型PWM四象限变流器电压控制器的设计与系统仿真研究．电气传动自动化．1999，21(5)：7～11
51 姚为正，王兆安．三相大功率PWM整流电路的研究．湖南工程学院学报．2001，11(1)：1～4
52 换流阀hvdc.chinapower.com.cn中国直流网
53 张为佐．世界功率半导体器件发展趋势．中国电源学会通讯1999(2)
54 黄石柱，李建华，赵娟，夏道上．基于MATLAB的电力机车数字仿真模型．电力系统自动化．2002，20(2)：51～55
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44 丁荣军，桂武鸣．四象限变流器输入电压的计算．机车电传动．1998(4)
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