【正文】 日 學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組綜合評(píng)定成績(jī)： 學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)小組負(fù)責(zé)人： 年 月 日 摘 要 消除電網(wǎng)諧波 污染、提高功率因數(shù)是電力電子領(lǐng)域研究的重大課題。 本文首先對(duì)城市軌道交通直流牽引整流器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì) ，完成了三相橋式 PWM 整流器的主電路和參數(shù) 選擇 。 由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)傳統(tǒng)的 PID 控制器進(jìn)行改造后的單神經(jīng)元 PID，對(duì)工業(yè)控制中的復(fù)雜系統(tǒng)的控制有著更好的控制效果，可以有效地改善由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和參數(shù)變化而導(dǎo)致的控制效 果不穩(wěn)定的狀況。 關(guān)鍵詞：三相電壓型 PWM 整流器 ； SVPWM； 雙閉環(huán)控制 ； 單神經(jīng)元 PID ABSTRACT Eliminating harmonic pollution and improving power factor are a very important task in the field of power to advantage of threephase PWM rectifier like higher power factor and lower harmonic pollution, the research of threephase PWM rectifier is being 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. At first, the paper designs the main circuit and calculate the parameters of the Boost type Threephase PWM Rectifier. From the control point of view, through a parative analysis of selection, we choose dual closedloop control for the threephase voltagetype PWM rectifier, witch is based on the direct current control and SVPWM current decoupling control method , including voltage loop (outer) singleneuron PID control, current loop ( inner ring) is still using the traditional PI regulator . As the neural work with adaptive and selflearning ability, the singleneuron PID which was changed by neural work, has a better control effect in the control of plex industrial control systems, and can effectively improve the stability of system when the structure and parameters of the system is changed. Finally, we establish the whole system Simulink simulation model, and analysed the simulation shows that it is feasiblethe to use the single neuronbased PWM control in the DC traction rectifier ,such as subway, light rail DC traction power supply ,also testified the control ways and the way for designing parameters of the system are all correct. Keywords： Threephase voltage PWM rectifier 。 Double cyclic control system。我國(guó)從上世紀(jì) 60 年代 發(fā) 展大運(yùn)量軌道交通，到目前已有 40 多年的發(fā)展歷史。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，百 萬(wàn)人口城市的增多，仍然采用傳統(tǒng)的公共汽車(chē)和無(wú)軌電車(chē)來(lái)完成客運(yùn)的做法，已經(jīng)越來(lái)越不能滿足城市居民高頻率出 行和城市交通發(fā)展的需要。因而目前許多大城市已開(kāi)始考慮和策劃修建軌道交通體系。 城市軌道交通技術(shù)裝備體現(xiàn)了技術(shù)上的多學(xué)科性和產(chǎn)業(yè)上的跨行業(yè)性。 軌道交通的供電系統(tǒng) [3]如圖 1， 包括高、中、低壓交流供電系統(tǒng)、直流供電系統(tǒng)以及電力集中監(jiān)控系統(tǒng)等。 城軌交通供電系統(tǒng)的變電所除電源變電所 (或稱(chēng)高壓變電所 )外，一般包括牽引變電所、降壓變電所和牽引降壓 (混合 )變電所三種。降壓變電所是將 10kV 電源降壓為 380V/220V動(dòng)力照明電源的變電所，它一般設(shè)置在車(chē)站內(nèi)。 城市軌道 牽引供電系統(tǒng) 通常 應(yīng)該包括 :主降壓變電站、直流牽引變電所、饋電線、接觸網(wǎng)、走行軌及回流線等。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 2 頁(yè) 1 22134569 78城市電網(wǎng)主變電所牽引變電所 1—— 發(fā)電廠； 2—— 升降變電站； 3—— 電力網(wǎng)； 4—— 主降壓變電站 5—— 直流牽引變電所 6—— 饋電線 7—— 接觸網(wǎng) 8—— 走行軌道 9—— 回流線 圖 11 城市軌道交通牽引供電系統(tǒng) 考慮到直流饋電相對(duì)交流饋電具有調(diào)速范圍大、調(diào)速方便、易于控制、車(chē)輛起制動(dòng)平穩(wěn)、電壓質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)， 當(dāng)前 城市軌道交通幾乎毫不例外地都采用直流供電制式。另外由于城市內(nèi)的軌道交通、供電線路都處在城市建筑群之間，為確保安全，供電電壓本身也不適宜太 高。根據(jù)我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《地鐵直流牽引供電系統(tǒng)》 (GBI04n 一89)和《城市無(wú)軌電車(chē)和有軌電車(chē)供電系統(tǒng)》 (GB5951 一 86)的規(guī)定，并參考國(guó)際上城 市地鐵和輕軌線路普遍采用的供電制式和發(fā)展趨向，建議我國(guó)城市地鐵、輕軌線路牽引電壓制式采用 750V和 1500V兩種，其電壓允許波動(dòng)范圍分別為 500~1000V，900~1800V，不推薦現(xiàn)有的 600V、 825V兩種，從經(jīng)濟(jì)角度看，選用 1500V為好，它可以增加牽引供電距離，減少牽引變電所數(shù)量，節(jié)約投資和運(yùn)行費(fèi)用，同時(shí)還可以提高牽引供電電壓質(zhì)量，減少雜散電流。對(duì)于城市無(wú)軌電車(chē)和有軌電車(chē)系統(tǒng)，推薦采用 750v 直流供電 制式。 AC/DC 變換電路指能夠直接將交流電能轉(zhuǎn)換為直流電能的電路，泛稱(chēng)整流電路。 整流電路的主要 作用 ： (1)調(diào)壓：指直流輸出電壓隨電網(wǎng)電壓的變化而增減； (2)穩(wěn)壓：指電網(wǎng)電壓不變時(shí)，直流輸出電壓應(yīng)在網(wǎng)側(cè)電壓波動(dòng)和負(fù)載變化時(shí)維持恒定。 (1)輸入電流包含大量的高次諧波，高次諧波電流在電網(wǎng)中流通將在線路阻抗上形成干擾電壓，造成嚴(yán)重的諧波污染，干擾其它設(shè)備 。 (3)由于諧波的存在，整流器輸入電流的額定值增大，增加了線路損耗，也提高了保險(xiǎn)絲、斷路器以及傳輸線的規(guī)格。 (4)由于換流過(guò)程將引起電網(wǎng)電壓波形畸變 。 工程實(shí)際中 為了提 高 整流器的功率因數(shù)有以 下幾種方案 [6]。 (2)基于二極管整流的多重化設(shè)計(jì) 。 (4)采用 PWM 整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的高功率因數(shù)整流器設(shè)計(jì) 在三相橋式整流電路的基礎(chǔ)上增加整流相，如采用若干相位彼此錯(cuò)開(kāi)的多個(gè)整流機(jī)組串聯(lián)或者并聯(lián)起來(lái)，以構(gòu)成更多脈波的整流輸出，即稱(chēng)為多重化整流技術(shù)。 目前國(guó)內(nèi)軌道交通牽引的直流供電系統(tǒng)中，正在經(jīng)歷著從十二相多重化整流向二十四相多重化整流的過(guò)渡階段， 本文 則 嘗試 采用 基于單神經(jīng)元 PWM 控制的整流技術(shù)對(duì)軌道交通 直流牽引供電換流器進(jìn)行設(shè)計(jì)。 諧波含義為：“是一個(gè)周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍數(shù) ” 。 非線性負(fù) 荷接至供電系統(tǒng)以及供電系統(tǒng)中本身存在非線性元件，是造成電網(wǎng)電壓、電流波形畸變的根本原因。 根據(jù)電路的基本理論，功率因數(shù)（ PF）定義為有功功率（ P）與視在功率（ S）的比值 ,用公式表示為： IIIUIUSPPF 111 111 c osc os ?? ??? () 式中： 1I 為電流基波有效值； I 為電網(wǎng)電流有效值， 22221 nIIII ?????? ，其中1I ， 2I ，? nI 為輸入電流各次諧波的有效值； 1U 為輸入電壓基波有效值； 1cos? 為基波電壓和基波電流的位移因數(shù)。 1cos? 越小，則設(shè)備的無(wú)功功率越大，設(shè)備利用率越低，導(dǎo)線和變壓器組損耗越大 。 牽引變電所整流機(jī)組 地鐵、輕軌交通和工礦運(yùn)輸直流牽引變電所的主結(jié)線，包括高壓交流 (10Kv～35kV)受配電系統(tǒng)和直流 (～ )受饋電系統(tǒng)兩部分，整流機(jī)組 (整流變壓器— 整流器組 )則是作為交、直流系統(tǒng)變換的重要環(huán)節(jié)設(shè)置的 [8]。為了提高直流電的供電質(zhì)量，降低直流電源的脈動(dòng) (波動(dòng) )量， 目前 通常采用 的是 多相整流的方法，它可以是六相、十二相整流，還可以增加到二十四相整流。 整流變壓器與整流器合稱(chēng)為整流裝置。 如 用三相橋式整流電路構(gòu) 成十二相脈動(dòng)整流或等效十二相整流的接線方式， 但 本論文將不做重點(diǎn)介紹。 消除諧波污染并提高功率因數(shù)，己成為城市軌道交通供電系統(tǒng)乃至電力電子技術(shù)中一個(gè)重大課題。通過(guò) PWM 調(diào)制技術(shù)控制 PWM 整流電路，使其輸入電流非常接近正弦波，且和輸入電壓同相位，功率因數(shù)近似為 1， 這種電路常稱(chēng)之為 PWM 整流器、單位功率因數(shù) PWM 變流器或高功率因數(shù) PWM 整流器。 PWM 整流器工作原理 PWM 整流器已不是一般傳統(tǒng)意義上的 AC/DC 變換器，由于電能的雙向傳輸，當(dāng) PWM 整流器從電網(wǎng)吸取電能時(shí)，其運(yùn)行于整流工作狀態(tài)；而當(dāng) PWM 整流器向電網(wǎng)傳輸電能時(shí)，其運(yùn)行于 有源逆變狀態(tài)。進(jìn)一步研究表明，由于 PWM整流器其網(wǎng)側(cè)電流及功率因數(shù)均可控，因而可被推廣用于有源電力濾波及無(wú)功補(bǔ)償?shù)确钦鲬?yīng)用場(chǎng)合。圖 為 PWM 整流器模型電路，可以看出： PWM 整流器模型電路由交流回路、功率開(kāi)關(guān) 管橋路以及直流回路組成 。 A CLivV d cI d cR l+ 圖 整流電路模型 當(dāng)不及功率開(kāi)關(guān)管橋路損耗時(shí)，由交、直流側(cè)功率平衡關(guān)系可得： dcdcviiv ? () 由上式不難理解：通過(guò)模型電路交流側(cè)的控制，就可以控制其直流側(cè)，反之也成立。 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁(yè) 穩(wěn)態(tài)條件下， PWM 整流器交流側(cè)矢量關(guān)系如圖 所示。這樣可從圖 分析：當(dāng)以電網(wǎng)電動(dòng)勢(shì)矢量為參考時(shí)，通過(guò)控制流電壓矢量 V即可實(shí)現(xiàn) PWM 整流器的四象限運(yùn)行。當(dāng)電壓矢量 V 端點(diǎn)位于圓軌跡 A 點(diǎn)時(shí)，電流矢量 I 比電動(dòng)勢(shì)矢量 E 滯后 90176。此時(shí) PWM 整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)純電容特性，如圖 所示；當(dāng)電壓矢量 V端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)至圓軌跡 D 點(diǎn)時(shí)，電流矢量 I 與電動(dòng)勢(shì)矢量 E 平行且反向，此時(shí) PWM 整流器網(wǎng)側(cè)呈現(xiàn)負(fù)阻特性，如圖 所示。此時(shí)， PWM 整流器需從電網(wǎng)吸收有功及感性無(wú)功功率，電能將通過(guò) PWM 整流器由電網(wǎng)傳輸至直流負(fù)載。 （ 2）電壓矢量 V端點(diǎn)在圓軌跡 BC 上 運(yùn)動(dòng)時(shí)， PWM 整流器運(yùn)行于整流狀態(tài)。當(dāng) PWM 整流器運(yùn)行在 C 點(diǎn)時(shí)， PWM 整流器將不從電網(wǎng)吸收有功功率，只從電網(wǎng)吸收容性無(wú)功功率。時(shí)， PWM 整流器向電網(wǎng)傳輸有功及容性無(wú)功功率，電能將從 PWM 整流器直 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 7 頁(yè) 流側(cè)傳至電網(wǎng)。 （ 4）電壓矢量 V端點(diǎn)在圓軌跡 DA 上運(yùn)動(dòng)時(shí)， PWM 整流器運(yùn)行于 有源逆變狀態(tài)。 由以上分析可知，若要實(shí)現(xiàn) PWM 整流器的四象限運(yùn)行，關(guān)鍵在于網(wǎng)側(cè)電流的控制，首先可以通過(guò)控制 PWM 整流器交流側(cè)電壓，來(lái)間接控制其網(wǎng)側(cè)電流；其次可以通過(guò)閉環(huán)控制來(lái)直接控制 PWM 整流器的網(wǎng)側(cè)電流。其他分類(lèi)方法就主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)而言，均可歸類(lèi)于電流型或電壓型PWM 整流器之列?？紤]到地鐵車(chē)輛的實(shí)際運(yùn)行情況中，有著頻繁的加減速運(yùn)行，使得地鐵車(chē)輛所 中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 2020 屆本科 生 畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁(yè)