作为电气化铁路总里程、运能世界第一的国家，我国轨道交通技术以其高密度运输、安全准点等优点，在国民经济中起着越来越重要的作用。轨道交通是以电能为动力，以轮轨为运转方式，具有快速、大运量的交通运转系统。其中，干线电气化铁路的供电方式仍以异相供电系统为主，列车及相关用电设备的电力供应通过牵引所获得，电气化铁路区域的电力系统能力、电能质量等直接影响列车运行。电气化铁路牵引供电系统存在的过分相环节也降低了列车运行速度，牵引供电系统采用单相交流供电（AC 25kV），系统负荷为典型三相不对称负荷，产生的负序电流流入电网增加了电力系统的功率，使负序问题更加突出，牵引系统等非线性负载也会把多次谐波电流引入电网从而引起电能质量问题。
随着高速铁路和地铁等轨道交通技术的迅猛发展，电力电子技术及柔性化交直流供电系统等方面的研究及应用受到了广大国内外本领域学者越来越多的关注，柔性交直流供电系统的发展为轨道交通的供电方式提供了另一种探索方向，有利于提升牵引供电质量并解决列车的过分相问题。本书内容涵盖了轨道交通、能量路由器、新能源并网、电力电子建模与控制、预测控制算法等相关研究领域，其中重点介绍了逆变器的离网和并网控制、贯通式同相供电系统和基于UPQC的电能质量管理，对比了多种控制算法的优点和不足，可供从事相关行业的教师、研究生、工程技术人员等参考和阅读。
本书共分为10章。第1章为绪论，主要介绍本书的研究背景，总结国内外轨道交通牵引供电系统的研究现状，分析轨道交通柔性供电关键技术以及存在的电能质量问题和治理方法。第2章为基于能量路由器的轨道交通柔性供电系统，首先建立了能量路由器的轨道交通供电系统架构，然后进行了相关的供电工作模式分析和源端、负荷端变换器设计，在此基础上提出了能量路由器的协调控制策略方法和理论。第3章至第5章为模型预测控制技术在轨道交通供电系统中的应用研究。根据传统三相两电平逆变器的拓扑结构建立离散数学模型，对模型预测控制策略进行了详细介绍，随后针对传统基于模型预测控制策略的逆变器共模电压抑制方案所存在的电流畸变率较大的问题，提出基于优化虚拟电压矢量选择的逆变器输出共模电压抑制方案，同时提出一种以模型预测控制算法为基础的并网逆变器输出电流及功率协调控制策略，分析了具有建模误差补偿的离网型逆变器多步模型预测电压控制，并探讨了其在轨道交通供电中的应用。第6章为轨道交通贯通式同相供电技术，包括工作原理、控制方案设计、相关建模与仿真分析等。第7、8、9章涉及UPQC在轨道交通微电网中的电能质量，包括基于UPQC的系统结构、补偿量检测方法、电能质量控制策略等。第10章为实验结果与分析，通过半实物仿真系统RTLAB对本书所提策略进行实验分析，同时对本书重点理论和方法进行实验验证。
本书成果得到国家自然科学基金联合基金重点项目（U2034201）、国家自然科学基金面上项目（51977039）、中国中铁重大科技项目（2019-重大-11）、中央引导地方科技发展专项（2021L3005）等课题的资助。同时在研究过程中，得到清华大学、福州大学、北京交通大学、中国中铁股份有限公司、中国中车股份有限公司、北京市基础设施投资有限公司、北京市轨道交通建设管理有限公司、福州地铁集团有限公司、北京市轨道交通运营管理有限公司等单位领导及专家的指导，特别是中国中铁股份有限公司劳模工作创新工作室联盟及福州大学先进电气与轨道交通装备研究院，在此表示诚挚谢意。本书参考了国内外柔性交直流供电及电能质量等方面的著作和论文，并在书中每章末尾列出了相关参考文献，在此对其作者表示衷心感谢。
本书旨在抛砖引玉，希望能对读者有所裨益，并恳请广大读者批评指正。
作者
2023年4月
林云志同志清华大学硕士毕业后，一直在轨道交通一线从事技术工作，教授级高级工程师，累计申请专利共计41项，获得发明专利授权11项、实用新型专利授权5项、软件著作权6项，公开发表中英文论文14篇（其中EI刊物1篇），出版学术专著5部；
先后获得全国劳动模范、北京市劳动模范、北京榜样人物、中国中铁科技创新优秀人才等众多荣誉称号。担任清华大学能源互联网创新研究院研究员及轨道交通柔性供电研究中心副主任、铁路电气化技术联合研究中心副主任、中国施工企业管理协会科技专家、中国工程建设标准化协会铁道分会理事、中国城市轨道交通协会专家和学术委员会委员、ART智能轨道快运系统项目外部技术专家、中国智慧城市试点专家库专家、中铁电气化资深技术专家等。
第1章绪论
1.1课题研究背景及意义
1.2轨道交通供电系统的研究现状
1.2.1国内外牵引供电系统的研究现状
1.2.2国内外柔性供电系统的研究现状
1.2.3国内外同相供电系统的研究现状
1.3电力电子逆变器关键问题及其运行控制技术研究现状
1.4轨道交通电能质量问题及其研究现状
参考文献
第2章基于能量路由器的轨道交通柔性供电系统
2.1基于能量路由器的轨道交通供电系统架构
2.2轨道交通能量路由器工作模式分析
2.3能量路由器的源端口及交直流负荷端口变换器设计
2.4能量路由器的协调控制策略
2.5本章小结
参考文献
第3章三相两电平逆变器的模型预测共模电压抑制策略
3.1三相两电平逆变器数学模型
3.2模型预测控制及三相两电平逆变器输出共模电压分析
3.3传统三相两电平模型预测共模电压抑制策略
3.3.1无零矢量模型预测共模电压抑制策略
3.3.2加入权重系数的模型预测共模电压抑制策略
3.4基于优化虚拟矢量的模型预测共模电压抑制策略
3.4.1虚拟矢量的构造
3.4.2SVPWM分扇区原理
3.4.3仿真分析与验证
3.5本章小结
参考文献
第4章电网故障条件下并网逆变器电流质量及功率协调控制策略
4.1不平衡电网下的并网同步锁相环技术
4.1.1基于单同步参考坐标系锁相环
4.1.2改进型单同步参考坐标系锁相环
4.1.3解耦双同步参考坐标系锁相环
4.1.4仿真分析与验证
4.2并网逆变器的数学建模
4.2.1三电平中性点箝位并网逆变器的数学模型
4.2.2电网电压发生不平衡现象时并网逆变器的数学模型
4.3并网逆变器的不平衡电流及功率振荡灵活控制
4.3.1参考电流值计算
4.3.2考虑电流平衡及功率波动的参考电流算法
4.3.3控制方案的总体流程分析
4.3.4仿真分析与验证
4.4本章小结
参考文献
第5章具有建模误差补偿的离网型逆变器多步模型预测电压控制
5.1三电平NPC离网型逆变器的离散数学模型
5.2多步模型预测电压控制策略
5.2.1传统单步模型预测电压控制的局部最优问题分析
5.2.2多步模型预测电压控制策略
5.3仿真验证与分析
5.3.1稳态分析
5.3.2暂态分析
5.4本章小结
参考文献
第6章轨道交通贯通式同相供电技术
6.1贯通式同相供电系统结构
6.2贯通式同相供电系统工作原理
6.3静止电能变换器的控制方案设计
6.4贯通式同相供电系统仿真分析
6.5新型柔性牵引供电系统(贯通式同相供电)
6.5.1高原山地铁路特征
6.5.2新型柔性牵引供电系统(贯通式同相供电)设计
6.5.3新型柔性牵引供电系统(贯通式同相供电)的工程验证
6.6本章小结
参考文献
第7章基于UPQC的轨道交通微电网系统结构和工作原理
7.1UPQC分类与拓扑结构
7.1.1UPQC分类
7.1.2UPQC-R/L拓扑结构
7.2基于三相三线制的UPQC系统
7.2.1UPQC工作原理与功率流动
7.2.2UPQC单相等效电路
7.2.3UPQC状态空间方程
7.2.4UPQC相间耦合
7.3基于UPQC的电网结构
7.3.1基于UPQC-DGseparated的微电网结构
7.3.2基于UPQC-DGDC-link的微电网结构
7.3.3成本分析与性能对比
7.3.4基于UPQC改善微电网电能质量的控制目标
7.4本章小结
参考文献
第8章UPQC补偿量检测方法和锁相环性能研究
8.1补偿量检测方法概述
8.1.1基于p-q理论的检测方法
8.1.2基于ip-iq理论的检测方法
8.1.3基于自适应谐波的检测方法
8.1.4基于神经网络的检测方法
8.1.5基于dq0坐标变换的检测方法
8.2补偿量检测方法仿真研究
8.2.1电网正常运行工况下仿真研究
8.2.2电网电压发生三相不平衡工况下仿真研究
8.2.3补偿量检测方法仿真研究小结
8.3不平衡电网下的锁相环性能分析
8.3.1基本锁相环
8.3.2同步旋转参考坐标系锁相环
8.3.3双二阶广义积分器锁相环
8.3.4解耦双同步参考坐标系锁相环
8.4不平衡电网下的锁相环性能仿真分析研究
8.4.1基于不同锁相环检测电压信号仿真研究
8.4.2基于不同锁相环基波和谐波检测仿真研究
8.4.3不平衡电网下的锁相环性能仿真分析小结
8.5本章小结
参考文献
第9章基于UPQC改善微电网电能质量控制策略
9.1基于DDSRF-PLL的UPQC控制策略研究
9.1.1控制策略概述
9.1.2基于DDSRF-PLL的UPQC控制策略
9.1.3基于DDSRF-PLL的UPQC控制策略仿真分析
9.2改善微电网电能质量仿真研究
9.2.1配电网发生三相电压暂降/骤升
9.2.2配电网处于稳态/电压中断工况
9.2.3配电网发生三相电压不平衡故障或电压谐波畸变
9.2.4微电网切入三相不平衡负载
9.2.5微电网非线性负载发生突变
9.3基于对等控制的UPQC微电网运行模式
9.3.1微电网控制模式
9.3.2基于对等控制模式的微电网模型
9.3.3基于对等控制的下垂控制器设计
9.4基于对等控制的微电网运行仿真研究
9.4.1微电网并网运行模式与孤岛运行模式之间灵活切换
9.4.2微电网孤岛运行模式下的增/切负荷运行
9.4.3微电网孤岛运行模式下切DG与增/切负荷运行
9.5本章小结
参考文献
第10章实验结果与分析
10.1RT-LAB实验平台
10.1.1RT-LAB实验平台组成
10.1.2RT-LAB实验平台工作原理
10.2能量路由器逆变器相关验证分析
10.2.1实验平台
10.2.2硬件电路设计
10.2.3并网实验
10.2.4离网实验
10.3电能质量治理验证与分析
10.3.1不平衡电网下的锁相环性能分析实验验证
10.3.2基于不同锁相环的基波和谐波检测实验验证
10.3.3基于DDSRF-PLL的UPQC控制策略实验验证
10.4本章小结
参考文献
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