面向高速铁路的同相供电系统：基于滑模控制的混合电能质量补偿与中性区优化

《Infrastructures》：Integration of Renewable Energy Sources with Hybrid Power Quality Conditioners in Co-Phase Traction Systems for Electric Railways

　　

摘要

铁路电气化运输需求的不断增长加剧了电能质量（PQ）方面的挑战，包括谐波、电压不平衡和低功率因数（PF）等问题。这些问题推动了先进牵引供电系统的研发，特别是同相供电配置，以改善电能质量、增强并网稳定性并提高铁路电力基础设施的运行韧性。本文提出了一种适用于高速铁路的同相供电系统，通过整合电能质量补偿技术来保障高速列车的运行，同时将所需的中性区数量减少一半，从而提升牵引供电的连续性和鲁棒性。针对电能质量问题，本文引入了一种电容耦合混合型电能质量调节器（HPQC），并将可再生能源（RESs）接入其直流侧。鉴于铁路负载高度动态且时变的特性，本文基于同相供电系统和混合电能质量调节器的状态空间模型，开发了一种基于滑模控制（SMC）的鲁棒控制方法，以实现对负载变化和运行扰动的稳定快速响应。通过实时控制硬件在环（CHIL）仿真验证了所提方法的有效性和实时实现能力。MATLAB/Simulink仿真和实时CHIL测试结果表明，所提系统实现了谐波的大幅降低、功率因数的改善、负序电流的减少以及整体系统效率的提升。这些结果证实了所提系统适用于现代高速铁路应用，并彰显了其对构建韧性牵引供电系统的贡献，使其能够在高度变化的负载条件下维持可靠运行。