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电气化铁路系统是交通运输与经济发展的枢纽,电力机车的工频牵引变压器是其中的主要组成之一,但传统工频牵引变压器重量大、占用空间多,很大程度上限制了电气化铁路舒适化、高速化、轻量化的发展。因此研发无工频牵引变压器的呼声愈发强烈。MMC是一种具有严格模块化结构以及具备良好输出特性的变流器,近年来,以MMC作为无工频牵引变压器的变换器成为国内外牵引机车领域的研究热点。虽然MMC牵引变流器的优势很明显,但列车因进出站、爬坡、临时停车、技术停车等多种因素需要反复启动、制动,而这种不可控的启停因素不仅会引起牵引网电压较大波动,也会因此增加MMC牵引变流器子模块的投切次数以及器件的开关频率和损耗,进而减短MMC牵引变流器使用寿命,故障发生率随之增加,降低了系统运行的安全可靠性。因此,运用合适的冗余容错方案来提升MMC牵引变流器的故障容错能力具有重要研究意义。针对如何提高MMC牵引变流器的故障容错能力,本文主要研究内容如下:(1)研究了基于MMC的铁路牵引传动系统的拓扑结构、工作原理、技术特点以及总体控制目标;详细分析了MMC牵引变流器的拓扑结构与工作原理,并对其进行数学建模。分析了环流产生机理,结合单相AC/AC变换的MMC牵引变流器特点,设计了桥臂电感参数,以抑制桥臂环流。同时也分析了MMC常用的调制方式,并采用了CPS-PWM作为MMC牵引变流器的调制策略,设计了MMC牵引变流器每个桥臂单独相移π/N个单位的CPS-PWM调制方式。(2)提出一种适用于电力机车领域的MMC故障冗余容错方案——利用机车制动能量给备用子模块进行充电以实现实时替换故障子模块,并设计了冗余子模块充电的变换器设备,分析了充电变换器的拓扑结构,研究了充电变换器的工作原理与其数学模型,设计了相应的充电控制策略。此外,详细描述了单相全桥MMC子模块故障时的故障检测、故障定位以及故障替换方法。最后通过PSCAD仿真软件验证了充电策略的有效性。(3)为使MMC牵引变流器子模块电容电压保持恒定且相等,设计了电容电压均衡控制策略,包括平均控制策略与平衡控制策略。通过PSCAD/EMTDC软件建了MMC牵引变流器的仿真模型,对比了MMC牵引变流器的三个冗余方案。仿真结果表明控制策略有效且相比其他冗余容错方案,本文提出的冗余方案能够很快处理故障,备用子模块不需要其他的充电时间且投入暂态时间短,没有对系统性能造成影响,使MMC牵引变流器可以平稳完成故障容错。