電力牽引變流器控制與調(diào)制算法研究.pdf

1、隨著京津、武廣、京滬等高速客運(yùn)專線相繼投入運(yùn)營(yíng)，我國(guó)高速鐵路取得了飛速發(fā)展。電力牽引交流傳動(dòng)及其控制技術(shù)作為高速鐵路電動(dòng)車組的核心技術(shù)，對(duì)其開展研究具有重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)價(jià)值。
　　本文以國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目為依托，以高速電動(dòng)車組中的電力牽引變流器為研究對(duì)象，重點(diǎn)從網(wǎng)側(cè)單相脈沖整流器的諧波特性、控制算法和調(diào)制算法以及牽引變流器直流側(cè)輕量化設(shè)計(jì)時(shí)的電機(jī)控制算法等方面深入開展了理論研究，為高速電動(dòng)車組的關(guān)鍵技術(shù)牽引傳動(dòng)控制奠定了堅(jiān)實(shí)

2、的理論基礎(chǔ)，并為工程設(shè)計(jì)提供了理論支撐。本文中單相脈沖整流器的調(diào)制算法主要是指單相三電平脈沖整流器的載波脈寬調(diào)制(CBPWM)、空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)以及相應(yīng)的中點(diǎn)電位控制算法；牽引變流器直流側(cè)輕量化設(shè)計(jì)時(shí)的電機(jī)控制算法主要是指直流側(cè)無二次LC諧振濾波電路時(shí)，牽引逆變器-電機(jī)的無拍頻控制算法。具體研究?jī)?nèi)容如下：
　　在單相脈沖整流器的控制算法方面：本文在研究單相兩電平和三電平脈沖整流器工作原理和數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上，首先從經(jīng)典

3、控制理論角度對(duì)該脈沖整流器的雙閉環(huán)控制器進(jìn)行了設(shè)計(jì)和推導(dǎo)，然后對(duì)常用的瞬態(tài)電流控制和預(yù)測(cè)電流控制進(jìn)行了分析對(duì)比，最后給出了一種適用于網(wǎng)壓波動(dòng)情況下的基于d-q旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系有功無功電流解耦控制算法，并對(duì)網(wǎng)壓波動(dòng)下的脈沖整流器控制算法進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證。
　　在單相脈沖整流器的網(wǎng)側(cè)諧波方面：為了研究脈沖整流器的網(wǎng)側(cè)電流諧波特性，本文分別從理論上對(duì)其網(wǎng)側(cè)電流的低、高次諧波特性及其產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了推導(dǎo)和分析，并且考慮了牽引供電網(wǎng)的諧波對(duì)脈沖

4、整流器的網(wǎng)側(cè)電流和直流側(cè)電壓影響，給出了相應(yīng)的低、高次諧波抑制算法，分別對(duì)網(wǎng)側(cè)電流的低諧波抑制算法和高次諧波抑制算法進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證。
　　在單相三電平脈沖整流器的CBPWM算法方面：主要以單相三電平單極性CBPWM算法為研究對(duì)象，并考慮了三電平結(jié)構(gòu)的整流器存在中點(diǎn)電位不平衡問題，首先分別提出了2種基于零序電壓分量注入(ZSVI)的單相三電平單極性CBPWM-ZSVI-Ⅰ和CBPWM-ZSVI-Ⅱ算法，并詳細(xì)推導(dǎo)了其零序電壓分

5、量設(shè)計(jì)方法及其取值范圍，然后在此基礎(chǔ)上，當(dāng)其零序電壓分量取極限值時(shí)，本文又分別給出了這2種CBPWM算法的零序電壓分量極限值(ZSVMI)注入的CBPWM-ZSMVI-Ⅰ和CBPWM-ZSMVI-Ⅱ算法，最后對(duì)這四種CBPWM算法分別進(jìn)行了計(jì)算仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)比分析，這4種CBPWM算法都能有效地控制直流側(cè)中點(diǎn)電位，且各有特點(diǎn)。
　　在單相三電平脈沖整流器的SVPWM算法方面：主要以單相三電平SVPWM算法為研究對(duì)象，并考慮了三電

6、平結(jié)構(gòu)的整流器存在中點(diǎn)電位不平衡問題，提出了3種單相三電平SVPWM-Ⅰ、SVPWM-Ⅱ和SVPWM-Ⅲ算法。對(duì)這3種SVPWM算法進(jìn)行了詳細(xì)的理論分析和設(shè)計(jì)；這3種SVPWM算法內(nèi)部都嵌入了中點(diǎn)電位控制功能。并從理論上證明這3種SVPWM算法與CBPWM算法的關(guān)聯(lián)性和統(tǒng)一性；且分別對(duì)這3種SVPWM算法的有效性和可行性進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
　　在牽引逆變器-電機(jī)的無拍頻控制算法方面：當(dāng)直流側(cè)無二次LC諧振濾波電路時(shí)，直流

7、側(cè)兩倍電網(wǎng)頻率的紋波電壓會(huì)引起電機(jī)拍頻共振現(xiàn)象，本文從理論上推導(dǎo)了電機(jī)定子電壓的拍頻諧波頻譜特性，分別針對(duì)牽引逆變器工作在多脈沖調(diào)制區(qū)和單脈沖控制區(qū)時(shí)，提出了基于單周期控制的牽引逆變器-電機(jī)系統(tǒng)在多脈沖區(qū)無拍頻控制和單脈沖控制區(qū)的無拍頻控制算法，并分別對(duì)多脈沖區(qū)和單脈沖控制區(qū)的無拍頻控制算法進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證。
　　本文為了驗(yàn)證上述算法的有效性和可行性，分別搭建了小功率的單相三電平脈沖整流器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)和基于單周期控制的逆變器-電機(jī)