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、京滬等高速客運專線相繼投入運營，我國高速鐵路取得了飛速發(fā)展。電力牽引交流傳動及其控制技術(shù)作為高速鐵路電動車組的核心技術(shù)，對其開展研究具有重要的理論意義和現(xiàn)實價值。
　　本文以國家科技支撐計劃項目為依托，以高速電動車組中的電力牽引變流器為研究對象，重點從網(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)計時的電機控制算法等方面深入開展了理論研究，為高速電動車組的關(guān)鍵技術(shù)牽引傳動控制奠定了堅實

2、的理論基礎(chǔ)，并為工程設(shè)計提供了理論支撐。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)的中點電位控制算法；牽引變流器直流側(cè)輕量化設(shè)計時的電機控制算法主要是指直流側(cè)無二次LC諧振濾波電路時，牽引逆變器-電機的無拍頻控制算法。具體研究內(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)學模型的基礎(chǔ)上，首先從經(jīng)典

3、控制理論角度對該脈沖整流器的雙閉環(huán)控制器進行了設(shè)計和推導，然后對常用的瞬態(tài)電流控制和預測電流控制進行了分析對比，最后給出了一種適用于網(wǎng)壓波動情況下的基于d-q旋轉(zhuǎn)坐標系有功無功電流解耦控制算法，并對網(wǎng)壓波動下的脈沖整流器控制算法進行了計算機仿真驗證。
　　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其網(wǎng)側(cè)電流的低、高次諧波特性及其產(chǎn)生機理進行了推導和分析，并且考慮了牽引供電網(wǎng)的諧波對脈沖

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，分別對網(wǎng)側(cè)電流的低諧波抑制算法和高次諧波抑制算法進行了計算機仿真驗證。
　　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算法為研究對象，并考慮了三電平結(jié)構(gòu)的整流器存在中點電位不平衡問題，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，并詳細推導了其零序電壓分

5、量設(shè)計方法及其取值范圍，然后在此基礎(chǔ)上，當其零序電壓分量取極限值時，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，最后對這四種CBPWM算法分別進行了計算仿真和實驗驗證對比分析，這4種CBPWM算法都能有效地控制直流側(cè)中點電位，且各有特點。
　　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算法為研究對象，并考慮了三電

6、平結(jié)構(gòu)的整流器存在中點電位不平衡問題，提出了3種單相三電平SVPWM-Ⅰ、SVPWM-Ⅱ和SVPWM-Ⅲ算法。對這3種SVPWM算法進行了詳細的理論分析和設(shè)計；這3種SVPWM算法內(nèi)部都嵌入了中點電位控制功能。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；且分別對這3種SVPWM算法的有效性和可行性進行了計算機仿真和實驗驗證。
　　在牽引逆變器-電機的無拍頻控制算法方面：當直流側(cè)無二次LC諧振濾波電路時，直流

7、側(cè)兩倍電網(wǎng)頻率的紋波電壓會引起電機拍頻共振現(xiàn)象，本文從理論上推導了電機定子電壓的拍頻諧波頻譜特性，分別針對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，提出了基于單周期控制的牽引逆變器-電機系統(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，并分別對多脈沖區(qū)和單脈沖控制區(qū)的無拍頻控制算法進行了計算機仿真驗證。
　　本文為了驗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驗樣機和基于單周期控制的逆變器-電機