电力牵引变流器控制与调制算法研究

随着京津、武广、京沪等高速客运专线相继投入运营,我国高速铁路取得了飞速发展。电力牵引交流传动及其控制技术作为高速铁路电动车组的核心技术,对其开展研究具有重要的理论意义和现实价值。 本文以国家科技支撑计划项目为依托,以高速电动车组中的电力牵引变流器为研究对象,重点从网侧单相脉冲整流器的谐波特性、控制算法和调制算法以及牵引变流器直流侧轻量化设计时的电机控制算法等方面深入开展了理论研究,为高速电动车组的关键技术牵引传动控制奠定了坚实的理论基础,并为工程设计提供了理论支撑。本文中单相脉冲整流器的调制算法主要是指单相三电平脉冲整流器的载波脉宽调制(CBPWM)、空间矢量脉宽调制(SVPWM)以及相应的中点电位控制算法；牵引变流器直流侧轻量化设计时的电机控制算法主要是指直流侧无二次LC谐振滤波电路时,牵引逆变器-电机的无拍频控制算法。具体研究内容如下： 在单相脉冲整流器的控制算法方面：本文在研究单相两电平和三电平脉冲整流器工作原理和数学模型的基础上,首先从经典控制理论角度对该脉冲整流器的双闭环控制器进行了设计和推导,然后对常用的瞬态电流控制和预测电流控制进行了分析对比,最后给出了一种适用于网压波动情况下的基于d-q旋转坐标系有功无功电流解耦控制算法,并对网压波动下的脉冲整流器控制算法进行了计算机仿真验证。 在单相脉冲整流器的网侧谐波方面：为了研究脉冲整流器的网侧电流谐波特性,本文分别从理论上对其网侧电流的低、高次谐波特性及其产生机理进行了推导和分析,并且考虑了牵引供电网的谐波对脉冲整流器的网侧电流和直流侧电压影响,给出了相应的低、高次谐波抑制算法,分别对网侧电流的低谐波抑制算法和高次谐波抑制算法进行了计算机仿真验证。 在单相三电平脉冲整流器的CBPWM算法方面：主要以单相三电平单极性CBPWM算法为研究对象,并考虑了三电平结构的整流器存在中点电位不平衡问题,首先分别提出了2种基于零序电压分量注入(ZSVI)的单相三电平单极性CBPWM-ZSVI-I和CBPWM-ZSVI-II算法,并详细推导了其零序电压分量设计方法及其取值范围,然后在此基础上,当其零序电压分量取极限值时,本文又分别给出了这2种CBPWM算法的零序电压分量极限值(ZSVMI)注入的CBPWM-ZSMVI-I和CBPWM-ZSMVI-II算法,最后对这四种CBPWM算法分别进行了计算仿真和实验验证对比分析,这4种CBPWM算法都能有效地控制流侧中点电位,且各有特点。 在单相三电平脉冲整流器的SVPWM算法方而：主要以单相三电平SVPWM算法为研究对象,并考虑了三电平结构的整流器存在中点电位不平衡问题,提出了3种单相三电平SVPWM-Ⅰ、SVPWM-Ⅱ和SVPWM-Ⅲ算法。对这3种SVPWM算法进行了详细的理论分析和设计；这3种SVPWM算法内部都嵌入了中点电位控制功能。并从理论上证明这3种SVPWM算法与CBPWM算法的关联性和统一性；且分别对这3种SVPWM算法的有效性和可行性进行了计算机仿真和实验验证。 在牵引逆变器-电机的无拍频控制算法方面：当直流侧无二次LC谐振滤波电路时,直流侧两倍电网频率的纹波电压会引起电机拍频共振现象,本文从理论上推导了电机定子电压的拍频谐波频谱特性,分别针对牵引逆变器工作在多脉冲调制区和单脉冲控制区时,提出了基于单周期控制的牵引逆变器-电机系统在多脉冲区无拍频控制和单脉冲控制区的无拍频控制算法,并分别对多脉冲区和单脉冲控制区的无拍频控制算法进行了计算机仿真验证。 本文为了验证上述算法的有效性和可行性,分别搭建了小功率的单相三电平脉冲整流器实验样机和基于单周期控制的逆变器-电机系统实验样机,给出了相应的硬件和软件设计方法,并进行了大量的样机实验测试。