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电力牵引多电平网侧变流器谐波抑制与调制方法研究

王顺亮  
【摘要】:单相三电平变流器已经广泛地应用于铁路电力牵引和其他工业领域,并在铁路领域中作为电力牵引系统的网侧变流器,其网侧电流谐波会给牵引供电网带来谐波污染,恶化供电质量,不能满足绿色节能环保的实际需求。因此,针对其网侧电流谐波的抑制受到了业内的高度关注。较大的低次谐波会让波形严重畸变,THD含量增大,严重影响牵引供电系统的电能质量。而高次谐波不但影响THD含量,还可能会引发谐波谐振事故,造成设备烧坏。另外,高速动车组轻量化也是适应节能环保要求的有效途径,随着SiC和GaN等新型宽禁带半导体器件应用的迅速发展,使得多电平变流器在高压大功率场合的应用更加容易实现。以多电平变流器为核心的无工频变压器应运而生,其应用在牵引传动系统将是未来更高速度动车组牵引传动系统的发展方向之一。电力牵引系统中网侧单相三电平和单相级联H桥都是多电平拓扑结构的变流器,其直流侧都包含多个支撑电容,而多电容电压不平衡是其潜在的缺陷,因此也是网侧多电平变流器中必须解决的关键问题。对于单相三电平变流器,以获得低次谐波含量较低和正弦度较高的网侧电流为目的。首先,针对直流侧电压纹波、死区时间、管压降对网侧电流的影响进行了分析。然后,采用陷波器来消除直流侧电压纹波的影响,在调制信号中注入补偿分量来对死区时间和管压降进行补偿;针对死区的补偿分量大小通过电压傅里叶分解式进行求解,并证明了其有效性;针对管压降的补偿分量大小根据电流的大小和方向通过实时计算求得。最后,提出了一个综合多种因素的网侧电流波形畸变补偿方法,该方法不需要增加额外的硬件电路,就能有效地降低网侧电路的THD值和低次谐波含量。对于单相三电平变流器的高次谐波问题,从中点电位不平衡和调制算法的角度,分析了高次谐波产生原因。为了实现在负载不平衡的恶劣情况下直流侧中点电位平衡的控制目标,以传统的单相三电平单极性双载波脉宽调制(DCBPWM)方法为基础,提出了一种适用于负载不平衡情况下,基于电压补偿分量注入的双载波脉宽调制算法(DCBPWM-VOI),并对电压补偿分量进行了定量设计。为了通过优化载波调制算法来抑制高次谐波,基于DCBPWM和单载波脉宽调制(SCBPWM),提出了含有双极性和单极性两种模式的混合DCBPWM和混合SCBPWM策略。两种调制策略都能有效地减少高次谐波含量,并且还能降低THD。对于级联H桥整流器(CHBR)中的电容电压不平衡问题。为了实现直流侧电容电压的快速平衡,分析了已有典型直流侧电压平衡控制方法的缺点,提出了基于电压补偿分量注入的单倍频载波移相脉宽调制(SF-CPSPWM-VOI)和双倍频载波移相脉宽调制(DF-CPSPWM-VOI)算法,都易于扩展到多个H桥级联的情况。与已有典型直流侧电压平衡控制方法对比,该方法具有更快的直流侧电压平衡速度和更强的直流侧电压平衡能力。为了使通用性更强并且兼顾直流侧电容电压平衡,提出了一种适用于单相任意单元数级联H桥变流器的通用空间矢量脉宽调制(SVPWM)方法。给出了各个基本矢量作用时间的计算方法,通过优化矢量作用顺序,使得该调制算法引起的网侧电流畸变较小,各功率器件开关切换次数一致,并且具有电容电压平衡能力。为了验证上述算法的可行性和有效性,进行了小功率单相三电平脉冲整流器样机实验测试,并在基于RT-LAB的半实物实验平台上进行了级联H桥整流器实验研究。


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