三電平電力牽引變流器網(wǎng)側(cè)諧波抑制優(yōu)化控制方法研究

本項(xiàng)目以高速列車三電平電力牽引傳動系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)變流器為研究對象，主要開展網(wǎng)側(cè)單相三電平脈沖整流器的諧波分布特征和產(chǎn)生機(jī)理分析、單相三電平PWM理論、網(wǎng)側(cè)電流諧波抑制和高性能的預(yù)測功率控制算法方面的研究工作。研究目標(biāo)在于提升高速列車網(wǎng)側(cè)變流器的控制性能，減小對牽引供電網(wǎng)的諧波污染的危害。項(xiàng)目主要完成了以下幾個(gè)方面的具體工作：1）基于正弦切割3D幾何墻模型對單相三電平脈沖整流器的網(wǎng)側(cè)諧波進(jìn)行了定量分析和推導(dǎo)；并揭示和詳細(xì)分析單相三電平脈沖整流器的低次諧波和高次諧波產(chǎn)生機(jī)理；2）在研究內(nèi)容1的基礎(chǔ)上，分別提出了網(wǎng)側(cè)低次諧波和高次諧波的綜合補(bǔ)償算法，并進(jìn)行了相關(guān)的仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，取得了較好的諧波抑制效果；尤其針對車網(wǎng)耦合的高次諧波諧振問題，首先提出了基于諧振諧波消除（RHEPWM）的車載網(wǎng)側(cè)高次諧波抑制方案；然后還提出了基于單相LCL型脈沖整流器的高次諧波抑制方案。3）研究了單相三電平載波PWM（CBPWM）和空間矢量PWM(SVPWM)算法的內(nèi)在聯(lián)系，并在各種調(diào)制算法中考慮了直流側(cè)中點(diǎn)電位平衡控制，然后給出了其等效關(guān)系的數(shù)學(xué)描述；4）為了進(jìn)一步降低網(wǎng)側(cè)電流低次諧波，提高系統(tǒng)的動態(tài)控制性能和控制精度，分別提出了一種單相脈沖整流器無差拍預(yù)測功率控制、模型預(yù)測功率控制和模型預(yù)測電流控制算法。此外，在此基礎(chǔ)上，為了提高單相脈沖整流器在網(wǎng)壓畸變情況的魯棒性，提出了一種單相無鎖相環(huán)的瞬時(shí)功率估算方法。本項(xiàng)目的研究成果，可為我國干線電氣化鐵路列車的電力牽引網(wǎng)側(cè)變流器的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一定的理論借鑒和參考。

在高速列車運(yùn)營過程中，高速列車作為諧波激勵源，其諧波不但會污染牽引供電網(wǎng)，還會給鐵路通信帶來電磁干擾，從而給同一供電線路下的其他車輛正常運(yùn)營帶來安全隱患。為了保障高速鐵路安全運(yùn)營，高速列車的諧波優(yōu)化問題有待深入研究。本課題重點(diǎn)以高速列車三電平電力牽引變流器為研究對象，以優(yōu)化和減小其網(wǎng)側(cè)電流諧波含量為研究目標(biāo)，以變流器開關(guān)頻率低和直流側(cè)電壓脈動特點(diǎn)為約束條件，重點(diǎn)開展單相三電平優(yōu)化PWM調(diào)制與控制理論研究。主要內(nèi)容包括：研究不同PWM調(diào)制算法下脈沖整流器網(wǎng)側(cè)電流諧波產(chǎn)生機(jī)理和分布特征，建立現(xiàn)有的各種單相三電平PWM調(diào)制的統(tǒng)一數(shù)學(xué)描述模型，在此基礎(chǔ)上，研究具備直流側(cè)中點(diǎn)電位控制和網(wǎng)側(cè)諧波抑制的單相三電平優(yōu)化PWM調(diào)制算法和減小直流側(cè)電壓脈動對網(wǎng)側(cè)諧波影響的脈沖整流器優(yōu)化控制算法。通過計(jì)算機(jī)仿真、半實(shí)物仿真和樣機(jī)實(shí)驗(yàn)對優(yōu)化算法的有效性和可行性進(jìn)行驗(yàn)證。

三電平NPC逆變器的DC側(cè)電流紋波分析與損耗的計(jì)算，都是根據(jù)逆變器所采用的特定的調(diào)制方法來進(jìn)行的。因此，對三電平NPC逆變器調(diào)制方法原理的分析及仿真，是進(jìn)行DC側(cè)電流紋波分析與損耗計(jì)算的前提。

自多電平逆變器誕生以來，其相應(yīng)的PWM控制技術(shù)就一直是其研究的重點(diǎn)內(nèi)容。傳統(tǒng)兩電平逆變器的PWM控制方法經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)較為成熟，而多電平逆變器因其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、元器件較多等特點(diǎn)的限制，在控制方法上也更為復(fù)雜。

多電平PWM控制方法的研究主要是圍繞著兩個(gè)核心問題展開的：

一是輸出電壓波形的控制，即逆變器輸出電壓脈沖與調(diào)制波等效；

二是逆變器自身運(yùn)行狀態(tài)的控制，包括中點(diǎn)電壓平衡，輸出電壓、電流諧波的控制，功率開關(guān)器件的損耗分配控制等。設(shè)計(jì)合理的PWM控制方法，對于三電平NPC逆變器抑制中點(diǎn)電壓不平衡問題尤為重要 。

較為常見的多電平PWM控制方法分為：基于載波的PWM控制方法和空間矢量PWM控制方法。

（1）正弦脈寬調(diào)制方法（SPWM）

多電平逆變器的基于載波PWM控制方法一般采用載波層疊的形式。多電平載波層疊PWM控制方法與傳統(tǒng)兩電平PWM控制方式類似。對于m電平逆變器來說，采用（m-1）層相同幅值和頻率的三角形載波，分為上下兩層，與調(diào)制波進(jìn)行比較，產(chǎn)生開關(guān)序列，控制功率開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，從而輸出想要得到的波形。

對于三電平NPC逆變器來說，可以采用兩層載波。按照上下兩層載波的相位關(guān)系，可以分為反相載波層疊法和同相載波層疊法。

（2）反相載波層疊法

反相載波層疊法中，上下兩層載波相位相差180°，如圖4所示。圖4中，藍(lán)色正弦波為正弦調(diào)制波，與上下兩組載波進(jìn)行比較；黑色脈沖序列為交流輸出端（以A相為例）與DC側(cè)中點(diǎn)之間的電壓u_az 。

（3）同相載波層疊法

與反相載波層疊法相對應(yīng)，同相載波層疊法的上下兩組載波的相位完全相同，如圖5所示。

（4）三次諧波注入脈寬調(diào)制方法

對于沒有中線的三相對稱負(fù)載的逆變器系統(tǒng)，在輸出電壓中注入三的倍數(shù)次諧波或直流分量時(shí)候，對負(fù)載電壓波形不會產(chǎn)生影響。因此，可以對正弦調(diào)制波注入合適的零序分量，從而達(dá)到相應(yīng)的目的。為了提高直流母線電壓利用率，可以采用三次諧波注入PWM控制方法，如圖6所示 。2100433B

項(xiàng)目針對三電平PWM整流器的優(yōu)化控制及其在電網(wǎng)不平衡下的控制進(jìn)行了深入研究，提出了一系列原創(chuàng)性成果。針對傳統(tǒng)的單矢量DPC應(yīng)用于PWM整流器時(shí)存在的功率脈動大、電流諧波高和開關(guān)頻率不固定等問題，先后提出了功率脈動最小、功率無差拍和新型簡單占空比控制等方法來對DPC選出的矢量時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，在維持傳統(tǒng)DPC動態(tài)性能的基礎(chǔ)上顯著改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，簡單容易實(shí)現(xiàn)，顯著提高了DPC的工程實(shí)用價(jià)值。針對傳統(tǒng)模型預(yù)測功率控制存在的穩(wěn)態(tài)性能差、開關(guān)頻率不固定和計(jì)算量等缺點(diǎn)，首先提出了基于有功無功誤差最小的二矢量MPC，該方法可以顯著改善穩(wěn)態(tài)性能而不影響動態(tài)效果，具有較大的實(shí)用價(jià)值；其次針對PWM整流器采用MPC進(jìn)行優(yōu)選矢量時(shí)存在的計(jì)算量大的問題，以復(fù)功率共軛的負(fù)值為控制變量，在同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系上對矢量選擇進(jìn)行分析和推導(dǎo)，得出一種只需一次預(yù)測和比較即可得到最佳電壓矢量的低復(fù)雜度MPC；進(jìn)一步將該方法用于二矢量MPC，得到了矢量計(jì)算時(shí)間的簡化表達(dá)式，大大簡化了算法的復(fù)雜度。針對電網(wǎng)不平衡下的PWM整流器控制，基于傳統(tǒng)瞬時(shí)功率理論和擴(kuò)展瞬時(shí)功率理論提出了一系列創(chuàng)新思想并和DPC、MPC等先進(jìn)控制方法相結(jié)合，無需旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變換和正負(fù)序分解，為非理想電網(wǎng)下PWM整流器控制提供了新型解決方案。

研究并提出電流型多電平變流器的電路拓?fù)?，調(diào)制技術(shù)和控制方法。多電平變流器具有功率容量大、開關(guān)頻率低、輸出諧波小、響應(yīng)速度快、電磁兼容性好等特點(diǎn)。電壓型多電平變流器是當(dāng)前研究熱點(diǎn)，并已經(jīng)取得豐碩的研究成果。但目前幾乎還沒有將多電平技術(shù)應(yīng)用到電流型變流器中去的研究報(bào)道。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，尤其是高溫超導(dǎo)技術(shù)突破性的發(fā)展并進(jìn)入實(shí)用化，超導(dǎo)技術(shù)解決了電流型變流器中的儲能電感儲能效率問題，同時(shí)電力超導(dǎo)儲能系統(tǒng)中儲能線圈具有電流源特性，因此電流型變流器將成為應(yīng)用最佳選擇之一。我們的前期研究工作已經(jīng)提出和分析了幾種電流型多電平變流器的電路結(jié)構(gòu)和調(diào)制技術(shù)，取得了較好的進(jìn)展，不僅獲得了創(chuàng)新性成果，也表明對電流型多電平變流器的研究工作是必要的、可行的，具有重要的理論意義和應(yīng)用前景。 2100433B