三電平電力牽引變流器網(wǎng)側諧波抑制優(yōu)化控制方法研究

本項目以高速列車三電平電力牽引傳動系統(tǒng)網(wǎng)側變流器為研究對象，主要開展網(wǎng)側單相三電平脈沖整流器的諧波分布特征和產(chǎn)生機理分析、單相三電平PWM理論、網(wǎng)側電流諧波抑制和高性能的預測功率控制算法方面的研究工作。研究目標在于提升高速列車網(wǎng)側變流器的控制性能，減小對牽引供電網(wǎng)的諧波污染的危害。項目主要完成了以下幾個方面的具體工作：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)側諧波進行了定量分析和推導；并揭示和詳細分析單相三電平脈沖整流器的低次諧波和高次諧波產(chǎn)生機理；2）在研究內容1的基礎上，分別提出了網(wǎng)側低次諧波和高次諧波的綜合補償算法，并進行了相關的仿真和實驗驗證，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)算法的內在聯(lián)系，并在各種調制算法中考慮了直流側中點電位平衡控制，然后給出了其等效關系的數(shù)學描述；4）為了進一步降低網(wǎng)側電流低次諧波，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測功率控制、模型預測功率控制和模型預測電流控制算法。此外，在此基礎上，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)的瞬時功率估算方法。本項目的研究成果，可為我國干線電氣化鐵路列車的電力牽引網(wǎng)側變流器的控制系統(tǒng)設計提供一定的理論借鑒和參考。

在高速列車運營過程中，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營帶來安全隱患。為了保障高速鐵路安全運營，高速列車的諧波優(yōu)化問題有待深入研究。本課題重點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)側電流諧波含量為研究目標，以變流器開關頻率低和直流側電壓脈動特點為約束條件，重點開展單相三電平優(yōu)化PWM調制與控制理論研究。主要內容包括：研究不同PWM調制算法下脈沖整流器網(wǎng)側電流諧波產(chǎn)生機理和分布特征，建立現(xiàn)有的各種單相三電平PWM調制的統(tǒng)一數(shù)學描述模型，在此基礎上，研究具備直流側中點電位控制和網(wǎng)側諧波抑制的單相三電平優(yōu)化PWM調制算法和減小直流側電壓脈動對網(wǎng)側諧波影響的脈沖整流器優(yōu)化控制算法。通過計算機仿真、半實物仿真和樣機實驗對優(yōu)化算法的有效性和可行性進行驗證。

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

自多電平逆變器誕生以來，其相應的PWM控制技術就一直是其研究的重點內容。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撲結構較為復雜、元器件較多等特點的限制，在控制方法上也更為復雜。

多電平PWM控制方法的研究主要是圍繞著兩個核心問題展開的：

一是輸出電壓波形的控制，即逆變器輸出電壓脈沖與調制波等效；

二是逆變器自身運行狀態(tài)的控制，包括中點電壓平衡，輸出電壓、電流諧波的控制，功率開關器件的損耗分配控制等。設計合理的PWM控制方法，對于三電平NPC逆變器抑制中點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，與調制波進行比較，產(chǎn)生開關序列，控制功率開關器件的導通和關斷，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，藍色正弦波為正弦調制波，與上下兩組載波進行比較；黑色脈沖序列為交流輸出端（以A相為例）與DC側中點之間的電壓u_az 。

（3）同相載波層疊法

與反相載波層疊法相對應，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制方法

對于沒有中線的三相對稱負載的逆變器系統(tǒng)，在輸出電壓中注入三的倍數(shù)次諧波或直流分量時候，對負載電壓波形不會產(chǎn)生影響。因此，可以對正弦調制波注入合適的零序分量，從而達到相應的目的。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應用于PWM整流器時存在的功率脈動大、電流諧波高和開關頻率不固定等問題，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選出的矢量時間進行優(yōu)化，在維持傳統(tǒng)DPC動態(tài)性能的基礎上顯著改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，簡單容易實現(xiàn)，顯著提高了DPC的工程實用價值。針對傳統(tǒng)模型預測功率控制存在的穩(wěn)態(tài)性能差、開關頻率不固定和計算量等缺點，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，具有較大的實用價值；其次針對PWM整流器采用MPC進行優(yōu)選矢量時存在的計算量大的問題，以復功率共軛的負值為控制變量，在同步旋轉坐標系上對矢量選擇進行分析和推導，得出一種只需一次預測和比較即可得到最佳電壓矢量的低復雜度MPC；進一步將該方法用于二矢量MPC，得到了矢量計算時間的簡化表達式，大大簡化了算法的復雜度。針對電網(wǎng)不平衡下的PWM整流器控制，基于傳統(tǒng)瞬時功率理論和擴展瞬時功率理論提出了一系列創(chuàng)新思想并和DPC、MPC等先進控制方法相結合，無需旋轉坐標變換和正負序分解，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撲，調制技術和控制方法。多電平變流器具有功率容量大、開關頻率低、輸出諧波小、響應速度快、電磁兼容性好等特點。電壓型多電平變流器是當前研究熱點，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應用到電流型變流器中去的研究報道。隨著科學技術的進步，尤其是高溫超導技術突破性的發(fā)展并進入實用化，超導技術解決了電流型變流器中的儲能電感儲能效率問題，同時電力超導儲能系統(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構和調制技術，取得了較好的進展，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用前景。 2100433B