雙PWM變流器直流母線電壓波動抑制方法及控制方法

榮譽表彰

2020年7月14日，《雙PWM變流器直流母線電壓波動抑制方法及控制方法》獲得第二十一屆中國專利獎優(yōu)秀獎。

本項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(cè)諧波進行了定量分析和推導(dǎo)；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(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償算法，并進行了相關(guān)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(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(cè)變流器的控制系統(tǒng)設(shè)計提供一定的理論借鑒和參考。

三電平NPC逆變器的DC側(cè)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(diào)制方法來進行的。因此，對三電平NPC逆變器調(diào)制方法原理的分析及仿真，是進行DC側(cè)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(yīng)的PWM控制技術(shù)就一直是其研究的重點內(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撲結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜、元器件較多等特點的限制，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(guān)器件的損耗分配控制等。設(shè)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(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，藍色正弦波為正弦調(diào)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(cè)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(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(diào)制波注入合適的零序分量，從而達到相應(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

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(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)電壓脈動特點為約束條件，重點開展單相三電平優(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。