基于动车组三电平逆变器SVPWM技术优化控制研究

摘要

我国拥有世界上规模最大、速度最快、现代化程度最高、管理经验最丰富的高铁网络和目前世界上最多的高速列车。中国提出的丝绸之路经济带和21世纪海上丝绸之路战略，给中国轨道交通装备的迅速发展提供了更多有所作为的空间。高速动车组作为科技密集型产品，其迅速发展需要各方面技术研究的支持。NPC(Neutral-Point-Clamped,中性点箝位)型三电平逆变器具有对功率开关器件耐压要求低、谐波少、输出波形趋于正弦等优点，在高压大功率交流传动中有着了越来越广泛的应用。
　　本文以某型高速动车组的牵引逆变系统为研究对象，首先分析了牵引逆变技术的两电平和多电平拓扑结构及它们的控制策略，然后介绍了 NPC型三电平逆变器的工作模式、控制要求、空间电压矢量，并建立了其数学模型。对于传统SVPWM(空间矢量脉宽调制)算法中参考矢量所在区域的判定和基本矢量作用时间的计算过程中涉及大量的三角函数运算，对控制器的运算能力要求高，不利于实时快速调节。本文通过总结矢量分布规律和数学特性，提出了一种基于60°坐标系的SVPWM算法，并给出参考电压矢量所在其空间电压矢量分布图中大扇区和最小三角形位置判断规则，该算法无需进行复杂的三角函数运算，减轻了控制器的计算负担。Simulink仿真验证了本简化算法的可行性。
　　其次，研究了NPC型三电平逆变器直流侧电容中点电位不平衡带来的危害、产生的原因和改进的控制策略。针对这一固有问题，本文从三电平SVPWM控制算法入手，利用正负冗余小矢量对产生相同线电压，但对中点电位影响恰好相反的特点，提出一种优化的准双极性调制SVPWM算法。该算法在准双极性调制策略的基础上引入了一个实时控制因子k，它根据分压电容中点电压的大小来重新分配下一个PWM周期内正、负小矢量的相对作用时间，以此来实时控制流入电容中点的电荷量，抑制中点电位的不平衡。Matlab仿真结果验证了本算法可以有效抑制中点电位的波动和漂移，尤其在深度调制时。
　　最后，设计开发了以TMS320F2812 DSP为控制核心的NPC型三电平逆变器实验平台。该平台包括逆变拓扑电路、光耦隔离、驱动保护、供电电路等硬件电路设计和采用SVPWM控制算法的DSP程序设计等。实验结果和数据分析验证了所提控制算法的可行性。

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1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 三电平SVPWM技术研究现状

1.3 牵引逆变系统

1.4 本文研究的主要内容

2 NPC型三电平逆变器及其简化的空间矢量调制算法

2.1 NPC型三电平逆变器

2.2 传统SVPWM算法的实现

2.3 基于60°坐标系的简化SVPWM算法

2.4 仿真验证与分析

2.5 小结

3 优化的准双极性调制三电平逆变器中点平衡控制

3.1 中点电位不平衡的原因

3.2 NPC型三电平逆变器中点电位平衡控制方法

3.3 优化的准双极性调制模式

3.4 仿真与结果分析

3.5 小结

4 实验研究

4.1 硬件电路设计

4.2 软件算法设计

4.3 实验结果与分析

4.4 小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间的研究成果