不对称电压输入下新型贯通供电系统中三相PWM整流器控制策略研究

摘要

针对我国既有牵引供电系统固有的过分相以及重载铁路牵引供电系统所引起的电能质量问题，一种无输出变压器的新型贯通式牵引供电系统通过采用级联电力电子变换器装置，能够实现输出电压可控，以此取消牵引网全线电分相；其采用级联变换器结构能够通过增加级联模块数实现系统扩容及耐压，因此系统能够取消输出升压变压器且实现对输出电压的精准控制。然而由于三相电网电压并不时常处于对称状态，该系统前端具有多个三相 PWM 整流器，若是在不对称三相电网电压输入下，三相整流器仍然采用平衡态的控制策略，则会造成整流器工作性能下降甚至系统崩溃。 因此，为了保证无输出变压器的新型贯通式牵引供电系统的正常工作，本文主要针对贯通式牵引供电系统前端的三相 PWM 整流器系统，研究了在电网电压不对称情况下，保证整流器稳定高性能运行的控制策略。 本文首先对用于无输出变压器的新型贯通式牵引供电系统的三相-单相级联变换器的结构及控制策略进行了说明。重点介绍了三相二极管钳位型三电平整流器的拓扑结构和工作原理，在此基础上建立了对称输入电压下整流器的数学模型；研究了适用于三电平整流器的反相载波层叠调制策略。对单相级联逆变器的结构和工作原理进行了探讨，研究了单相级联逆变器的电压闭环控制原理。 接着，通过对称分量法对不对称输入信号进行分解，建立了不对称电压输入下三相 PWM 整流器的在同步旋转坐标系下的数学模型，并深入分析了不对称输入电压对整流器的影响。在此基础上，基于系统功率平衡原理，研究了抑制直流侧电压波动的控制算法，结合整流器数学模型和正负序电量分离方法，建立了正负序双电流环控制策略。 但是，正负序双电流环控制策略计算量较大且系统PI控制器较多，控制系统较为复杂，且不对称电压会导致传统三相锁相环性能下降。因此本文提出了一种取消锁相装置的改进型预测电流控制策略。该策略通过推导只含有三相电网电压正序分量的功率平衡方程，设计负序电流抑制算法并基于预测电流控制原理得到参考电压控制矢量；该策略只采用了一个PI控制器，且可省略系统中的锁相装置，更无需复杂的正负序电流提取计算，简化了控制系统复杂度，并通过仿真验证了所提控制策略的可行性。 最后，搭建了基于 FPGA的三相三电平 PWM 整流器的小功率实验平台，完成了不同输入电压工况下正负序双电流环控制策略及改进型预测电流控制策略的验证，实验结果证明了两种控制策略的有效性。且本文所提出的无锁相环的改进型控制策略具有更好的动静态性能，为新型贯通式牵引供电系统在不对称输入电压下的应用打下坚实基础。

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