牵引变流器中间环节直流电压脉动抑制方法的研究

摘要

在现代化的高速铁路发展中，机车本身的优化（包括降低成本、减轻重量等）得到了越来越多的关注，实现该优化也是高速铁路进一步发展的必然要求。而在牵引变流器系统中，直流侧的二次谐振滤波器具有体积大、重量大、制造复杂的缺点，且直流电压二次脉动可以通过增加支撑电容结合软件控制的方式来抑制。因此，取消这一谐振滤波器是实现机车本身优化过程中的必然的趋势。本文结合了CRH2的相关技术数据，对取消二次谐振滤波器后的直流电压二次脉动抑制方法进行了研究。
　　分析了直流电压二次脉动的产生原因及其影响因素，分析了直流电压二次脉动对整流器交流侧电流、逆变器输出电压、牵引电机定子电流和电机的转矩的影响。
　　给出了中间支撑电容值的计算方法，并对有无二次谐振滤波器下支撑电容值的变化做出了分析;分析了在传统的变流器控制技术下，整流器侧与逆变器侧抑制直流电压脉动影响的几种方法。整流器侧的直流电压脉动影响的抑制方法包括直流电压动态补偿控制以及低通滤波与直流电压动态补偿相结合的混合补偿控制。逆变器侧直流电压脉动影响的抑制方法包括通过实时直流电压来修正参考电压幅值与通过脉动电压补偿逆变器工作频率。对以上直流电压脉动方法进行了仿真研究，结果表明以上方法均能达到其设定的抑制效果。
　　针对逆变器侧直流电压脉动影响的抑制问题，提出了一种功率补偿控制方法。该方法通过获取的二次脉动功率计算出补偿电压△usM、△usT，并用△usM、△usT对指令电压usM、usT进行补偿，从而来抑制直流电压脉动的影响。分析了该方法的基本原理，给出了具体的实现方案，并通过Matlab/Simulink仿真进行了验证。结果表明，该方法能够抑制定子电流中角频率为ωo±2ω的两种低次谐波，减小转矩脉动。
　　在Matlab/Simulink中搭建了一个牵引变流器单元的仿真模型，分析了在变流器单元中整流器侧的混合补偿控制方法与逆变器侧的功率补偿控制方法对直流电压二次脉动影响抑制的效果以及该抑制方法下，牵引工况与制动工况的工作情况。仿真结果表明，在加入补偿控制后，网侧3次谐波电流与定子电流中的角频率为ωo±2ω的两种低次谐波电流均得到了抑制，电机转矩脉动减小。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的研究背景及意义

1．2 国内外直流电压脉动抑制研究现状

1．3 本文主要工作内容

第2章 直流电压脉动的产生及其影响分析

2．1 直流电压脉动的产生机理

2．2 直流电压脉动的影响

2．2．1 直流电压脉动对网侧电流的影响

2．2．2 直流电压脉动对逆变器输出电压的影响

2．2．3 直流电压脉动对牵引电机定子电流及转矩的影响

2．3 直流电压脉动大小及影响仿真分析

2．3．1 负载变化对直流电压脉动及网侧谐波的影响

2．3．2 直流电压脉动对输出电压、电机电流及转矩的影响

2．4 本章小结

第3章 抑制直流电压脉动影响的补偿控制方法研究

3．1 中间支撑电容的计算

3．2 传统的变流器控制方法

3．2．1 瞬态直接电流控制技术

3．2．2 转子磁场定向矢量控制技术

3．3 直流电压脉动对网侧影响的抑制方法研究

3．3．1 直流电压动态补偿控制

3．3．2 低通滤波器结合直流电压动态补偿控制

3．4 直流电压脉动对逆变器侧影响的抑制方法研究

3．4．1 通过改变逆变器调制信号幅值抑制直流电压脉动的影响

3．4．2 通过补偿逆变器工作频率抑制直流电压脉动的影响

3．5 直流电压脉动影响抑制仿真验证研究

3．5．1 直流电压脉动对网侧影晌的抑制仿真验证研究

3．5．2 直流电压脉动对逆变器侧影响的抑制仿真验证研究

3．6 本章小结

第4章 基于功率控制的直流电压脉动抑制研究

4．1 直流电压脉动影响抑制思想及原理

4．2 功率补偿控制方案实现

4．3 功率补偿控制仿真验证研究

4．4 本章小结

第5章 牵引变流器单元的仿真研究

5．1 变流器单元的仿真条件

5．2 变流器单元的仿真模型

5．3 仿真结果及分析

5．3．1 不采用直流电压脉动抑制的仿真结果及分析

5．3．2 采用直流电压脉动抑制的仿真结果及分析

5．3．3 不同工况下的仿真结果及分析

5．4 小结

结论

致谢

参考文献