基于级联变换器的贯通式牵引供电系统变电所谐波分析研究

摘要

基于级联结构的贯通供电系统变电所的牵引供电系统，是为了取消既有牵引供电系统电分相、改善电能质量、扩大牵引变电所容量而被提出的一种新型牵引供电系统。本文主要研究该牵引供电系统的谐波问题，以理论分析分析为基础，并通过仿真和实验验证了理论推导正确性，以及对基于该级联变换器输出谐波特性进行了较深入研究。
　　首先介绍了基于级联结构的贯通供电系统变电所的拓扑结构以及控制策略、调制策略。介绍了三电平三相整流器在三相静止坐标系下的数学模型，深入分析了单相PWM变换器与级联变换器工作原理，其控制策略采用电压外环、电流内环的双闭环控制策略;针对单相PWM级联变换器的调制策略，介绍了载波层叠SPWM调制策略以及载波移相SPWM调制策略(CPS-SPWM)。
　　针对二极管中性点钳位五电平H桥级联的新型牵引供电系统的研究较少，对级联变换器构成的新型牵引变电所的谐波分析基本为空白的现状，本文首次分析了基于5H级联变换器的牵引变电所输出谐波特性，利用双边傅里叶函数推导了载波移相SPWM(CPS-SPWM)调制策略下的5H桥及5H桥级联变换器输出电压谐波特性，利用Matlab/Simulink搭建该级联变换器模型，仿真结果表明:基于5H级联变换器的牵引变电所输出总谐波失真率已可满足国家标准，由此可知该变电所可不用设置滤波电路。
　　针对二极管中性点箝位三电平H桥级联变换器(NPC-CI)的谐波问题，设计CPSPOD-SPWM调制策略首次应用于NPC-CI，提出大三角载波等效处理方法，再通过引入三角载波和调制波的双坐标系，简化分析并降低计算难度，得到CPSPOD-SPWM调制策略下输出电压开关函数。再结合双重傅里叶变换方法，推导了输出电压谐波的解析表达式。通过Matlab/Simulink仿真平台，对一个单元、两单元、三单元及四单元的级联变换器输出电压作FFT分析，并统计特征次谐波，仿真结果表明CPSPOD-SPWM调制策略下，基于3H桥级联变换器的输出电压频谱分布规律与理论分析一致，从而推导的正确性得到验证。这为该系统的进一步研究提供了理论依据。
　　最后，基于FPGA+DSP小功率实验平台，搭建了两个5H桥级联以及四个3H桥级联的实验模型。通过设计和选择合理的硬件参数和控制参数，完成了实验验证。实验表明，通过选取合适的调制策略及控制策略，输出电压波形和电流波形呈现较好的正弦性，级联系统工作正常;实验结果与理论分析一致，级联结构及其一个单元的输出电压频谱符合理论推导结果。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 本文研究背景和意义

1．1．1 铁路牵引供电系统

1．1．2 贯通式牵引供电系统

1．1．3 级联变换器研究现状

1．2 谐波分析

1．2．1 谐波的定义及表达

1．2．2 谐波的产生和抑制

1．2．3 国内外谐波标准

1．3 本文主要工作内容

第2章 基于级联变换器的贯通式牵引供电系统变电所

2．1 基于级联变换器的贯通式牵引供电系统变电所简介

2．2 三相整流器工作原理

2．3 单相PWM级联逆变器工作原理

2．3．1 单相PWM变换器数学模型

2．3．2 单相级联变换器工作原理

2．3．3 单相级联逆变器控制策略

2．4 级联变换器系统调制策略

2．4．1 载波层叠SPWM调制策略

2．4．2 载波移相SPWM调制策略(CPS-SPWM)

2．5 本章小结

第3章 基于CPS-SPWM调制策略的5H桥级联的变换器谐波分析

3．1 5H桥工作原理

3．2 CPS-SPWM调制策略

3．3 5H桥输出电压谐波特性分析

3．4 5H桥级联变换器输出谐波特性分析

3．5 5H桥级联变换器仿真

3．5．1 仿真模型及参数

3．5．2 仿真结果分析

3．6 本章小结

第4章 基于CPSPOD-SPWM调制策略的3H桥级联变换器谐波分析

4．1 双坐标系的建立

4．2 CPSPOD-SPWM及其载波等效处理

4．2．1 单桥臂调制策略及等效处理

4．2．2 级联变换器调制策略

4．3 3H桥级联变换器输出谐波特性分析

4．3．1 开关函数推导

4．3．2 CPSPOD-SPWM策略下输出频谱推导

4．4 单相NPC级联变换器仿真

4．4．1 仿真分析

4．4．2 仿真结果与理论分析比较

4．5 本章小结

第5章 实验验证

5．1 FPGA及Verilog HDL语言

5．1．1 FPGA简介

5．1．2 Verilog HDL语言简介

5．2 二极管中性点钳位的5H桥级联变换器实验

5．2．1 实验系统及参数

5．2．2 实验结果分析

5．3 二极管中性点钳位的3H级联变换器实验

5．3．1 实验系统及参数

5．3．2 实验结果分析

5．4 本章小结

结论与展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果