城轨车辆三相四桥臂辅助逆变器研究

摘要

随着城市轨道交通以及电力电子技术的迅猛发展，对列车辅助逆变电源系统的性能要求日益提高。采用三维空间矢量(3D-SVM)调制的三相四桥臂逆变器因其小体积、简单结构、高直流电压利用率和良好的不平衡负载处理能力等优势，很适合应用在城轨车辆辅助供电系统。本文以轨道交通车辆应用为目标对三相四桥臂城轨辅助逆变电源系统进行深入研究。
　　论文首先对目前城轨辅助逆变电源系统应用广泛的主电路拓扑结构进行分析，比较各种结构的优点与不足，从而确定所研究辅助逆变电源系统的拓扑类型。归纳总结了三相四桥臂逆变器的发展历程以及目前的应用情况。对当前流行的逆变器调制策略——正弦脉宽和电压空间矢量脉宽调制分析比较，确定了本文重点研究的调制方法为三维空间矢量调制。
　　接着，基于相量和坐标变换相关理论，推导了四桥臂逆变器拓扑的数学模型，分析三相逆变器不平衡的产生机理并提出控制思路。重点分析了旋转坐标变换的电压电流双闭环PI控制策略原理，采用双坐标变换实现正、负、零序电压分离，电流前馈解耦提高系统动态性能。讨论了静止两相坐标系的准比例谐振(PR)控制。系统分析了静止坐标系三维空间矢量调制的原理和具体实现方法。
　　根据设计要求对辅助逆变系统主电路及滤波电路进行设计，讨论分析了参数设计过程及方法，结合理论分析搭建仿真模型并通过Matlab/Simulink仿真平台进行闭环仿真，验证模型的正确性以及算法的有效性。文章阐述了所设计的数字控制系统的功能模块组成，详细介绍了FPGA+DSP为核心的系统控制板和外围采样调理电路及保护电路。分别从硬件和软件两个方面介绍了系统的设计过程。
　　最后，搭建了35kVA的城轨列车辅助逆变电源系统平台，采用双旋转坐标系电压电流双闭环PI控制策略和三维电压空间矢量调制方法进行FPGA软件设计，在满载不平衡负载、半载不平衡负载、以及突变负载情况下分别进行闭环控制实验，实验结果证明了系统设计的正确性以及控制策略的有效性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景与意义

1．2 城轨辅助逆变器研究现状

1．2．1 城轨辅助逆变系统拓扑结构分类

1．2．2 辅助逆变系统逆变环节拓扑结构

1．3 三相四桥臂逆变器研究现状

1．4 本文主要研究内容

第2章 三相四桥臂逆变器的控制方法分析

2．1 三相四桥臂逆变器数学模型

2．1．1 坐标变换基础

2．1．2 三相四桥臂逆变器a-b-c坐标系数学模型

2．1．3 三相四桥臂逆变器d-q-0坐标系数学模型

2．1．4 三相逆变系统不平衡原理分析

2．2 三相四桥臂逆变器控制方法

2．2．1 逆变器控制方法概述

2．2．2 旋转坐标系双闭环PI控制

2．2．3 静止坐标系准比例谐振控制

2．3 基于a-b-c坐标系三维空间矢量调制

2．3．1 三维空间矢量概念

2．3．2 基于a-b-c坐标系下开关矢量定义

3．3．3 空间矢量合成与开关矢量选择

3．3．4 三相四桥臂空间矢量作用时间的计算

3．3．5 开关矢量作用顺序

2．4 本章小结

第3章 辅助逆变器系统参数设计与仿真分析

3．1 主电路参数设计

3．1．1 功率开关管的选型

3．1．2 滤波器参数的设计

3．2 调制算法Matlab实现

3．3 控制系统模型建立与仿真分析

3．3．1 PI双闭环控制仿真

3．3．2 准PR控制仿真

3．4 本章小结

第4章 辅助逆变器系统软硬件设计

4．1 系统组成及其主要功能

4．2 采样调理电路设计

4．3 故障保护电路设计

4．4 FPGA子系统设计

4．4．1 功能分析

4．4．2 FPGA的硬件电路设计

4．4．3 FPGA的软件设计

4．5 DSP子系统设计

4．5．1 DSP的硬件设计

4．5．2 DSP的软件设计

4．6 本章小结

第5章 实验分析

5．1 满载不平衡实验

5．2 半载不平衡实验

5．3 突变负载实验

5．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研情况