大功率交直交牽引變流器相關(guān)問題研究.pdf

1、隨著大功率、高開關(guān)頻率、模塊化、智能化的新型電力電子器件的不斷出現(xiàn),以及計算機(jī)和現(xiàn)代控制技術(shù)的迅速發(fā)展,牽引變流器技術(shù)水平得到不斷提高。各國的新型高速列車所采用的牽引變流器系統(tǒng),逐漸向大功率、小體積、輕質(zhì)量、高可靠性、低成本方向發(fā)展。
　　順應(yīng)牽引變流器系統(tǒng)的發(fā)展趨勢,本文從采用無速度傳感器技術(shù)替代測速裝置降低成本、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和減小直流母線濾波電容提高系統(tǒng)功率密度兩方面進(jìn)行課題的研究。
　　機(jī)車牽引系統(tǒng)以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的高性能

2、控制為主要目標(biāo),其轉(zhuǎn)速信息是必不可少的。速度傳感器的安裝增加了電機(jī)的體積、重量和成本,降低了系統(tǒng)的可靠性。為此,本文在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)差頻率矢量控制的基礎(chǔ)上對轉(zhuǎn)子磁鏈的閉環(huán)觀測和速度估算進(jìn)行研究。轉(zhuǎn)子磁鏈觀測是矢量控制和無速度傳感器技術(shù)的關(guān)鍵。采用轉(zhuǎn)子磁鏈的全階自適應(yīng)觀測器對其進(jìn)行閉環(huán)觀測。為消除參數(shù)變化對觀測結(jié)果的影響,需要對電機(jī)參數(shù),特別是對轉(zhuǎn)子電阻進(jìn)行在線辨識,實(shí)時調(diào)整觀測器模型,從而保證觀測器的穩(wěn)定和觀測精度。但尋找參數(shù)辨識的自適應(yīng)律較為

3、復(fù)雜,當(dāng)系統(tǒng)存在多個敏感參數(shù)時,需要一一辨識,計算量大,對控制芯片的運(yùn)算能力要求高。因此,引入自抗擾技術(shù)(Active Disturbance Rejection Control, ADRC),將參數(shù)變化和外部未知干擾統(tǒng)一看成系統(tǒng)的總擾動,并將其作為一個狀態(tài)擴(kuò)張到原系統(tǒng)中,對其進(jìn)行觀測,從而增強(qiáng)了系統(tǒng)的確定性和線性度。仿真結(jié)果表明,該觀測器具有較好的參數(shù)抑制能力和較高的穩(wěn)態(tài)精度。
　　機(jī)車牽引系統(tǒng)常采用單相電網(wǎng)供電,由單相整流器向

4、變頻器提供直流電壓。系統(tǒng)不可避免存在二次脈動功率,進(jìn)而導(dǎo)致直流母線電壓產(chǎn)生二次脈動。為消除直流母線電壓脈動,一般采用大電容或LC電路對二次脈動功率進(jìn)行解耦。用于功率解耦的大容量電容,一般為電解電容,其使用壽命較短,降低了系統(tǒng)的可靠性。LC電路的濾波頻率單一并對頻率偏移敏感。同時由于諧振頻率為100Hz,因此LC電路的電感值和電容值不可能很小。無源濾波器的使用增加了系統(tǒng)體積和質(zhì)量、降低了系統(tǒng)的功率密度。為此,本文研究了軟件法(調(diào)制比補(bǔ)償)

5、和硬件法(有源濾波器,APF)兩大類方案,用以減小直流母線無源濾波裝置的體積和質(zhì)量。
　　本文結(jié)合s變換和z變換,分析了直流母線電壓存在二次脈動時定子電壓矢量、電流矢量和電磁轉(zhuǎn)矩的特性。指出定子電壓矢量和電流矢量存在100Hz的負(fù)序分量,進(jìn)而引起轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)相應(yīng)的100Hz脈動,同時在定子繞組上產(chǎn)生差頻電流。為消除電機(jī)轉(zhuǎn)矩的低頻脈動和定子繞組的差頻電流,采用一種基于直流母線電壓重復(fù)預(yù)測的前饋補(bǔ)償方案,根據(jù)沖量等效原理對變頻器調(diào)制比進(jìn)行

6、修正,有效抑制了定子電流的差頻分量,降低了電磁轉(zhuǎn)矩的二次脈動。
　　為徹底消除直流母線電壓的二次脈動,本文對APF進(jìn)行了重點(diǎn)研究。比較了多種電路拓?fù)?指出電感儲能型APF在低開關(guān)頻率工況下儲能效率不高,因此對于機(jī)車牽引等高壓大功率系統(tǒng)應(yīng)選擇電容儲能型APF進(jìn)行功率解耦,抑制直流母線電壓脈動?；谝环N直流側(cè)Buck型電容儲能的APF拓?fù)?提出了一種重復(fù)加電容電壓、電容電流的雙閉環(huán)控制方案,實(shí)現(xiàn)了低開關(guān)頻率下APF電容電壓指令的準(zhǔn)確跟

7、蹤。提出從功率密度和控制帶寬兩方面對電路參數(shù)進(jìn)行設(shè)計。仿真和實(shí)驗(yàn)證明該APF方案具有較好的直流母線電壓脈動抑制效果。
　　為進(jìn)一步減小系統(tǒng)帶寬對APF功率解耦控制的限制,本文提出了一種交流側(cè)單電容儲能型APF拓?fù)?。針對APF運(yùn)行時由于指令誤差造成的功率補(bǔ)償失配問題,提出了一種直流母線脈動電壓d、q解耦的電容電壓指令閉環(huán)補(bǔ)償方案。分析了該APF和整流器各橋臂調(diào)制比之間的約束關(guān)系,并以此作為電路參數(shù)設(shè)計的依據(jù)之一。仿真和實(shí)驗(yàn)與理論分析