CRH2型电传动课程设计.doc

II西南交通大学本科生课程设计摘 要 整流器作为电力机车电源侧变流器，是整个交流牵引传动系统的重要组成部分。采用二极管不控整流或者半导体晶闸管相控阵整流都会对电网造成污染，而且整流出的直流脉动较大，谐波含量较多，对电机造成不良影响，而且不能实现能量的双向流动，制动时造成能量的浪费。但是采用以全控型器件组成的PWM脉冲整流器可以获得近似单位功率因数，低谐波污染并且能实现能量的双向流动，拥有更好的应用前景。 本课程设计回顾了我国铁路的发展史，论述了牵引传动技术发展和电力电子器件发展的关系；分析了以CRH1和CRH2为原型的两电平和三电平整流器的工作原理和和开关工作模式，构建了基于拓扑电路的数学模型；采用瞬态直接电流控制和预测直接电流控制两种不同的控制策略，分析比较了二者控制的区别和控制的性能。本文在MATLAB/Simulink仿真环境下建立了各种控制策略的双闭环仿真模型，进行了对比仿真实验，对仿真结果进行了分析，并得出相关结论。 关键词： 牵引传动；PWM整流器；控制策略；MATLAB仿真 目 录第1章 牵引传动11.1 我国铁路发展史11.2 电力电子器件与电力牵引传动2第2章 四象限脉冲整流器52.1 概述52.2 两电平脉冲整流器拓扑结构及工作原理72.3 三电平脉冲整流器拓扑结构及工作原理92.4 四象限脉冲整流器控制策略11第3章 CRH2型机车的谐波及抑制技术153.1 概述153.2 CRH2型电力机车二次侧滤波153.3 三电平脉冲整流器中点电位平衡策略163.4 移相多重化技术17第4章 基于MATLAB的控制策略仿真194.1基于CRH1型机车两电平控制仿真194.1.1 基于瞬态直接电流控制仿真194.1.2 基于预测直接电流控制仿真214.2 基于CRH2型机车三电平控制仿真244.2.1 基于瞬态直接电流控制仿真244.2.2 瞬态直接电流控制的二重化仿真274.3 仿真结果分析29总 结30参考文献31 33西南交通大学本科生课程设计第1章 牵引传动1.1 我国铁路发展史 世界上大多数国家的铁路仍然是客运和货运兼顾的常规铁路，高速铁路、重载铁路和常规铁路虽然基本形式相同，但在技术方面，包括机车和车辆、线路和轨道以及列车的编组和运行都各不相同。因此，各国铁路根据各自的具体情况，采取不同的技术修建或改造本国的铁路。铁路运输的这些发展，成为铁路新发展时期的突出特点。 中国的铁路发展已有一百多年的历史，在这一百多年中，中国铁路与时俱进，不断地消化吸收先进的铁路技术，再创新推出新的技术，因而，我国也在世界铁路领域取得了举世瞩目的成就，成为世界铁路先进技术的代表性国家。 中国的第一条铁路是由英国怡和洋行组织修建的吴淞铁路。线路全长14.5km，轨距762mm，机车重量仅15吨，运行速度为每小时2432公里，于1876年正式通车。虽然这是中国的第一条铁路，但依然不是中国人自己组织修建的铁路，而由中国人自己组织修建的第一条铁路是唐山至胥各庄铁路，线路全长10km，轨距为1435mm，于1881年11月8日正式通车。从唐胥铁路到1949年中华人民共和国成立这60多年间，中国铁路里程达到了21810公里。 新中国成立以后，以1950年7月1日成渝铁路开工为起点，我国铁路网规模不断扩大，到2009年底，总营业里程已达到8.6万公里。1952年，我国自己生产蒸汽机车，一直到1988年9月停止新造，36年间内共制造了9600台蒸汽机车。到2005年底，我国蒸汽机车完成其历史使命，全部退出正线运输生产。早年间，我国铁路机车多采用蒸汽机车，不仅效率低，而且列车速度也比较低，很难满足日益增长的运输需求，此时，牵引动力的改革势在必行。因而，我国牵引动力改革在1958年开始规划、设计施工和试生产机车，在1961年8月，我国第一条电气化铁路（宝鸡凤州段）开通，从1965年起，开始批量生产内燃机车。 随着国外高速铁路的兴建，电力机车逐步取代了内燃机车，成为牵引领域新的主角。我国牵引电力机车最开始采用的交直传动的方式，共经历了3个发展阶段。第一阶段从1958年至70年代末，经历了一个漫长的起步期；第二阶段从20世纪70年代末到80年代中期，是电力机车发展的成长期。这个阶段发展的主要目标是研制我国自己的相控机车，提高机车功率，充分发挥电力机车的优越性。这时期的代表机型是韶山3型和韶山4型电力机车；第三阶段始于80年代后期8K、6K、8G等国外电力机车技术引进之后。这个阶段可称为电力机车发展的还代期，即从相控车到多段相控。随着我国经济的不断发展，铁路交通运输水平已经成为滞后经济发展的一个重要因素，在此种背景下，铁道部提出按照“全面引进技术、联合设计生产，打造中国品牌”的原则，引进国外高速铁路技术，打造属于中国自己的品牌，在此情况下，中国的高速动车组应运而生，正式登上了中国铁路的大舞台。 在“八五”期间，我国以德国高速列车作为蓝本进行消化吸收和研制实践，通过比较论证世界各国高速列车技术，最终确定了我国高速列车上的发展模式。“九五”期间，铁道部立项对法国万向轴是高速动力车，以及日本动力分散型高速动车组技术进行了跟踪研究，研制了目标速度为每小时300公里的万向轴高速动力转向架和运营速度为每小时200公里的动车组。1996年6月，我国首列采用交直传动的时速为200公里的高速电动车组研制成功，并于同年10月1日投入在广深线运营。随后，我国铁道部组织有关铁路局通过招标采购，与国外高速列车生产公司通过合作方式，消化吸收技术，逐步研制了具有中国知识产权的和谐号动车组，其时速高达300多公里。在2010年12月3日，由中国自行研制的“和谐号”380A新一代高速动车组最高时速达到486.1公里，成为世界铁路领域第一运营速度，震惊了世界。至2020年底，中国已投入运营的高速铁路营业里程达到了7531公里，居世界第一位，现在，中国每天开行的动车组有1000多列，运送旅客约百万人次。另根据中长期铁路网规划，到2020年，中国铁路营业里程将达到12万公里以上1-2。尽管我国高速动车组发展迅速，全国各地也在兴建高速铁路，但就目前而言，我国牵引动力仍以交直传动为主，但可以预见的是在不久的将来，交直交传动所占比重将迅速扩大，成为新世纪铁路牵引领域新的领军人物。1.2 电力电子器件与电力牵引传动 牵引传动装置的构成离不开器件，没有先进的器件，也就不会有先进的传动装置应用于机车车辆，在没有发明电力电子器件之前的蒸汽机时代，用蒸汽机和连杆机构实现简单的机械牵引传动，机车运动振动大，效率低，内燃机发明以后，就产生了内燃机与机械传动，液力变扭器等组成的以机械传动为生的内燃机车传动方式，它虽比蒸汽机车有了很大的进步，但是液力传动机械的加工精度要求很高、传动效率较低、传动功率不大，到了电气时代，由电传动装置代替了液力变扭器，这在机械复杂性和效率方面取得了很大的进步，由此产生了电传动内燃机车，并且出现了用点力接触网供电的牵引电动机驱动的机车车辆。这些牵引方式的不断更新换代，与元器件的创新是密不可分的，而随着牵引传动技术的不断发展，也对器件提出了新的更高的要求，从而也促进了元器件的发展，因而，牵引传动的发展与电力电子器件的发展是相互促进，相互依存的关系。电力牵引传动以牵引电机为控制对象，通过开环或者闭环控制系统对牵引电机的牵引力和速度进行控制调节，以满足车辆牵引和制动特性的要求，从而实现对各类交通运输工具的运行控制。电力牵引传动与内燃机车、蒸汽机车的动力牵引传动方式相比，因其从电力接触网取电能，具有不受动力设备容量的限制，所以，牵引功率可以达到很大，牵引能力有较大的提高，而且发电系统的效率较高不污染环境，因此现代化国家均以电力牵引为主体。而电力牵引传动却经历了一个十分漫长的发展过程3。第一代交直传动机车是采用引燃管实现整流的，此种方法是把地面的直流供电系统搬到了机车之上，采用单相工频交流供电，通过机车上的受流装置，向机车供给交流电。机车通过变压装置和由引燃管组成整流装置将交流电转坏为直流电，驱动直流电机工作，这是牵引变电所从直流供电向交流供电的转化的巨大飞跃。但由于引燃管电真空器件制造难度大和使用不可靠，容易发生故障，所以几乎未得到大的发展，而我国由于器件的制造水平相对较低，因此在刚开始使用引燃管的时候，差不多就进入到后来居上的硅半导体器件时代。60年代初，硅半导体整流器发展迅速，以其可靠性高，寿命长、冷却简单串并联任意组合等优点显示了强大的生命力，我国的电力机车也逐步采用此类型的电力电子器件，SS1型131号机车就使用了此套整流装置，其性能得到了很大的提高。二极管整流器之所以能很好的取代了引燃管，其主要原因是硅二极管整流装置重量轻、体积小、效率高、可选择理想的牵引电机电压等，因而可以说，电力电子器件的不断发展，对整流装置的进步起到了决定性作用，同时，也对电气传动装置水平的提高起到了巨大的推动作用。70年代晶闸管横空出世，打破了硅半导体二极管整流器的一枝独秀的局面，成为当时交直传动机车上新一代电力电子器件；80年代其技术已达到十分成熟的阶段，应用领域也不断扩大，正式成为那个阶段代表性的电子器件。晶闸管属于电流半控型器件，三个端子，其中一个是控制端，另两个是阴极和阳极两个端子，晶闸管一旦导通，控制极就失去作用，当主回路电流减小到接近于零，晶闸管才能被关断。利用晶闸管可以使交流整流器机车由开关调压方式提升到相位控制调压方式，使交直传动进入相控调压这一比较先进的传动方式。相控机车与调压开关机车相比，无需多级的调压开关，因而也就减小了由于触头开关产生电弧发生故障的概率，且其通过改变相控触发角的大小，使得输出电压幅值连续，不会发生跳跃式的变化，而且相对于调压开关机车，相控机车的动态响应更快，维修量也较小。随后，为了提高功率因数，减少谐波，采用了多段半空桥技术和电容补偿等方式，而随着微机技术的发展，也促进了相控电力机车从模拟控制发展到微机数字控制，微机可以作特性计算和逻辑处理，扩大控制功能，还可以监测和显示故障，存储数据，进行保护，控制的自动化程度高，因此，微机技术的发展也为此时的相控机车锦上添花，交直牵引传动相控机车进入了完善和成熟的阶段。 迄今为止，全国仍有一定量的相控交直传动电力机车在铁路上驰骋。20世纪70年代出现了世界范围内的“能源危机”。交直型相控机车虽然具有相应快速、启动转矩较大，以及调速性能优越等优点，但是功率因数不高，谐波干扰较大，制动时不能回收回馈的能量，造成了能量的浪费，这些因素也制约了直流牵引的进一步发展。相较于直流电机，交流电机结构简单，工作可靠、维修量小单位功率质量小、转变发电容易，但交流电机的调速一直是阻碍其进入牵引领域一大缺点，但随着PWM调制技术的成熟，交流电机能够轻易地实现变频调速，因而，交流电机逐步成为牵引电机的首选。而其中的关键技术在于将整流以后的直流电逆变为三相交流电驱动电机，于是，在20世纪70年代80年代，能胜任这种情况的大功率电力电子器件GTO得到大力发展和应用。变频逆变器对电压幅值和频率均要调节，和晶闸管过零时自然关断不同，需要设置频率可变的关断电源来强迫换相。可关断晶闸管GTO既能导通控制也能关断控制，属于全控型器件，非常适合于PWM的变频逆变电路，相较于普通的晶闸管，可关断GTO有如下几个明显的优点：1）具有自关断能力，无需换流关断装置，简化了设备，使得设备质量大大减小，成本降低；2）GTO工作频率较高，有较宽的调频范围虽然开关损耗增加，但是却避免了过电压，杂散电感小，总损耗并不大； 3）GTO因可以工作在大电压和大电流电路中，因此在大容量变流设备中优势明显。 正因为如此，GTO在各个变频调速、直流斩波等领域得到迅速推广，在直直地铁动车和直-交干线机车上，DC斩波器和三相逆变器结合起来，实现了直交的电力牵引。 可关断晶闸管的优势虽然明显，但是也有其不可忽视的缺点，首先，其关断增益较小，所需门极驱动电流较大；其次，为了限制电压的变化率和关断损耗需要设置专门的缓冲电路，这也增加了一定的损耗，而且需要快速恢复二极管、无感电阻、无感电容等器件。在这种情况下，发展具有更优性能的电力电子器件势在必行。90年代中期，电力电子器件实现了第三次重大突破，具有大电流、高电压、低损耗、体积小、保护好、易触发等众多优异性能的IGBT出现在了人们的面前。绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是电力MOSFET工艺技术开发出的一种新器件，与MOSFET的结构非常的相似，经历了几次更新换代，IGBT的功耗比最初减少了许多，其价格也低于GTO，因而国外认为GTO的应用还有五年时间，在未来35年内IGBT的生产量和应用份额将逐年上涨，以至最后大部分取代GTO。目前，高速、重载电力机车普遍采用IGBT器件，这也使得牵引变流器能够实现小型化、高效化、轻量化、低噪化的目标。智能功率模块（IPM）是以IGBT技术为基础的电力电子开关，由高速低功耗的管芯和优化的门极驱动电路以及快速保护电路构成，其优点如下： 1）高可靠性； 2）低损耗； 3）低噪音、低振动； 4）具有检测监控功能； 5）小型化、维修量少； 6）IPM为绝缘栅极，模块基块绝缘与散热器安装无需再绝缘。IPM是IGBT的完善和补充和延伸，加入前级驱动和本身的自保护功能，使用IPM比使用IGBT更简单、更可靠。在现在全球经济的情形下，IPM将朝着更高集成度、更加小型化、多功能方向发展。目前，众多高性能的器件还在研发之中，这些高性能器件为交流传动领域不断地注入新鲜的血液，使得交流传动始终处于高速发展之中。我国通过消化吸收外国先进技术，自行研制的具有自主知识产权的和谐号动车组就是在这种环境中应运而生的，和谐号动车组有高速客运专列（CRH系列）和大功率货运电力机车（HXD系列）等几种形式的电力机车，其全部采用的是交直交的牵引传动系统，其不仅具有优良的牵引性能、动态性能、而且还具有粘着利用好、电网功率因数高、谐波干扰小等优点，因而，可以预见，交直交传动必将成为未来电力牵引领域的主导力量4-6。近半个世纪以来，电力电子器件不断发展，产品种类繁多，性能不断优化，从只能通过调压或者相控的直流牵引机车，到可关断晶闸管GTO的调频调压大功率三相交流传动机车，再到如今的高性能IGBT全控型器件的使用，以及集成化、模块化的IPM的应用，进一步推动了电力牵引传动的发展。每一种新器件的诞生，都会推动牵引传动领域向前迈进一步，这也不断地激励研发者去开发出更高性能的电力电子器件。新器件集成度更高、性能更优越、但制造难度也更大，投资也更大，但在电传动应用领域中，合理的应用这些高性能的器件，将会得到很大的回报，因此，只有电力电子器件的发展，才能进一步推动电力牵引的发展。第2章 四象限脉冲整流器2.1 概述 近年来，随着越来越多的非线性负载的使用，供电质量变得越来越差，电网的谐波污染和无功问题日益严重；而随着各种用电设备或单元的数字化、信息化和多样化发展，需要的电源种类、等级和质量要求不断提高。因此，对电能进行高质量的转化刻不容缓。传统相控整流器，虽然应用的时间较长，技术也比较的成熟，应用也较广泛，但仍然存在以下问题4-5： 1）晶闸管换相引起网侧电压波形畸变； 2）网侧谐波电流对电网产生谐波“污染”； 3）深控时，网侧功率因数太低； 4）闭环控制时，动态响应相对较慢。虽然二极管整流器在一定程度上改善了整流器网侧的功率因数，但是仍会产生网侧谐波电流而“污染”电网；另外，二极管整流器的不足之处还在于其直流电压的不可控性。针对相控和不控整流电路的不足，用全控型功率开关管取代半控型或不控型器件，以四象限变流器（PWM）取代传统的相控整流器或不控整流器，其优点相当明显： 1）网侧电流为正弦波； 2）网侧功率因数可控，以致达到单位功率因数； 3）电能课实现双向传输； 4）动态控制响应较快。经过几十年的研究和发展，PWM整流器已日趋成熟。其主电路已从早期的半控型器件桥路发展到全控型器件桥路，拓扑结构已从单相、三相电路发展到多相结合及多电平拓扑结构；PWM开关控制由单纯的硬开关调制发展到软开关调制；功率因数等级从千瓦级发展到兆瓦级。由于PWM整流器实现了网侧电流正弦化、单位功率因数运行、能量双向传输等优良特性，使其控制技术和应用领域获得了进一步的发展和拓宽。PWM高频整流器应用领域按其功率等级大致分为三个主要部分： 1）中小功率应用主要体现在生产精度高、动态响应快的ACDC电源，应用场合主要解决功率因数和波形质量问题，实现功率因数校正。 2）中大功率应用体现在交直流电气传动领域。3）大功率应用体现在交、直流输电系统中。除此之外，PWM还广泛应用于有源电力滤波、无功补偿、统一潮流控制器、再生能源的并网发电等场合，但与传统的相控整流器相比，这种电路的缺点就是成本较高，控制也很复杂，但是在需要频繁可逆，快速制动的场合，应用价值得以充分的体现。因此，PWM整流电路在电力机车牵引传动场合应用也较多。交流传动电力机车、高速电动车组中所用牵引变流器主要由四象限脉冲整流器和牵引逆变器组成，脉冲整流器是交流传动系统一个十分重要的组成部分。它的结构形式及控制方式，对于提高电网功率因数、降低电网电流谐波含量、稳定中间直流回路电压以及保证电机侧电压型逆变器的正常工作有着决定性的影响。随着电力电子技术和控制技术的迅速发展，目前牵引变流器均采用PWM控制技术。目前我国生产的CRH系列高速动车组和HXD系列大功率交流传动电力机车的牵引变流器均采用PWM整流器，其拓扑结构分为两电平和三电平两大类：两电平拓扑结构的脉冲整流器存在开关器件所承受的电压应力较大的缺点；三电平拓扑结构的脉冲整流器具有开关器件所承受的电压应力低、容量大、成本低等特点，而且能产生5个电平的线电压，在相同的开关频率及控制方式下，其输出电压和电流中的谐波含量都会远小于传统的两电平整流器，但其主电路及控制系统也较之两电平更加的复杂6。自20世纪90年代以来，PWM整流器一直是学术界关注和研究的热点。经过几十年的研究与发展，PWM整流器技术己经日趋成熟。主电路已从早期半控型器件桥路发展到如今的全控型器件桥路;主电路拓扑从单相、三相电路发展到多相组合及多电平结构;PWM开关控制已由单纯的硬开关调制发展到软开关调制；功率等级也已从千瓦级发展到兆瓦级。在中大功率场合特别是需要能量双向流动的场合中，PWM整流电路具有非常广泛的应用前景。IGBT等新型电力半导体开关器件的出现和PWM控制技术的发展，极大的促进了PWM整流电路的发展，电压型、电流型这两种主电路拓扑在工业领域都取得了成功的应用。而对于PWM整流电路的研究，仍是电力电子研究领域的一个热点，就目前而言，PWM整流器的研究主要在两个大的方面7-8： 1）主电路的拓扑结构 就PWM整流器拓扑结构而言，可分为电流型和电压型两大类，其中电压型PWM整流器应用较广。对于不同的功率等级以及不同的用途，整流器拓扑结构研究的侧重点不同。在小功率场合，PWM整流器拓扑结构的研究集中在减少功率开关和改进直流输出性能上。对于大功率PWM整流器，其拓扑结构的研究主要集中在多电平、变流器组合以及软开关技术上，也有针对特定问题对基本拓扑结构作改进的研究。按照对输出波形的改善方式，可分为两电平PWM整流器、多重叠加PWM整流器、多电平PWM整流器。两电平电路拓扑结构比较简单，但为了获得大功率只能依靠器件的串并联来实现，这将会带来开关器件的静态均压、动态均压、均流等一系列问题，电路可靠性不高，且由于输出只有两个电平，电压波动大，谐波含量高，电磁干扰问题严重。为避免上述问题，对电路拓扑进行改造，使得在当前开关器件的耐压水平下获得更高的电压输出，提出了多电平电路拓扑。1977年，德国学者Holtz最早提出了一种形式的三电平电路，后来由日本学者A. Nabae加以发展，于20世纪80年代提出了二极管箱位三电平逆变方案，并逐渐应用到整流领域。随后出现了各种不同的主电路结构，如电容箝位PWM整流器、开关管箝位PWM整流器以及级联型PWM整流器等。PWM整流器的多重化技术就是将正弦脉宽调制技术与整流器的多重化相结合，通过变压器藕合的方式将多个相同结构的整流单元按串联或并联的方式组合，然后利用PWM技术中的波形生成方式和多重化技术中的移相叠加得到阶梯波，改善输出波形，而且重数越多，对波形的改善效果越好。当然，重数越多，需要的电力电子器件也会相应的增加，控制也变得更复杂，因此，从技术、经济的指标全面衡量后做出重数抉择，显得十分重要。 2）电压型PWM整流器的电流控制为了使电压型PWM整流器网侧呈现受控电流源特性，其网侧电流控制策略的研究显得十分重要，一般采用电压外环和电流内环相结合的双闭环控制方式。脉冲整流器常用的电流控制策略主要分为两类:一类是由J. W. Dixonh和B. T. 0o i提出的间接电流控制策略，实际上就是所谓的“幅相电流控制”，即通过控制整流器的输入端电压，使其和网侧电压保持一定的幅值和相位，进而间接控制其网侧电流。该控制比较简单，一般无需电流反馈控制，但是网侧电流的动态响应慢，对系统参数变化灵敏，动态过程中电流存在直流偏置，因而常用于对动态响应要求不高且控制结构要求简单的场合，己逐步被直接电流控制策略取代。直接电流控制以快速电流反馈控制为特征，可以获得较高品质的电流响应，成为现在研究的热点，先后出现了不同的控制方案，主要包括以快速电流跟踪为特征的滞环电流控制，以及以固定开关频率为特征，采用三角波调制方式的瞬态电流控制和预测电流控制等。为了提高电压利用率并减少谐波，基于空间矢量的PWM控制在电压型PWM整流器中取得了广泛的应用。目前，电压型PWM整流器网侧电流控制有将固定开关频率、滞环及空间矢量控制相结合的趋势，以使其在大功率有源滤波等需要快速电流响应场合获得优越的性能。除此之外，根据现代控制理论还提出很多其它优化控制，如滑模变结构控制模糊控制等，对算法进行优化，均能在不增加电路复杂度的条件下提高输出动态响应速度，并确保输入电流畸变在规定范围内;得到接近1的功率因数，而且不需要复杂的系统辨识，可根据某一优化性能指标设计控制系统，提高系统性能。PWM整流器性能优越，在未来一段时间里，仍将成为电力电子领域研究的重点。2.2 两电平脉冲整流器拓扑结构及工作原理通过消化吸收国外先进的高铁技术，我国已研发并生产出具有自主知识产权的动力分散型交流传动动车组，而其中的CRH1、CRH5动车组均是采用了两电平全桥型整流电路，下面对其拓扑结构和工作原理进行分析和研究。单相两电平脉冲整流器主电路如图2-1所示6，和分别是牵引绕组漏电感和电阻，其中漏电感起到传递和存储能量及抑制高次谐波的作用；、开关管组成一个全桥电路，、组成了一个二次滤波器，用于滤除电网的2次谐波分量；为中间直流侧支撑电容，起到抑制高次谐波并减少直流电压纹波的作用。为了研究的方便，将开关器件视为理想的开关器件，定义理想开关函数、从而得等效电路图如2-2所示： 图2-1 两电平脉冲整流器主电路 图2-2 两电平脉冲整流器开关等效图定义开关函数： (2-1a) (2-1b) 由于上桥臂与下桥臂不能够出现直通，则与、与不能同时导通和关断，驱动信号应该互补。PWM整流器网侧输入端电压取值有0、-1、1三种电平，有效的开关组合有=4种，即 =00，01，10，11四种逻辑，则PWM整流器输入端电压有如下关系： (2-2) 所以，根据式（2-2），系统的瞬时等效值电路如图2-3所示： 图2-3 瞬时等值电路 由图2-3可见，通过不同的控制方法适当调节的大小和相位，就能控制输入电流的相位以控制系统功率因数;同时控制输入电流的大小以控制传入功率变换的能量，也就控制了直流侧输出电压。因此，通常采用电压外环和电流内环相结合的双闭环控制方式。 此等值电路的电压矢量平衡方程为: （2-3） 对应于四个开关的不同组合，电路共有三种工作模式： 工作模式l: =00或11，即下桥臂开关或上桥臂开关全部导通，则此时=0，电容向负载供电，直流电压通过负载形成回路释放能量，直流电压下降，因此，为了保证直流侧电压的稳定，工作模式1的导通时间比较短，这也是在空间电压矢量调制中，两个零矢量的作用时间要比其他六个矢量的作用时间短的原因。另一方面，网侧电压二两端电压直接加在电感上，对电感充、放电。此时对应的电压矢量平衡方程如下(忽略等效电阻的影响): （2-4） 工作模式2: =01，等效电路如图2-4 ( a)所示， 则 0，电流流向与电流的参考方向相反，因此对电感充电储能，电感电流上升，可以看出，当网侧电压 0，可以维持原来的恒定状态。此时对应的电压矢量平衡方程如下: （2-5） 工作模式3: =10，等效电路如图2-4 ( b)所示，则 0，储存在电感中的能量向负载和电容释放，电感电流下降，一方面给电容充电，使得直流电压上升，保证直流电压稳定，同时高次谐波电流通过电容形成低阻抗回路;另一方面给负载提供恒定的电流。此时对应的电压矢量平衡方程如下: （2-6） 图2-4（a） 时瞬时电路 图2-4（b） 时瞬时电路 在任意时刻，PWM整流器只能工作在上述三种模式中的一种状态下，在不同的时区，通过对上述3种开关模式的切换，保持直流侧负载电压的稳定和负载电流1。的双向流动，也即实现能量的双向流通。由图2-1所示主电路结构可知，网侧串入一电感元件形成Boost电路的拓扑结构，使得直流侧输出电压大于网侧电压峰值。 无论是处于牵引工况还是再生制动工况，各自被分为6种开关状态，一共有12种开关状态，每种开关状态的能量转换关系是互不相同的。2.3 三电平脉冲整流器拓扑结构及工作原理 我国引进的CRH2型电力机车采用的三电平PWM脉冲整流器，相较于两电平而言，三电平的电力电子器件更多。三电平二极管箱位PWM整流器拓扑如图2-5所示6，它采用8个功率开关器件构成两组对称的桥臂。每一桥臂有4个开关管，其中直接连到正负直流母线上的2个开关管称之为主开关管，中间的2个开关管称之为辅助开关管。两组桥臂各带2个箝位二极管，以防止电容或因开关操作而发生直通。直流侧支撑电容由2个同样的电容串联组成，这样就可以提供一个中性点，连接到中性点上的2个箝位二极管可以把PWM整流器的电压箱位到中性点电位，因此该整流器也称为中点箝位PWM整流器(NPC）其中，二为网侧漏感，为网侧等效电阻，相较于漏抗的大小，可以忽略不计，为负载电阻。图2-5 三电平二极管箝位PWM整流拓扑图为了便于分析电路，首先根据开关管不同的工作状态，定义电路的三种工作状态:1态、0态、-1态(假设两电容上的电压相等)，以左半桥为例:图2-6 三电平二极管箝位PWM整流左半桥工作图 为便于分析和研究，故也同两电平一样定义理想开关函数如下： （2-7a） （2-7b） 根据式(2-7)可将主电路等效为图2-7所示开关等效电路：图2-7 三电平二极管箝位PWM整流器开关图 由开关等效电路可知，每组桥臂可以等效为一个开关，该开关具有1, 0,-1三种等效状态，两组桥臂有32=9种)下关组合，主电路有9种工作模式。开关状态及相应的电压值如表2-1所示。 工作模式0:( )=（1，1），开关管 导通，整流器交流侧被短路，网侧输入电压等于0，电容通过直流侧负载放电，网侧电流的大小随网侧电压的变化而增大或减小。工作模式l:( )=(1，0)，开关管 导通，网侧输入电压等于，网侧漏感电压等于-。电容上的电压被正向(或反向)电流充电(或放电)，电容通过直流侧负载放电。 工作模式2:( )=（1，-1）开关管 导通，网侧输入电压等于，电容及充电(或放电)，由于网侧漏感电压反向，电流逐渐减小。工作模式3:( )=（0，1），开关管 导通，网侧输入电压等于-，网侧漏感电压等于+，电容被正向(或反向)电流充电(或放电)。电容通过负载电流放电。 工作模式4:( )=（0，0），开关管导通，输入端电压为0，电容，通过直流侧负载放电，网侧电流的大小随网侧电压的变化而增加或减小。工作模式5: ( )=（0，-1），开关管导通，网侧输入电压为-，正向(或反向)电流对电容充电(或放电)，电容通过负载放电。工作模式6: ( ) =（-1，1），开关管导通，等于-，正向(或反向)电流对两个电容，充电(或放电)，由于网侧漏感电压正向，网侧电流将逐渐增加。工作模式7: ( )=(-1，0)，开关管导通，网侧输入电压为-，正向(或反向)电流对电容充电(或放电)，电容通过负载放电。工作模式8:( )=(-1，-1)，开关管导通，输入端电压为0，网侧漏感电压等于，两个电容，均通过负载电流放电。电流根据电压的变化而增加(或减小)。Mode1100100011u1u1001100011010u10u11110001111-1u1-u2u1+u2201101000010u1-u1301100110000004011001110-10-u2u2500111000-11-u2u1-(u1+u2)600110110-10-u20-u2700110111-1-1-u2-u208表2-2 PWM整流器的工作状态 根据以上拓扑图及原理的分析，三电平整流器与两电平整流器相比，具有的优点：1）每个功率器件所承受的电压应力只有两电平的一半，对器件的耐压要求降低。 2）在相同的开关频率及控制方式下，电平数增加，网侧电流正弦性更好。 3）输出地波形阶梯增多，各级间的幅值变化降低，使得更加接近正弦；电压脉动小，输出波形的谐波含量减少。同时，三电平结构的整流器也有一些不足之处： 1）电容均压问题，当三电平主电路任意相出现零电平时，外电路对直流电容中点注入或抽取电流，造成中点电位偏移，使得输出波形谐波含量加大，严重时，可能损坏器件。 2）需要较多的箝位二极管，且主电路和控制都相对复杂，成本较高。很明显，当采用更多电平的的整流电路时，输出波形的谐波含量会进一步减少，若要消除同样的谐波，两电平采用PWM控制所需要的开关频率更高，开关损耗更大，而三电平整流电路只需要较小的开关频率，因此损耗较小，效率较高。2.4 四象限脉冲整流器控制策略脉冲整流器（PWM）分为电压型和电流型变流器，交流传动电力机车和动车组采用的是电压型变流器。由于脉冲整流器在机车运行中起到能量变换和传输的作用，因此，如何控制PWM变流器使其满足特定的要求显得尤为关键9。对PWM变流器的控制必须达到两个目的：其一，保持中间回路直流电压在允许的偏差范围之内；其二，使变压器一次侧的功率因数接近于1（牵引）或-1（制动），即使输入电流为正弦波，且和电压同相位或者反相位。这也就要求其中的基波分量的位移因数和电流波形的畸变系数必须达到最佳的数值5。目前，对PWM整流电路控制方法的研究集中在输出直流电压控制、输出交流电流控制和PWM变流器开关逻辑控制3个方面。 1）直流电压控制 直流电压控制的目的是在于使PWM整流器电路的输出直流电压随给定指令变化，达到稳定直流输出电压或调节输出电压的目的。运用反馈控制的原理，将直流电压的采样反馈值与给定的参考值比较，其差值作为交流电流的幅值给定。目前，采用较多的是微机快速实时处理实现电压控制器的调节算法。图28 电压控制环节 2）交流电流控制控制PWM整流电路的另一目的是使输入电流波形接近于正弦并与输入的电网电压同相位，从获得单位功率因数。根据是否选取瞬态输入交流电流作为反馈控制量，PWM整流电路的控制分为间接电流控制和直接电流控制两种，没有引入电流反馈的称为间接电流控制，引入输入电流反馈的称为直接电流控制，下面对这两种控制方法分别进行分析研究。 间接电流控制间接电流控制也成为幅值和相位控制。这种方法依据系统低频稳态数学模型，反应稳定状态下的电压平衡关系，整流运行和逆变运行分别如图29（a）和29（b）的矢量图关系来调节变流器桥臂中点PWM斩控电压的幅值和相位，以达到控制输入电流的目的，其控制系统的结构如图210所示。此控制系统的外环是整流器直流侧输出电压控制环，直流给定信号和实际直流电压信号比较后送入PI调节器，PI调节器的输出为一直流电流指令信号，稳态时，=，的幅值应与整流器交流输入电流的的幅值成正比，亦和整流器负载电流的大小相对应。通过输出信号与三角载波信号的比较产生开关控制逻辑信号，控制PWM整流桥的桥臂开关管，以达到需要的控制效果。 图29a 整流运行矢量图 图29b 逆变运行矢量图 图210 间接电流控制系统结构图电压环稳定输出电压的调节过程是：当负载电流增大时，直流侧电容的C放电而使其电压下降，PI调节器的输入端出现正偏差，使其输出增大，使其整流器的交流输入电流增大，也使其直流侧电压回升；达到稳态时，PI调节器输入恢复到0，而则稳定在新的较大值，于较大的负载电流和较大的交流电流相对应。当负载电流减小时，上升，PI调节器的输入端出现负的偏差，下降，交流输入电流下降，也是直流侧电压下降。当整流器从整流运行变为逆变运行时，首先是负载电流反向而向直流侧电容C充电，使升高，PI调节器出现负的偏差，其输出减小后变为负值，使得交流输入电流相位与电压相位相反，实现-1的逆变运行。间接电流控制具有开关机理清晰、不需要电流传感器、控制成本低、静态特性好的优点。但也有相当大的缺陷：一是桥壁中点电压向量的幅值和相位两个闭环响应速度差别较大，因此造成系统的动态性能不够好；二是从稳态向量关系出发进行电流控制，其前提条件是电网电压不发生畸变，但由于电网内阻、非线性负载的存在，电网电压波形必然会有畸变，因而直接导致控制效果不够好；三是由于交流电流不作为直接的反馈控制量，系统自身缺乏限流功能，需要设置专门的限流保护电路。 直接电流控制正是基于间接电流控制效果不够好的原因，现在PWM控制多采用直接电流控制的方式，我国电力牵引交流传动机车和动车组就是PWM直接电流控制的典型应用。直接电流控制的主要特点在于引入电流控制环对电流进行闭环控制，使其系统动态特性能明显改善。直接电流控制一般采用的是双闭环控制，即电流内环和电压外环的控制方式，器动态性能好，控制精度高，是目前应用最广泛，最实用的控制方式。直接电流控制有滞环电流控制、同步PI电流控制、瞬态电流控制和预测电流控制等，下面着重介绍应用较多的瞬态电流和预测电流控制两种控制方式。 a 瞬态电流控制 瞬态电流控制和间接电流控制比较相似，不同之处在于调制电压信号中引入了网侧电流反馈而成为直接电流控制。图2-11所示为瞬态电流控制原理图，具体公式如式(2-8)。图2-11 瞬态直接电流控制原理图 （2-8） 其中，、为PI调节器的参数，为比例放大系数，和分别为中间直流环节的实际电压与实际电流，为中间直流侧电压给定值，间直流环节的实际电压与实际电流，、分别为网侧电压、电流瞬时值，为网侧电压有效值，为网侧电流的给定值，为网侧电压的角频率。 在（2-8）中，的表达式由三项组成，前两项是PWM稳态工作时的KVL关系，通常情况下， 所占比例较小，若控制时忽略，对控制的影响不大；而为了使系统具有更好的动态响应，对系统的参数变化能很快作出调整，故而引入；为了减轻中间直流环节电压PI调节器的负荷，改善PI调节器动态响应，用中间直流输出功率除以二次牵引绕组电压有效值来计算给定电流的有效分量并将它和相加，共同作为网侧电流的给定值。 b 预测电流控制由于电流采样周期及PWM控制延时的存在，使PWM整流器的电流控制存在滞后情况，这将影响电流跟踪控制的动态性能。由于电流控制的最小延时至少需要一个PWM开关周期，因此预测电流控制的思想就是经过一个PWM开关周期，使实际网侧电流与指令电流相等。即在任一PWM开关周期内，电流必须满足： （2-9）忽略网侧等效电阻的大小，其控制数学表达式为： （2-10） 其中和为PI调节器参数，为中间直流侧电压给定值，是网侧电流给定值，为网侧电流角频率。预测电流控制图如2-12所示：2-12 预测直接电流控制图 c 开关逻辑控制 按照被控变流器或系统的预期性能，经过严密的思考和逻辑运算所得到的控制信号，最终得到转化为变流器开关管的PWM驱动信号，其核心技术是开关逻辑控制。第3章 CRH2型机车的谐波及抑制技术3.1 概述由上一章的研究分析可知，CRH2型电力机车的主电路拓扑结构为三电平的桥式整流电路，其脉冲整流器输入端电压具有、/2、0、-/2、-五种电平，即三电平脉冲整流器是用具有五个电平的脉冲信号来等效一个正弦信号，从而引入了低次谐波； 当采用载波形式来产生PWM驱动信号时，由于载波频率远高于调制波的频率，故而引入了高次谐波。谐波的产生，会对电网造成污染，相同频率的谐波电压和谐波电流产生同次谐波有功功率和无功功率，从而降低电网电压，增加下路损耗，浪费电网容量；谐波注入电网时容易造成变电站电压电容过电流和过负荷；还会影响设备的稳定性，尤其是继电保护装置；最后，谐波还会明显的影响异步电机的效率，造成更多的损耗；除此之外，对弱电通信设备也会有很明显的干扰。因此，抑制并滤除PWM整流器产生的谐波成为电力机车绿色化运行的关键6。3.2 CRH2型电力机车二次侧滤波 对于CRH2型机车，假设=0，并且基波的功率因数等于1，且脉冲整流器没有损耗也不储能，因此得功率平衡关系。 交流电源提供的瞬时功率为： （31）其中一个为恒定分量，另外一个为两倍于电网频率的脉动交流分量。 变压器漏抗上的瞬时无功功率为： （32）脉冲整流器输入瞬时功率为： （33） 由于假设脉冲整流器没有损耗也不储能，故，故得： （34） 此式表明了脉冲整流起得输出电流包含了两个重要的分量：一个直流分量和一个两倍于供电频率的交流分量。很明显，在整流的过程中，产生了二倍于电源频率的谐波电流，因此需要在电压型脉冲整流起得中间直流回路中引入两倍于电网频率的LC串联谐振电路，我国引进的CRH2电力机车一般都未加入二次滤波环节，因为三电平的脉冲整流器引入的谐波含量较少，故而对系统的影响也减小，但是我国自主研发的CRH2型电力机车却是采用了二次滤波环节的。其作用之一是对两倍网频调谐，滤除二次谐波分量；作用之二是与漏抗进行功率交换，降低电源瞬时功率的脉动分量，因而对系统的优化起到了显著地效果。在选择串联谐振电路的电感和电容时，除了考虑很大的谐振电流可能在电容上产生过电压的危险外，还需兼顾电