网侧变流器谐波分析

1、1 内容要求1.1题目网侧变流器谐波分析1.2摘要与关键词1.2.1摘要：研究了网侧变流器谐波的产生的原因，谐波特点，谐波抑制方法。分析了两电平及三电平4象限变流器的主电路拓扑及控制策略。利用双边傅立叶级数法，给出了两种4象限变流器网侧电流的谐波公式，总结了谐波分布规律。编制了CRH2和CRH5型动车组4象限变流器的仿真软件，研究了不同牵引和制动功率下，网侧电流的THD及各次谐波电流大小，验证了理论分析的正确性。Summary：Research network converter harmonic generation of reason, characteristic harmonic, h

2、armonics suppression methods. Analysis of two-level and three-level 4 quadrant converter main circuit topology and control strategies. Using bilateral Fourier series method, gives two side current harmonics 4 quadrant converter network formula, summed up the harmonic distribution. Preparation of CRH

3、2 and CRH5 EMU 4 quadrant converter simulation software, studied under different traction and braking power, net current THD and harmonics of current size, and verifies the correctness of the theoretical analysis.1.2.2关键词：谐波分析；脉宽调制；电感设计；交流传动；4象限变流器；双边傅立叶变换；仿真；Key words: harmonic analysis, pulse-widt

4、h modulation; inductor design AC drives; 4 quadrant converter bilateral Fourier transform; simulation;1.3正文1.3.1绪论交流传动课程设计是交流传动课程重要的实践性教学环节，是对我们学生学习交流传动技术的综合性训练，这种训练是通过我们独立进行某一个课题的分析、设计和仿真来完成的 通过交流课程传动的课程设计要求我们：根据给定的题目，自己搜集相关资料，并运用所学过的关于电力电子和交流传动的知识内容，对网侧变流器谐波的产生的原因，谐波特点，谐波抑制方法进行分析，并做出相关的仿真。 通过查阅手册和

5、文献资料，培养我们独立分析问题和解决实际问题的能力。了解几种常见网侧变流器以及其谐波特点，谐波抑制方法，学会电路的仿真设计技能，掌握电路的测试方法及制作方法。 学会撰写课程设计总结报告，培养我们严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。 1.3.2设计主体1.3.2.1谐波产生原因从结构来看，变频器可分为间接变频和直接变频两大类。间接变频将工频电流通过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流变换成可控频率的交流。直接变频器则将工频交流变换成可控频率的交流，没有中间的直流环节。它的每一相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路。正反两组按一定周期相互切换，在负荷上就获得了交变输出的电压U0,U0的幅值

6、决定于各整流装置的控制角，频率决定于两组整流装置的切换频率。目前应用较多的还是间接变频器。间接变频有三种不同的结构形式：（1）用可控整流器变压，用逆变器变频，调压和调频分别是在两个环节上进行，两者要在控制电路上协调配合。（2）用不控整流器整流斩波器变压、逆变器变频，这种变频器整流环节用斩波器，用脉宽调压（3）用不控整流器整流，PWM逆变器同时变频，这种变频器只有采用可控关断的全控式器件（如IGBT等）输出波形才会非常逼真的正弦波。无论是哪一种的变频器，都大量使用了晶闸管等非线性电力电子元件，不管采用哪种整流方式，变频器从电网中吸取能量的方式均不是连续的正弦波，而是以脉动的断续方式向电网索取电流

7、，这种脉动电流和电网的沿路阻抗共同形成脉动电压降叠加在电网的电压上，使电压发生畸变，经傅里叶分析可知，这种非同期正弦波电流是由于频率相同的基波和频率大于基波频率的谐波组成。单脉冲整流器谐波分布理论分析对于单个脉冲整流器来说，其控制方式采用双闭环控制。电压外环采用PI控制器使得实际的直流侧电压Ud跟踪直流侧电压给定值Ud，从而保持直流侧电压稳定。电流内环主要使实际的网侧电流in跟踪给定的网侧电流in实现单位功率运行。in的幅值和频率通过PI电压外环控制器和锁相环(PLL)得到。由此分析，在电压外环PI控制器中，由于实际直流侧电压有2次纹波，则其输出in的幅值表达式也含有2倍电网频率的分量，将其与

8、锁相环采样得到的与电网同频率的正弦信号相乘，得到网侧电流的给定值i。，其中必然含有3次谐波，实际网侧电流跟踪给定的网侧电流，则最终实际网侧电流i。就含有较大3次谐波。与上述分析相同，i。中的3次谐波通过整流器后，必然会导致网侧电流i。含有5次谐波，依次类推，从理论分析上可以得出，网侧电流中3，5，7，9，11 等奇次谐波含量较大。该型动车组脉冲整流器的开关频率为1 250 Hz，则载波比N一125050-25。由于采用单极性SPWM调制，三角载波与正弦调制波相比较来产生PWM驱动信号，其具有对称性，则网侧电流含有的偶次谐波含量较低，主要以奇次谐波为主。由于开关频率远远大于调制波频率，则在一个开

9、关周期内，可以认为调制信号为一恒定量。网侧电流在一个开关周内变化为5次，则可以认为网侧电流含有两倍开关频率左右的谐波，由上分析，电流只含有奇次谐波，则高次谐波主要分布在：2N1、2N3、2N5等谐波。由于载波比N一25，则高次谐波主要分布在43，45，47，49，51，53，55次等。图1为一个三电平脉冲整流器的网侧电流谐波特性仿真结果，系统的开关频率为1 250 Hz。由于可以看出低次谐波主要分布在3，5，7，9次，高次谐波主要分布在两倍开关频率左右的43，45，47，49，51，53，55次，验证了上述分析的正确性。多重化整流器的载波移相分析在电力牵引交流传动系统中，由于大功率的开关器件开

10、关频率较低，为了提高系统的容量和减小网侧输入电流的谐波含量，通常脉冲整流器采用多重化技术。多重化技术的原理是通过变压器耦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而成。对于多重化脉冲整流器的调制，采用载波移相技术，其原理是各单元整流器采用共同的调制波，将各单元整流器的三角载波相位相互依次错开一个相同的相位角丌N7(N7为整流器的单元数)，然后利用PWM技术中的波形生成方式和载波移相技术中的移相叠加得到阶状波，这样做的好处是可以使脉冲整流器输入电流的高次谐波互相错开，并在变压器一次侧电流的谐波总量中使部分谐波相互抵消心。由于同一列动车组不同整流器问的三角载波互相错开90。，多台整流器

11、的输入电流高次谐波的峰顶和峰谷正好错开，使电流的高次谐波相互抵消一部分，在变压器一次侧可以得到更接近正弦波的电流波形。实际上，所抵消高次谐波的频率分布在两倍开关频率左右。图2和图3分别为牵引变压器二次侧两个绕组的电流频谱分布的定性仿真结果。图4为牵引变压器一次侧电流的频谱分布仿真结果。仿真结果证明，通过载波移相技术能够很好的消除一次侧电流分布在两倍开关频率左右的高次谐波，即相当于提高系统两倍的等效开关频率。4象限变流器原理21 两电平4象限变流器原理CRH1，3和5型动车组以及HXD1，2，3型电力机车的整流部分采用的是两电平4象限变流器，其主电路如图1所示。图1中，UN为牵引变压器二次侧电压

12、，Ua为直流侧电压，LN和RN分别为二次侧等效电感和电阻，cd为直流侧支撑电容，L0和C0构成二次滤波回路。S1S4为可关断电力半导体开关器件，由它们构成的桥式逆变器能将中间储能回路或者负载端的能量逆变为交流；D1D4为功率二极管，由它们构成桥式整流，能将电网的交流电能变为直流，采用一定的控制策略对s1s4进行导通与关断控制，可以在4象限变流器的输入端，即口6端生成一个与电网同步，基波相位和幅值均可调节的脉宽调制波，记为Ud。CRH2型动车组的整流部分采用的是二极管钳位式三电平4象限变流器，其主电路如图2所示。三电平变流器的直流端存在C1和C2两个支撑电容，其主电路采用8个主开关管(S1a，S

13、2a，S3a，S4a，S1b，S2b，S3b，S4b)和4个钳位二极管(D1D4)，每个开关管承受的电压为直流侧电压的一半，钳位二极管的作用是把桥臂上与其相连接的点上的电压钳位到零(直流电压中点的电位)，并防止C1(或C2)工作时短路。PWM原理两电平4象限变流器常采用双极性倍频PWM控制，原理如图3所示，两个反相的正弦调制波和一个三角载波进行比较，得到的脉冲信号分别用来控制口和b桥功率管的开关。图4所示为三电平4象限变流器采用的反相载波层叠的调制方法，三角载波包含反相的正向载波和负向载波。依据a相调制波ua(开关管S1a，S2a，S3a，S4a所在桥的电压指令)与a相两载波的大小关系，生成三

14、电平PWM信号SA的+1，0，-1。b相调制波Ub与a相 相差180度相位。为减少谐波含量，b相载波与a相载波相差180度相位。4象限变流器谐波分析根据上述PWM的调制原理，可利用双边傅立叶级数法对4象限变流器进行谐波分析。双边傅立叶分析方法可以用两种不同频率的三角函数来表示满足条件的实值函数f(t)，其表达式如下：ft=12A00+n=1A0ncosnY+B0nsinnY+n=1Am0cosmX+Bm0sinmX+m=1n=1Amncos(mX+nY)+BmnsinmX+nYAmn+jBmn=122-ejmX+nYdXdY式中：X，Y分别为两种不同的频率下随时间t变化的函数。两电平4象限变流

15、器谐波分析根据图3所示的两电平4象限变流器调制方式，通过计算式(6)中的积分可得到式(5)中的各个系数A00，A0n，B0n，Am0，Bm0，Amn，Bmn，从而推导出两电平4象限变流器单相电压的表达式。图1中a，b两点相对于直流中点的电压表达式如下： uat=12Ud+12MUdcosmt+-m=12Udmsinm2J0mM2cosmct+ma-m=1n=-2Udmsinm-n2JnmM2cosnmt+mct+n+m 7ubt=12Ud-12MUdcosmt+-m=12Udmsinm2J0mM2cosmct+ma-m=1n=-2Udmsinm-n2JnmM2cosnmt+mct+n+m 8则

16、图1中输入电压Us可由式(7)、式(8)相减而得，三电平4象限变流器谐波分析同理可得到三电平4象限变流器交流电压的表达式，图2中a，b两点相对于直流中点的电压表达式如下：两式相减可得电压Us的表达式为：对比式(9)和式(12)可知，同样条件下，两电平与三电平变流器交流电压的谐波次数相同，但各次谐波幅值不同。4象限变流器谐波电流分析图5为4象限变流器交流侧的等效电路，有在实际应用中电阻RN相对于电感感抗来说很小，对输入电流谐波的影响也很小，为了计算简便，下述讨论中将其忽略。考虑到4象限变流器输入端功率因数为1，即有输入电流的基波分量与输入电压“N同相位，将式(9)代入式(13)，计算可得两电平4

17、象限变流器输入电流的表达式为：同理可得三电平四象限变流器输入电流的表达式为：4象限变流器处于牵引工况下，式(14)、式(15)-中基波电流取“+”；处于制动工况下，式(14)、式(15)中基波电流取“一”。对比式(14)、式(15)可知，在同样的开关频率下，两电平和三电平4象限变流器输入电流的谐波分布次数相同，但相同次数的谐波电流的幅值是不同的，与相应的贝塞尔函数值有关。通过计算可知，相同条件下三电平4象限变流器输入电流的THD要小于两电平4象限变流器。4 仿真结果本文针对CRH5型和CRH2型动车组两种车型，采用Mat lab软件编制了4象限变流器的仿真程序。41动车组CRH5的仿真动车组C

18、RH5采用两电平4象限变流器进行“交一直”变换，载波频率为250 Hz。对牵引和制动工况下的4象限变流器进行仿真，牵引变压器二次侧的电压和电流波形如图6所示，牵引时电压与电流同相位，制动时电压与电流反相，保证了高功率因数。在满负荷550 kW的牵引工况下，4象限变流器网侧电流频谱如图7所示。从图7中可以看出，该变流器的谐波分布在2，4，6倍的载波频率附近，与式(14)的分析结果一致。其中7，9，11，13次谐波含量较高。图8给出了CRH5动车组两电平4象限变流器网侧电流的THD值及主要谐波的幅值随功率变化的趋势，输出功率为负时表示制动工况。其中，图8a为仿真结果，图8b为理论计算结果，二者基本相符。可见，当功率发生变化时，4象限变流器网侧电流的THD会随之发生变动，功率的绝对值越小，则电流THD值越大。注入到牵引网的各次谐波电流幅值也会随功率变化而变化，但是变化范围不大。动车组CRH2的仿真仿真及试验条件CRH2型动车组网侧变流器相关参数如下：电源额定电压1 500 V50 Hz，额定电流857 A，直流电压3 000V开关频率为1 250Hz。变压器短路阻抗21 4(等效电感12mH)，直流支撑电容为8mF，无二次谐振回路。动车组采用4动4拖编组，4节动车的网侧变流器构