大功率交直交牽引變流器相關問題研究.pdf

1、隨著大功率、高開關頻率、模塊化、智能化的新型電力電子器件的不斷出現,以及計算機和現代控制技術的迅速發(fā)展,牽引變流器技術水平得到不斷提高。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、輕質量、高可靠性、低成本方向發(fā)展。
　　順應牽引變流器系統(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)功率密度兩方面進行課題的研究。
　　機車牽引系統(tǒng)以實現電機的高性能

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

3、復雜,當系統(tǒng)存在多個敏感參數時,需要一一辨識,計算量大,對控制芯片的運算能力要求高。因此,引入自抗擾技術(Active Disturbance Rejection Control, ADRC),將參數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)擴張到原系統(tǒng)中,對其進行觀測,從而增強了系統(tǒng)的確定性和線性度。仿真結果表明,該觀測器具有較好的參數抑制能力和較高的穩(wěn)態(tài)精度。
　　機車牽引系統(tǒng)常采用單相電網供電,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,進而導致直流母線電壓產生二次脈動。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)體積和質量、降低了系統(tǒng)的功率密度。為此,本文研究了軟件法(調制比補償)

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量。
　　本文結合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、電流矢量和電磁轉矩的特性。指出定子電壓矢量和電流矢量存在100Hz的負序分量,進而引起轉矩出現相應的100Hz脈動,同時在定子繞組上產生差頻電流。為消除電機轉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預測的前饋補償方案,根據沖量等效原理對變頻器調制比進行

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

7、蹤。提出從功率密度和控制帶寬兩方面對電路參數進行設計。仿真和實驗證明該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單電容儲能型APF拓撲。針對APF運行時由于指令誤差造成的功率補償失配問題,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)補償方案。分析了該APF和整流器各橋臂調制比之間的約束關系,并以此作為電路參數設計的依據之一。仿真和實驗與理論分析