(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001)

高速動(dòng)車組三電平PWM變流器控制策略的研究

劉紅兵

(湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412001)

本文以CRH2型高速動(dòng)車組多電平牽引變流器為研究對象，將單相四象限變流器的瞬間電流控制策略和PWM控制方法相結(jié)合，提出了三電平逆變器空間矢量脈寬調(diào)制控制策略。通過Matlab/Simulink仿真平臺(tái)來研究三電平牽引變流器在不同操作條件下的穩(wěn)定性能，旨在驗(yàn)證該控制策略的正確性。

高速動(dòng)車組；三電平；變流器；控制策略

1 引言

電力牽引變流器是高速動(dòng)車組交流傳動(dòng)系統(tǒng)的核心技術(shù)和重要裝置。為此，需要對高速動(dòng)車組牽引變流器、牽引傳動(dòng)系統(tǒng)及其部件進(jìn)行深入的研究，摸索牽引傳動(dòng)系統(tǒng)與其配套的部件之間的邏輯關(guān)系，弄清楚與之相關(guān)的部件與零件之間的功能結(jié)構(gòu)關(guān)系，熟悉高速動(dòng)車組牽引變流器、牽引傳動(dòng)系統(tǒng)及其部件之間的匹配條件和優(yōu)化準(zhǔn)則，以便于確定高速動(dòng)車組牽引變流器、牽引傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和制造要求。從而為交流傳動(dòng)系統(tǒng)和變流器、異步牽引電機(jī)、變流器控制等部件進(jìn)行仿真和試驗(yàn)研究。深入研究上述這些變流器、異步牽引電機(jī)、變流器控制等核心部件的原理結(jié)構(gòu)，對其數(shù)學(xué)模型的仿真試驗(yàn)，為高速動(dòng)車組的優(yōu)化改善、試驗(yàn)測試以及運(yùn)營管理提供了切實(shí)可行的現(xiàn)實(shí)意義。

2 牽引變流器的數(shù)學(xué)模型

牽引三電平中點(diǎn)電壓平衡變流器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，在不考慮開關(guān)造成的各種影響的情況下，三電平電路的各橋臂的三種輸出狀態(tài)(分別是p狀態(tài)、o狀態(tài)、n狀態(tài))簡化成如圖2所示的單刀三投的開關(guān)模型。

圖1 三電平中點(diǎn)電壓平衡變流器基本拓?fù)?/p>

可以用變量Sij代表各相橋臂的拓?fù)錉顟B(tài)，定義如下：

圖2 三電平電路的開關(guān)模型

對于某一相來說，任何時(shí)刻觸點(diǎn)連接狀態(tài)只有一種，所以有：

(1)

因此，三相電壓輸出和正負(fù)直流母線及中點(diǎn)電壓之間的關(guān)系就可以表達(dá)為：

定義開關(guān)函數(shù)矩陣:

則：

[uaoubouco]T=S·[upoumouno]T

(2)

其中：

(3)

而

(4)

3 三電平變流器的控制策略

不管利用什么方式進(jìn)行控制，在變流器電流輸入時(shí)的影響都是取決于信號電壓，并且因?yàn)檫@個(gè)原因，脈沖寬度變化決定了變流器工作原理。也就是三電平變流器中交流電流調(diào)配和輸入電流形成的同時(shí)是能夠表示輸入電壓的，所以這讓交流輸入功率的數(shù)值成為1、-1。在這個(gè)基礎(chǔ)上，就可對輸入電流進(jìn)行控制，同時(shí)也可把輸入電流看作是反饋、控制電流。如圖3所示的這種控制策略的優(yōu)點(diǎn)主要在于結(jié)構(gòu)簡單、控制成本低、電路簡單、易實(shí)現(xiàn)、靜態(tài)特性好。

圖3 三電平變流器控制策略

4 三電平牽引變流器的仿真

三電平變流器系統(tǒng)的模型參數(shù)：1500V的交流側(cè)電壓，二次側(cè)變壓器漏感抗LN為2mH，RN為0.01Ω，直流側(cè)支撐電容Cd1和Cd2為直流側(cè)支撐電容，其值均為4mF；L2為二次濾波電感，值為0.84mH；C2為二次濾波電容，其值為3mF；1000Hz的開關(guān)頻率。牽引電機(jī)額定參數(shù)：功率：300kW;電壓：2000V;電流：106A;頻率：140Hz;轉(zhuǎn)差：1.4%;轉(zhuǎn)速：4140rpm;效率：94%;功率因數(shù)：86%。

當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，圖4表示直流側(cè)電壓波形。由圖可知，在直流側(cè)電壓穩(wěn)定狀態(tài)下，入端電壓和入端電流有著相同的相位，而且只要增加負(fù)載，不高于50ms可以穩(wěn)定在2500V。

圖4 負(fù)載增加時(shí)直流側(cè)電壓波形

圖5表示900ms狀態(tài)下再次去掉20Ω負(fù)載的仿真結(jié)果。而且在50ms時(shí)直流側(cè)電壓趨于穩(wěn)定值。

圖5 負(fù)載減小時(shí)直流側(cè)電壓波形

負(fù)載忽減、忽增狀況下，具備網(wǎng)側(cè)電流依然趨于正弦而且系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能很好，即為動(dòng)態(tài)仿真實(shí)驗(yàn)。在試驗(yàn)開始階段應(yīng)該先充電直流環(huán)節(jié)，使得直流側(cè)電壓的值穩(wěn)定于設(shè)計(jì)的2500V，此時(shí)的電壓波動(dòng)較小。

5 結(jié)論

本文將單相四象限變流器的瞬間電流控制策略和PWM控制方法相結(jié)合，提出了一種三電平逆變器空間矢量脈寬調(diào)制控制策略。通過仿真，在負(fù)載忽減、忽增狀況下，得到了直流側(cè)輸出電壓波形。仿真結(jié)果表明，采用空間矢量脈寬調(diào)制控制策略的變流器獲得了良好性能。

ResearchontheControlStrategyofThreeLevelPWMConverterforHighSpeedTrain

LIUHong-bing

(Huan Railway College of Vocational Techuology,Zhuzhou 412001,China)

Based onthe CRH2 EMU group multilevel traction converter as the research object,single phase four quadrant converter instantaneous current control strategy and the control method of PWM combined,three level inverter space vector pulse width modulation control strategy is proposed.Through the Matlab/Simulink simulation platform to study the stability of the three level traction converter under different operating conditions,the purpose is to verify the correctness of the control strategy.

high speed train set;three level;converter;control strategy

1004-289X(2017)02-0077-03

TM46

B

2016-02-26