【摘 要】
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城市轨道交通通常采用12或24脉波二极管整流供电,二极管整流结构简单、安全可靠且效率高,但能量只能单向流动,因此车辆频繁制动过程中产生的能量需要额外增加电阻、储能、能馈变流器等装置吸收。双向变流器实现了能量的双向流动,成为了取代城轨二极管整流牵引供电的方向之一。本文依托企业委托项目“地铁双向变流器”,提出一种新型的PWM双向变流器,并从调制算法和控制算法两方面展开研究。其一、数学模型分析。针对双向
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城市轨道交通通常采用12或24脉波二极管整流供电,二极管整流结构简单、安全可靠且效率高,但能量只能单向流动,因此车辆频繁制动过程中产生的能量需要额外增加电阻、储能、能馈变流器等装置吸收。双向变流器实现了能量的双向流动,成为了取代城轨二极管整流牵引供电的方向之一。本文依托企业委托项目“地铁双向变流器”,提出一种新型的PWM双向变流器,并从调制算法和控制算法两方面展开研究。其一、数学模型分析。针对双向变流器三相两电平主电路拓扑结构,建立了abc、αβ、dq三种坐标系下的时域和s域数学模型,并对应建立了三种坐标系下的瞬时功率模型。明确了变流器各物理量间的关系,同时看到dq坐标系下可以将工频交流量转化为直流量,便于采用经典控制理论对控制器进行设计,也是后续控制器选用的坐标系。其二、调制策略研究。双向变流器容量通常都是兆瓦级的,开关频率有限,因此选用SHEPWM和CHMWPM调制算法。从两种调制算法的原理出发并借助Matlab进行低开关频率下（<1kHz）开关角的求解和谐波分析。利用三绕组移相变压器副边绕组可以抵消6k±1（k∈奇数）次谐波的特点,提出了间隔消除谐波的SHEPWM。分析对比了SHEPWM、SVPWM和SPWM的电压利用率和开关损耗,定量计算出在550Hz开关频率下SHEPWM大约可以减少17%的开关损耗。其三、控制策略研究。选用经典的电压电流双闭环及交流电网电压前馈、电感交叉解耦等控制方法,对电压环和电流环PI参数进行整定,在电流内环加入了功率前馈控制,提高了系统的动态响应速度。针对两台双向变流器并联运行,采用负载平均电流前馈控制,使得直流侧电流不均衡度仅为0.42%。最后,在7.5MW地铁双向变流器互馈实验平台上,对调制算法和控制算法进行了验证,750Hz的开关频率下,额定电流运行时,35kV侧电流谐波为4.6%<5%,变流器效率为98.7%>98%,均满足了设计要求。
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