高速动车组三电平PWM变流器控制策略的研究

2017-10-24

电气开关 2017年2期

(湖南铁道职业技术学院，湖南株洲 412001)

刘红兵

(湖南铁道职业技术学院，湖南株洲 412001)

本文以CRH2型高速动车组多电平牵引变流器为研究对象，将单相四象限变流器的瞬间电流控制策略和PWM控制方法相结合，提出了三电平逆变器空间矢量脉宽调制控制策略。通过Matlab/Simulink仿真平台来研究三电平牵引变流器在不同操作条件下的稳定性能，旨在验证该控制策略的正确性。

高速动车组；三电平；变流器；控制策略

1 引言

电力牵引变流器是高速动车组交流传动系统的核心技术和重要装置。为此，需要对高速动车组牵引变流器、牵引传动系统及其部件进行深入的研究，摸索牵引传动系统与其配套的部件之间的逻辑关系，弄清楚与之相关的部件与零件之间的功能结构关系，熟悉高速动车组牵引变流器、牵引传动系统及其部件之间的匹配条件和优化准则，以便于确定高速动车组牵引变流器、牵引传动系统的设计和制造要求。从而为交流传动系统和变流器、异步牵引电机、变流器控制等部件进行仿真和试验研究。深入研究上述这些变流器、异步牵引电机、变流器控制等核心部件的原理结构，对其数学模型的仿真试验，为高速动车组的优化改善、试验测试以及运营管理提供了切实可行的现实意义。

2 牵引变流器的数学模型

牵引三电平中点电压平衡变流器的基本拓扑结构如图1所示，在不考虑开关造成的各种影响的情况下，三电平电路的各桥臂的三种输出状态(分别是p状态、o状态、n状态)简化成如图2所示的单刀三投的开关模型。

图1 三电平中点电压平衡变流器基本拓扑

可以用变量Sij代表各相桥臂的拓扑状态，定义如下：

图2 三电平电路的开关模型

对于某一相来说，任何时刻触点连接状态只有一种，所以有：

(1)

因此，三相电压输出和正负直流母线及中点电压之间的关系就可以表达为：

定义开关函数矩阵:

则：

[uaoubouco]T=S·[upoumouno]T

(2)

其中：

(3)

而

(4)

3 三电平变流器的控制策略

不管利用什么方式进行控制，在变流器电流输入时的影响都是取决于信号电压，并且因为这个原因，脉冲宽度变化决定了变流器工作原理。也就是三电平变流器中交流电流调配和输入电流形成的同时是能够表示输入电压的，所以这让交流输入功率的数值成为1、-1。在这个基础上，就可对输入电流进行控制，同时也可把输入电流看作是反馈、控制电流。如图3所示的这种控制策略的优点主要在于结构简单、控制成本低、电路简单、易实现、静态特性好。

图3 三电平变流器控制策略

4 三电平牵引变流器的仿真

三电平变流器系统的模型参数：1500V的交流侧电压，二次侧变压器漏感抗LN为2mH，RN为0.01Ω，直流侧支撑电容Cd1和Cd2为直流侧支撑电容，其值均为4mF；L2为二次滤波电感，值为0.84mH；C2为二次滤波电容，其值为3mF；1000Hz的开关频率。牵引电机额定参数：功率：300kW;电压：2000V;电流：106A;频率：140Hz;转差：1.4%;转速：4140rpm;效率：94%;功率因数：86%。

当负载增加时，图4表示直流侧电压波形。由图可知，在直流侧电压稳定状态下，入端电压和入端电流有着相同的相位，而且只要增加负载，不高于50ms可以稳定在2500V。

图4 负载增加时直流侧电压波形

图5表示900ms状态下再次去掉20Ω负载的仿真结果。而且在50ms时直流侧电压趋于稳定值。

图5 负载减小时直流侧电压波形

负载忽减、忽增状况下，具备网侧电流依然趋于正弦而且系统动态性能很好，即为动态仿真实验。在试验开始阶段应该先充电直流环节，使得直流侧电压的值稳定于设计的2500V，此时的电压波动较小。

5 结论

本文将单相四象限变流器的瞬间电流控制策略和PWM控制方法相结合，提出了一种三电平逆变器空间矢量脉宽调制控制策略。通过仿真，在负载忽减、忽增状况下，得到了直流侧输出电压波形。仿真结果表明，采用空间矢量脉宽调制控制策略的变流器获得了良好性能。

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

2016-02-26