三电平电力牵引变流器网侧谐波抑制优化控制方法研究

In the operation of high-speed train, harmonics generated by high-speed train may cause detrimental effects on traction power grid and the other locomotive loads under the same grid, which lead to the electromagnetic interference to the railway communication. To guarantee the safe operation of high speed railway, the harmonic optimization algorithm remains to be discussed deeply. Aiming to reduce and optimize the harmonic current of the traction power grid, the project focus on the optimized single phase three-level PWM modulation and control theory for three-level traction converter of high speed trains with low switch frequency and fluctuating DC-link voltage. The main contents include: the mechanism and distribution characteristics of the line current harmonics with different PWM modulation algorithms is derived firstly, and the unified mathematical description model of the single phase three-level PWM modulations is established. On basis of this model, the optimization algorithm of single-phase three-level PWM modulation considering neutral-point voltage balance and the line current harmonics suppression and the optimization control method for rectifier which is used to reduce the effect of fluctuating DC link voltage on the line current harmonics are analyzed in detail. Finally, the validity and effectiveness of the proposed scheme are verified in computer simulation, hardware-in-the-loop(HIL) experiment and prototype experiment.

在高速列车运营过程中，高速列车作为谐波激励源，其谐波不但会污染牵引供电网，还会给铁路通信带来电磁干扰，从而给同一供电线路下的其他车辆正常运营带来安全隐患。为了保障高速铁路安全运营，高速列车的谐波优化问题有待深入研究。本课题重点以高速列车三电平电力牵引变流器为研究对象，以优化和减小其网侧电流谐波含量为研究目标，以变流器开关频率低和直流侧电压脉动特点为约束条件，重点开展单相三电平优化PWM调制与控制理论研究。主要内容包括：研究不同PWM调制算法下脉冲整流器网侧电流谐波产生机理和分布特征，建立现有的各种单相三电平PWM调制的统一数学描述模型，在此基础上，研究具备直流侧中点电位控制和网侧谐波抑制的单相三电平优化PWM调制算法和减小直流侧电压脉动对网侧谐波影响的脉冲整流器优化控制算法。通过计算机仿真、半实物仿真和样机实验对优化算法的有效性和可行性进行验证。

本项目以高速列车三电平电力牵引传动系统网侧变流器为研究对象，主要开展网侧单相三电平脉冲整流器的谐波分布特征和产生机理分析、单相三电平PWM理论、网侧电流谐波抑制和高性能的预测功率控制算法方面的研究工作。研究目标在于提升高速列车网侧变流器的控制性能，减小对牵引供电网的谐波污染的危害。项目主要完成了以下几个方面的具体工作：1）基于正弦切割3D几何墙模型对单相三电平脉冲整流器的网侧谐波进行了定量分析和推导；并揭示和详细分析单相三电平脉冲整流器的低次谐波和高次谐波产生机理；2）在研究内容1的基础上，分别提出了网侧低次谐波和高次谐波的综合补偿算法，并进行了相关的仿真和实验验证，取得了较好的谐波抑制效果；尤其针对车网耦合的高次谐波谐振问题，首先提出了基于谐振谐波消除（RHEPWM）的车载网侧高次谐波抑制方案；然后还提出了基于单相LCL型脉冲整流器的高次谐波抑制方案。3）研究了单相三电平载波PWM（CBPWM）和空间矢量PWM(SVPWM)算法的内在联系，并在各种调制算法中考虑了直流侧中点电位平衡控制，然后给出了其等效关系的数学描述；4）为了进一步降低网侧电流低次谐波，提高系统的动态控制性能和控制精度，分别提出了一种单相脉冲整流器无差拍预测功率控制、模型预测功率控制和模型预测电流控制算法。此外，在此基础上，为了提高单相脉冲整流器在网压畸变情况的鲁棒性，提出了一种单相无锁相环的瞬时功率估算方法。本项目的研究成果，可为我国干线电气化铁路列车的电力牵引网侧变流器的控制系统设计提供一定的理论借鉴和参考。