高速列车级联H桥整流器主动安全控制与调制策略研究

The application background of this project is power electronic transformer (PET) based high-speed-train lightweight. Aiming at the safe and reliable operation of grid-side converter considering coupling of trains and traction nets, a research named “Active safety control and modulation strategy for cascaded H-bridge rectifier (CHBR) in high-speed train” is proposed. The objects of this research are full exploitation, better performance and safety protection of vehicle-mounted CHBR. The limitation and requirement of grid-side traction converter and its control system caused by the operation condition of train and security assurance demand, is discussed in detail. On the basis of that, under some special conditions such as: electric coupling between train and traction nets, dynamic change of supply line parameters, amplitude fluctuation of the grid voltage, and phase mutation of the grid voltage and so on, harmonic resonance active suppression method using redundancy cell in CHBR is proposed. And the optimization of active safety control under the condition of extreme power supply is discussed. The experimental prototype of a single-phase CHBR with 11 H-bridge cells is designed and fabricated. The proposed control schemes are verified and tested in computer simulation, hardware-in-loop real-time simulation and the fabricated experimental prototype. This project is aiming at providing theory support and technology accumulation in the field of PET traction drive system of high efficiency, energy saving, reliability, and intelligence used in China high-speed-train in the future.

该项目以基于电力电子变压器的高速列车轻量化为应用背景，针对车-网耦合下网侧变流器的安全可靠运行问题，提出开展“高速列车级联H桥整流器主动安全控制与调制策略”的研究。以实现车载级联H桥整流器性能充分挖掘与提升、安全防护为目标，在分析列车运行环境和根据安全保障需求对网侧牵引变流器及其控制系统提出限制和要求的基础上，针对高速列车应用中面临的车-网电耦合、线路参数动态变化、网压波动、相位突变等特殊情况，开展利用冗余单元的级联H桥整流器谐波谐振主动抑制方法、极端供电条件下的主动安全控制优化研究。利用计算机离线仿真和硬件在环半实物实时仿真平台对所提出的冗余利用方法和控制与调制算法进行验证和改进，并搭建单相11模块级联H桥整流器小型实验样机平台进一步测试和完善。项目旨在为我国未来研制高效节能和可靠智能的高速列车电力电子变压器牵引传动系统提供理论支撑和技术积淀。

该项目以基于电力电子变压器的高速列车轻量化为应用背景，针对车-网耦合下网侧变流器的安全可靠运行问题，为了提升电力电子牵引变压器系统的主动谐波谐振抑制能力和运行性能，保障在车-网耦合和复杂供电条件下电力电子牵引变压器系统的安全运营，开展了关于电力电子变压器建模、极端供电条件和极端工况下级联H桥整流器的主动安全控制策略的研究。针对变流器的谐波产生问题，采用单重傅里叶与双重傅里叶分析方法，分析了级联H桥变换器的谐波产生机理，并定量计算出了其交流侧谐波幅值。基于所分析的谐波产生机理，提出了移相角的在线闭环实时调节策略以抑制交流侧谐波。针对级联H桥的主动安全控制问题，根据功率守恒定律，开关函数及等面积定则等理论，对于N个H桥单元级联的整流器工作在任意功率因数的情况，定量分析了其平衡范围。基于级联H桥整流器的平衡范围，提出了扩大平衡范围，提高平衡能力的方法，并对所提出的方法进行了对比分析。针对多电平矢量繁多的特征，通过对级联H桥整流器各个模块的控制器工作时序的分析，提出了基于分布式模型预测理论的控制方法。对于故障单元切除后功率缺额的问题，提出了N+1冗余容错控制方案以快速稳定直流侧输出电压并保证输出功率的稳定。通过综合分析级联H桥多电平变换器多重采样中延时导致的电流纹波现象和传统单位延时的实时计算方法造成的动态性能变差现象，提出基于最小采样间隔的多重采样方法和一种避免占空比损失的实时计算方法。搭建了四个模块级联的H桥变换器实验平台，并对所提出的控制和调制算法进行了实验验证和改进。本项目的研究为我国未来研制高效节能和可靠智能的高速列出电力电子变压器牵引传动系统提供了理论支撑和技术积淀。