三电平电力牵引变流器网侧谐波抑制优化控制方法研究

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。

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。

三电平NPC逆变器的DC侧电流纹波分析与损耗的计算，都是根据逆变器所采用的特定的调制方法来进行的。因此，对三电平NPC逆变器调制方法原理的分析及仿真，是进行DC侧电流纹波分析与损耗计算的前提。

自多电平逆变器诞生以来，其相应的PWM控制技术就一直是其研究的重点内容。传统两电平逆变器的PWM控制方法经过几十年的发展，已经较为成熟，而多电平逆变器因其拓扑结构较为复杂、元器件较多等特点的限制，在控制方法上也更为复杂。

多电平PWM控制方法的研究主要是围绕着两个核心问题展开的：

一是输出电压波形的控制，即逆变器输出电压脉冲与调制波等效；

二是逆变器自身运行状态的控制，包括中点电压平衡，输出电压、电流谐波的控制，功率开关器件的损耗分配控制等。设计合理的PWM控制方法，对于三电平NPC逆变器抑制中点电压不平衡问题尤为重要 。

较为常见的多电平PWM控制方法分为：基于载波的PWM控制方法和空间矢量PWM控制方法。

（1）正弦脉宽调制方法（SPWM）

多电平逆变器的基于载波PWM控制方法一般采用载波层叠的形式。多电平载波层叠PWM控制方法与传统两电平PWM控制方式类似。对于m电平逆变器来说，采用（m-1）层相同幅值和频率的三角形载波，分为上下两层，与调制波进行比较，产生开关序列，控制功率开关器件的导通和关断，从而输出想要得到的波形。

对于三电平NPC逆变器来说，可以采用两层载波。按照上下两层载波的相位关系，可以分为反相载波层叠法和同相载波层叠法。

（2）反相载波层叠法

反相载波层叠法中，上下两层载波相位相差180°，如图4所示。图4中，蓝色正弦波为正弦调制波，与上下两组载波进行比较；黑色脉冲序列为交流输出端（以A相为例）与DC侧中点之间的电压u_az 。

（3）同相载波层叠法

与反相载波层叠法相对应，同相载波层叠法的上下两组载波的相位完全相同，如图5所示。

（4）三次谐波注入脉宽调制方法

对于没有中线的三相对称负载的逆变器系统，在输出电压中注入三的倍数次谐波或直流分量时候，对负载电压波形不会产生影响。因此，可以对正弦调制波注入合适的零序分量，从而达到相应的目的。为了提高直流母线电压利用率，可以采用三次谐波注入PWM控制方法，如图6所示 。2100433B

项目针对三电平PWM整流器的优化控制及其在电网不平衡下的控制进行了深入研究，提出了一系列原创性成果。针对传统的单矢量DPC应用于PWM整流器时存在的功率脉动大、电流谐波高和开关频率不固定等问题，先后提出了功率脉动最小、功率无差拍和新型简单占空比控制等方法来对DPC选出的矢量时间进行优化，在维持传统DPC动态性能的基础上显著改善系统的稳态性能，简单容易实现，显著提高了DPC的工程实用价值。针对传统模型预测功率控制存在的稳态性能差、开关频率不固定和计算量等缺点，首先提出了基于有功无功误差最小的二矢量MPC，该方法可以显著改善稳态性能而不影响动态效果，具有较大的实用价值；其次针对PWM整流器采用MPC进行优选矢量时存在的计算量大的问题，以复功率共轭的负值为控制变量，在同步旋转坐标系上对矢量选择进行分析和推导，得出一种只需一次预测和比较即可得到最佳电压矢量的低复杂度MPC；进一步将该方法用于二矢量MPC，得到了矢量计算时间的简化表达式，大大简化了算法的复杂度。针对电网不平衡下的PWM整流器控制，基于传统瞬时功率理论和扩展瞬时功率理论提出了一系列创新思想并和DPC、MPC等先进控制方法相结合，无需旋转坐标变换和正负序分解，为非理想电网下PWM整流器控制提供了新型解决方案。

研究并提出电流型多电平变流器的电路拓扑，调制技术和控制方法。多电平变流器具有功率容量大、开关频率低、输出谐波小、响应速度快、电磁兼容性好等特点。电压型多电平变流器是当前研究热点，并已经取得丰硕的研究成果。但目前几乎还没有将多电平技术应用到电流型变流器中去的研究报道。随着科学技术的进步，尤其是高温超导技术突破性的发展并进入实用化，超导技术解决了电流型变流器中的储能电感储能效率问题，同时电力超导储能系统中储能线圈具有电流源特性，因此电流型变流器将成为应用最佳选择之一。我们的前期研究工作已经提出和分析了几种电流型多电平变流器的电路结构和调制技术，取得了较好的进展，不仅获得了创新性成果，也表明对电流型多电平变流器的研究工作是必要的、可行的，具有重要的理论意义和应用前景。 2100433B