详情

原文传递大功率交直交牵引变流器相关问题研究

论文题名：	大功率交直交牵引变流器相关问题研究
关键词：	电力机车;牵引变流器;无速度传感器技术;直流母线电压;脉动抑制;功率解耦控制
摘要：	随着大功率、高开关频率、模块化、智能化的新型电力电子器件的不断出现,以及计算机和现代控制技术的迅速发展,牵引变流器技术水平得到不断提高。各国的新型高速列车所采用的牵引变流器系统,逐渐向大功率、小体积、轻质量、高可靠性、低成本方向发展。　　顺应牵引变流器系统的发展趋势,本文从采用无速度传感器技术替代测速装置降低成本、提高系统稳定性和减小直流母线滤波电容提高系统功率密度两方面进行课题的研究。　　机车牵引系统以实现电机的高性能控制为主要目标,其转速信息是必不可少的。速度传感器的安装增加了电机的体积、重量和成本,降低了系统的可靠性。为此,本文在转子转差频率矢量控制的基础上对转子磁链的闭环观测和速度估算进行研究。转子磁链观测是矢量控制和无速度传感器技术的关键。采用转子磁链的全阶自适应观测器对其进行闭环观测。为消除参数变化对观测结果的影响,需要对电机参数,特别是对转子电阻进行在线辨识,实时调整观测器模型,从而保证观测器的稳定和观测精度。但寻找参数辨识的自适应律较为复杂,当系统存在多个敏感参数时,需要一一辨识,计算量大,对控制芯片的运算能力要求高。因此,引入自抗扰技术(Active Disturbance Rejection Control, ADRC),将参数变化和外部未知干扰统一看成系统的总扰动,并将其作为一个状态扩张到原系统中,对其进行观测,从而增强了系统的确定性和线性度。仿真结果表明,该观测器具有较好的参数抑制能力和较高的稳态精度。　　机车牵引系统常采用单相电网供电,由单相整流器向变频器提供直流电压。系统不可避免存在二次脉动功率,进而导致直流母线电压产生二次脉动。为消除直流母线电压脉动,一般采用大电容或LC电路对二次脉动功率进行解耦。用于功率解耦的大容量电容,一般为电解电容,其使用寿命较短,降低了系统的可靠性。LC电路的滤波频率单一并对频率偏移敏感。同时由于谐振频率为100Hz,因此LC电路的电感值和电容值不可能很小。无源滤波器的使用增加了系统体积和质量、降低了系统的功率密度。为此,本文研究了软件法(调制比补偿)和硬件法(有源滤波器,APF)两大类方案,用以减小直流母线无源滤波装置的体积和质量。　　本文结合s变换和z变换,分析了直流母线电压存在二次脉动时定子电压矢量、电流矢量和电磁转矩的特性。指出定子电压矢量和电流矢量存在100Hz的负序分量,进而引起转矩出现相应的100Hz脉动,同时在定子绕组上产生差频电流。为消除电机转矩的低频脉动和定子绕组的差频电流,采用一种基于直流母线电压重复预测的前馈补偿方案,根据冲量等效原理对变频器调制比进行修正,有效抑制了定子电流的差频分量,降低了电磁转矩的二次脉动。　　为彻底消除直流母线电压的二次脉动,本文对APF进行了重点研究。比较了多种电路拓扑,指出电感储能型APF在低开关频率工况下储能效率不高,因此对于机车牵引等高压大功率系统应选择电容储能型APF进行功率解耦,抑制直流母线电压脉动。基于一种直流侧Buck型电容储能的APF拓扑,提出了一种重复加电容电压、电容电流的双闭环控制方案,实现了低开关频率下APF电容电压指令的准确跟踪。提出从功率密度和控制带宽两方面对电路参数进行设计。仿真和实验证明该APF方案具有较好的直流母线电压脉动抑制效果。　　为进一步减小系统带宽对APF功率解耦控制的限制,本文提出了一种交流侧单电容储能型APF拓扑。针对APF运行时由于指令误差造成的功率补偿失配问题,提出了一种直流母线脉动电压d、q解耦的电容电压指令闭环补偿方案。分析了该APF和整流器各桥臂调制比之间的约束关系,并以此作为电路参数设计的依据之一。仿真和实验与理论分析相符,证明了该拓扑和控制方案可以现实APF对系统脉动功率的准确解耦,有效抑制直流母线电压脉动,同时显著降低了系统滤波电容的大小,提高了整个装置的功率密度。该APF不仅是对机车牵引变流器系统,对于其它带有单相变换器的电力电子系统同样适用,具有广泛的应用市场。
作者：	李红波
专业：	电力电子与电力传动
导师：	张凯
授予学位：	博士
授予学位单位：	华中科技大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文