电力牵引变流机直流侧轻量化之网侧管控计算研究

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1、电力牵引变流机直流侧轻量化之网侧管控计算研究第1章绪论1.1论文研究背景及意义近年来，国内外很多学者对于直流侧轻量化的补偿算法进行了研究，主要包括支撑电容最小化与无LC谐振滤波电路的补偿控制算法研究。对于直流侧支撑电容最小化设计，其核心问题是如何减小中间直流侧电压纹波而引起该电压纹波的因素主要有两大类：一是网侧电压或负载突变引起的直流侧电压纹波；二是稳态运行时直流侧电压的固有纹波。(1)网侧电压或负载突变引起的直流侧电压纹波若要减小直流侧支撑电容的体积，抑制由网压或负载突变引起的直流侧电压纹波，则需增加控制系统的响应速度。文献[11]提出通过控制整流器输出端的直流侧电流与逆变器输入

2、端的直流侧电流相等，使流过直流侧支撑电容的电流为零，以实现整流器输出功率和逆变器输入功率实时平衡为目的，提高控制系统的响应速度，抑制负载突变时中间直流侧支撑电容的电压纹波，从而实现支撑电容最小化设计该控制算法需要在控制系统中添加前馈补偿控制，根据补偿方式的不同又可分为电流节点前馈补偿和电压节点前馈补偿。a)电流节点前馈补偿文献[11]根据瞬时功率守恒原理，提出了在电流节点注入前馈补偿来抑制直流侧电压纹波的算法，但该算法对系统动态性能要求较高，为了避免因数字控制采样延时引起的控制误差，加快系统的响应速度，提高控制精度，文献[12]引入了预测控制算法，同时文献[13][14]和[15]

3、均证明了添加预测控制算法可以在一定程度上降低负载突变引起的控制误差，提局系统的动态响应能力。文献提出采用无差拍控制算法提高控制系统的动态响应速度。无差拍控制是一种基于系统离散模型的数字控制方法，其实质也是一种预测控制技术，即在当前开关周期内计算控制器在下一开关周期的占空比，具有电流跟踪快速、算法易于数字实现等优点II8]。但由于数字控制的延时效应以及滤波器引起的控制延时，导致控制系统精确性降低，且该算法对系统参数依赖性较强。为了避免该控制算法的缺点，许多学者对该方法进行了改进，文献[18]提出了几种改进方法，例如在下一个开关周期发生之前进行采样和计算，以减小数宁?控制的延时，但该方

4、法会增加控制周期长度，不易于工程应用；采用预测控制方法对电网电流进行超前一拍控制，抵消控制延时，但该方法未将反馈量引入控制，将导致预测误差的积累；引入反馈量的闭环控制可以避免误差累积，提高预测精度，但网压脉动和死区等因素将导致电流畸变除此之外，文献[19]提出的模糊控制方法，文献[20]提出的线性反馈控制方法以及文献[21]提出的主从控制器方法均在电流节点反馈补偿基础上，添加新的补偿控制方法，以提高系统的响应速度和控制精度。电流节点前馈补偿控制算法的计算过程需要精确检测逆变器输入端的直流侧电流，但由于绝缘栅双极性晶体管(IGBT)通常采用多层母排叠加的结构以降低杂散电感的影响，为安

5、装电流传感器带来极大的不便。而且逆变器通常采用脉宽调制(P)技术，导致逆变器直流侧输入电流为不规则脉冲波形，很难运用某一时刻瞬时采样值代替一个P控制周期内的平均值。为了解决这个问题，文献[16]引进低通滤波器，可以在一定程度上改善电流波形，但低通滤波器引起的采样延迟将降低系统动态性能。b)电压节点前馈补偿为了避免检测逆变器输入端的直流侧电流，文献[22]提出运用直接电容电流控制法实现直流侧支撑电容最小化设计。其核心思想是通过注入前馈电压分量直接控制流过直流侧支撑电容的电流，以避免获取逆变器电流带来的误差和不便，更准确的对系统进行控制并通过仿真和实验验证了该方法的可行性与之前的电流节

6、点补偿方法不同，该算法釆用电压节点补偿，独立于电流控制之外，可以在一定程度上增加系统补偿带宽，提高补偿效率，但该算法包含微分算子S，在计算该补偿量时同样需要引入预测控制以实现欧拉微分算法。此外，文献[24]还通过考虑极限情况（即直流侧电压纹波最大值）给出了支撑电容最小值的计算方法，该算法的核心部分是对最大电压纹波值的估算。当系统出现扰动时，在下一个P脉冲控制周期发生前，控制系统无法立即提供响应措施，即在该时间内，整流器相当于处于开环状态，这将导致直流侧电压出现峰值或低谷。所以，若要确定支撑电容最小值，须对一个开关周期内直流侧电压最大值进行估计。具体计算方法是假定整流器和逆变器同时向

7、直流侧注入最大功率（极限情况），通过计算控制周期内电压上升最大值得到所需支撑电容最大储能变化量，从而得到满足系统控制性能的支撑电容最小容量。第2章网侧牵引变流器工作原理及其控制器设计本章首先分析了两电平网侧牵引变流器的工作原理和数学模型，并在此基础上根据网侧牵引变流器双闭环控制算法，分别绘制了电流内环和电压外环的控制结构框图，推导了其闭环传递函数，最后根据控制系统稳定性要求，给出了电流内环和电压外环控制器参数的计算方法，为后续各章节的研究提供了理论基础。2.1网侧牵引