摘要：目前，我国的综合国力在不断的发展，社会在不断的进步，我国的电力企业得到了快速的发展，牵引变流器在牵引控制系统中起着至关重要的作用，是列车安全、稳定运行的重要设备。但牵引变流器的直流侧会产生二次脉动电压，对网侧和逆变侧造成影响。当下，常见的二次脉动电压抑制方法是在直流侧并联LC谐振滤波电路，但LC滤波电路的引入不利于列车设计的轻量化，因此在很多车型中都取消了LC滤波电路。本文主要从网侧和逆变侧两个方面，对二次脉动电压的软件抑制方法进行研究，仅供参考。
关键词：牵引变流器；二次脉动电压；LC滤波；软件抑制
引言
通常情况下在中间直流回路并联两倍电网频率的LC谐振滤波电路（即二次吸收回路），用来吸收脉冲整流器输出电流中两倍电网频率的交流分量，消除直流侧二次脉动电压，进而消除二次脉动电压对网侧和逆变侧的影响。但是由于谐振频率较低，整个LC滤波电路具有较大的体积和质量，既增加了机车重量提高了成本牺牲了整个装置的功率密度，又增大了硬件电路的保护和维护难度，系统运行的可靠性被大大降低。因此取消直流侧LC二次吸收回路，有利于减轻整个牵引变流器的体积和重量，提高空间利用率，减小列车运行过程中能量的消耗，符合列车轻量化设计的要求和我国高速铁路的发展规划。
1二次脉动电压产生机理分析
为便于分析，设定网侧电压、电流均无谐波，对应的表达式如式所示。.png)
其中，UN为网侧电压的有效值，iN为网侧电流的有效值，θ为网侧电压、电流的相位差。当θ=0时，整流器工作在整流工作模式；当θ=π时，整流器工作在反馈工作模式。结合式，可以得到整流器的输入功率Pin表达式为：.png)
其中，.png)
为稳态量；.png)
为暂态量。设定整流器在工作时无能量损失，即UNIN=udcidc，结合式可得：.png)
当直流侧无LC滤波电路时，udc近乎为正常值。因此式中第一项为直流电流分量idc；第二项为二次交流电流分量.png)
。结合叠加原理，当直流侧有LC滤波电路时，直流分量.png)
由于电容的阻直特性，所以有iL=idc，i2=ic=0。对于交流分量idc，由于LC串联谐振的特性，所以有i2=.png)
，ic=iL=0，因此直流侧滤除了二次脉动电压；当直流侧无LC滤波电路时，此时在支撑电容Cd和负载中会有二次电流流过，因此会在直流侧产生二次脉动电压。
2牵引变流器二次脉动电压抑制的研究
2.1正负电压平衡法适用于方波工况的讨论
当电机转速达到额定频率后，逆变器一般工作在方波工况下，正负电压平衡法依旧适用于此工况。在方波工况下，逆变器输出的电压幅值已经达到最大值，这时唯一可以改变的是逆变器输出电压频率。通过调节逆变器电压的调制频率，在直流侧恒压含有二次脉动的情况下，逆变器输出电压依然保持恒定，这使得逆变器输出电压的谐波电压减小甚至减小至零，谐波电压的减小进一步降低电机定子电流里的谐波电流和电机的扭转脉动。
2.2电流内环抑制方法
在四象限脉冲整流器中，其电流内环通常采用PI控制，但传统PI控制器对交流量而言，无法实现对系统的零稳态误差控制，而电流内环的输入信号为网侧交流电流，所以传统PI控制器无法达到控制要求。在电流内环采用PR控制器替换传统PI控制器。相比于传统PI控制器，PR控制器可以实现对交流信号的零稳态误差控制，但传统PR控制器的鲁棒性能较差。针对传统PR控制器的不足，对其进行改进，即采用低通滤波器替换原有的积分环节，从而提高了系统的鲁棒性能，但这种改进方法对网侧电流中的谐波抑制效果不好，于是对PR控制器进行改进，针对不同次数的谐波进行PR控制器的多级设计。实验结果表明，改进后的控制器可以有效地抑制网侧电流低次谐波。
2.3牵引电机控制策略分析
矢量控制依赖于对电机电压幅值和相位的实时控制。然而，当牵引电机转速较高时，一般处于牵引传动系统的恒功区。此时电压幅值达到了电机额定电压，需要采用方波控制，即单脉冲调制模式，牵引电机自动进入弱磁控制。电机运行在方波区时，逆变器达到最大输出电压，也就是在矢量控制中失去了对电压幅值的控制，此时电机控制变量仅有一个自由度，无法实现传统的矢量控制。因此，单脉冲调制模式下，牵引电机的转矩控制本质上是一种标量控制。牵引电机在标量控制中，由于电压失去了调节能力，因此与传统矢量控制不同的是，标量控制需要取消电流闭环调节器，直接采用前馈量作为电压指令。
2.4二次脉动电压的仿真验证
单相PWM整流器作为交流传动电力机车和动车组的网侧变流器，主要有两个控制目标：一是保持中间直流侧的直流电压在允许的偏差范围内；二是在交流输入侧得到单位功率因数，同时确保交流输入电流谐波含量较。PWM整流器的控制对象是输入电流和输出电压，对整个系统的性能起决定性作用的是电流控制，因而要求电流控制器的瞬态响应速度要快、稳态特性要好。目前单相PWM整流器的控制策略主要采用基于电压外环、电流内环的双闭环控制。
2.4逆变侧谐波抑制研究现状
直流侧电压与逆变侧输出电压保持正比关系，因此，直流侧的二次脉动电压势必会影响到逆变器的输出电压，进而对牵引电机的运行状态造成影响。通过分析直流侧误差与前馈补偿的相互关系，设计了一种重复预测器对二次脉动电压进行观测并补偿。实验结果表明，改进后可以有效抑制拍频现象。但预测器的引入会使系统数学模型复杂化，加大实现难度。通过对二次脉动电压进行观测补偿以及电压调整，降低了直流侧误差对系统的影响。通过分析空间电压矢量在每个开关周期中的作用，提出在SVPWM调制下利用伏秒平衡原理来降低直流侧二次脉动电压对逆变侧输出电压的影响，仿真结果证明了该方法的有效性，且系统较易实现。
2.5SVPWM调制简介
SVPWM以平均值等效原理为理论基础，为了使其平均值等于给定电压矢量，在一个开关周期内对基本电压矢量进行组合。当在某个时刻，电压矢量旋转到某个区域中，可在时间上对组成这个区域的两个相邻的非零矢量和零矢量进行组合得到。在一个采样周期内分多次施加两个矢量的作用时间，从而实现对各个电压矢量的作用时间的控制，使电压空间矢量接近按圆轨迹旋转，通过逆变器的不同开关状态所产生的实际磁通去逼近理想磁通圆，并由两者的比较结果来决定逆变器的开关状态，从而形成PWM波形。
结语
取消列车牵引变流器直流侧LC滤波电路，能够很好地实现列车的轻量化设计，降低制造成本。但直流侧LC滤波电路的简化势必会带来二次电压脉动，而二次脉动电压会对网侧和逆变侧的影响。本文主要从网侧和逆变侧两个方面进行分析，对二次脉动电压的软件补偿算法进行研究，并分析其优缺点。
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论文作者:李小牛,范珂铭
论文发表刊物:《基层建设》2019年第30期
论文发表时间:2020/3/16
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