[发明专利]电气化铁路列车牵引整流系统优化调制方法

说明书

技术领域

本发明涉及电气化铁路列车牵引系统，特别涉及一种单相整流单元调制方法。

背景技术

电气化铁路供电由沿线牵引变电站分段提供，线路长、容量大、负荷波动严重。为了减少高压、大电流开关器件的工作损耗，提高开关器件的电流利用率和功率发挥水平，列车采用的大功率牵引整流系统是一种单相整流系统。此整流系统必须采用较低的开关频率，在数兆瓦级的变流器系统中，开关频率通常小于几百赫兹，供电工作频率为50赫兹，低载频比将使波形谐波含量增加，增加了供电网络振荡的可能性，严重时影响安全运行。

优化的PWM调制方法，不同于传统的比较器产生的正弦PWM（SPWM Sinusoidal Pulse Width Modulation）调制方式，根据电压相位与幅值固定产生开关角的调制方式，也称为可编程的PWM调制方法（ProgrammedPWM）。可以分为两类，定谐波消除脉宽调制（SHEPWM Selective Harmonic Elemination Pulse Width Modulation）与优化PWM（OPWM optimized Pulse Width Modulation）。SHEPWM方法最早由Hasmukh S.Patel与Richard G.Hoft提出（Generalized Techniques of Harmonic Elimination and Voltage Control in Thyristor Inverters（1973））原理为通过设定PWM波形开关角的方法，消除特定次电压谐波。该方法首先对PWM电压波形进傅立叶分解，得到基波与各次电压谐波分量的表达式，然后令基波分量等于需要的电压基波值，令谐波分量为零即可消除某次谐波，从而得到一组方程组，求出这个非线性方程组的多组解后，将开关角按照从小到大顺序排列，并按照线电压极性准则等进行进一步优化选取，得到SHEPWM开关角，调制时根据所需要的电压基值，在线调用这些事先计算的开关角生成电压波形输出。SHEPWM方法能够消除输出电压中的较低次电压谐波，但是会导致较高次谐波含量的增加（D.G.Holmes,T.A.Lipo.Pulse Width Modulation for Power Converters IEEE press2003），而电气系统高次谐波易于引起铁路供电网振荡（交直交电力牵引谐波的影响与改进电气化铁道2010.3；基于小波变换的电气化铁道牵引负荷谐波分析铁道学报2011.6）。这些已有文献或专利中的方法都是针对三相交流系统，在电机驱动的逆变侧进行优化调制，未能有效减少单相整流单元网侧谐波含量。

发明内容

本发明的目的在于解决现有的电气化铁路列车牵引整流系统低开关频率工作方式下谐波含量较高的问题，提出一种采用基于双闭环的PWM整流控制方法。本发明PWM调制方法通过优化的开关角产生环节与前馈补偿控制，实现高性能的单相整流控制，在低开关频率下，降低系统的总体谐波含量，减少对网供电网络的影响与干扰。

本发明优化PWM调制策略适用于解决降低电气铁路列车牵引动力系统整流单元的谐波含量。采用优化目标函数的PWM开关角计算方法，按照总谐波电流最小的优化准则计算PWM开关角，通过寻优获得满意的输出电压、电流波形，降低电压、电流的总谐波含量（THD）含量。本发明能够降低总体谐波电流含量与谐波功率，从而降低电气化铁路列车牵引整流系统网侧电流谐波含量。

本发明技术方案主要包括优化开关角的离线计算以及双闭环PWM整流算法的实时控制实现两部分：

所述的优化开关角的离线计算方法是：每周波产生固定的开关个数，在不同电压调制比下，改变开关角的数值，计算网侧电流的各次谐波之和；当网侧电流谐波和最低时得到的开关角为求取的最优开关角；

所述的双闭环PWM整流算法的实时控制方法是：根据给定电压的相位与幅值，得到整流单元功率器件的最优开关角的数值，由单相大功率整流系统的控制器输出驱动相应的开关器件动作，进行在线实时控制。

其特征可具体分为以下六方面：

1、在开关角的离线计算中，本发明采用针对单相大功率整流系统功率器件开关角的多维寻优算法。每周波产生固定的开关个数，在不同电压调制比下，改变开关角的数值，计算网侧电流的各次谐波之和。当网侧电流谐波和最低时得到的开关角就是求取的最优开关角。这一寻优过程实际上是条件约束下的非线性全局寻优问题，通常采用迭代法、爬山法、单纯形法等方法计算。