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1、牵引网宽频域谐波的产生机理及其抑制方法摘要随着电力机车技术的不断发展，传统直流传动电力机车被交流传动电力机车所取代。现代电力电子器件的开关频率越来越高，电力机车所采用的交流传动系统所产生的高次谐波，给牵引供电系统、电力设备及通信线路带来了严重的危害，诸如车网谐振、破坏电力设备、影响通信线路等。因此，研究交流传动电力机车的高次谐波抑制措施具有重要的工程应用价值。为实现这一目标，本文主要开展如下工作：对交流牵引传动系统各部分的工作原理进行了详细的介绍，并分析了四象限整流器的瞬态直接电流控制策略和牵引逆变器的空间矢量电压控制方法。从数学的角度分析了交流牵引传动系统谐波产生的机理，并在MATLAB中建
2、立交流牵引传动系统的仿真模型，仿真分析了其谐波特性，并探讨谐波输出特性与机车所处工况、输出功率以及网压之间的关系。研究了现有抑制高次谐波的措施，并对比分析各自的优缺点关键词：交流牵引传动系统；高次谐波电流；传递函数；等效干扰电流AbstractAsthedevelopmentofelectronicslocomotivetechnology,thetraditionalDCdrivelocomotivesaregraduallyreplacedbyACdriveelectriclocomotives.Theswitchingfrequencyofpowerswitchingdevicesbec
3、omehigher,thehighharmonicproblemswhichisgeneratedbytheACtractiondrivesysteminAClocomotivescauseresonanceoflocomotives-grid,destroyelectricalequipment,affectcommunicationlines,etc.Therefore,thestudyofACdriveelectriclocomotivehighharmonicsuppressionmeasureshasimportantengineeringpracticalsignificance.
4、Toachievethegoalofsuppression,thepaperhasfinishedthefollowingwork:ThepapergivethedescriptionofeachpartoftheACtractiondrivesystemindetailed,andanalyzefour-quadrantrectifierstransientdirectcurrentcontrolmethodandtractioninvertersspacevectorpulse-widthmodulationcontrolmethod.TheanalysisofACtractiondriv
5、esystemharmonicgenerationmechanismistakeninthemathematicalpoint.ThesimulationmodelsestablishedinMatlabanalysistheharmoniccharacteristics,andresearchtherelationshipamongtheharmoniccharacteristics,locomotivecondition,outputpowerandnetworkvoltage.Studycurrentmeasurestosuppressthehighharmoniccurrentandc
6、omparetheiradvantageswithdisadvantages.KeyWords:ACtractiondrivesystem；Highharmoniccurrent；Transferfunction；Equivalentdisturbingcurrent目录第一盲.绪论11.1 中国电，机高*/二二二二二二二二二二二二二二二二二11.2 电气化铁道谐波研究现状与抑制发展21.3 本文的研究内容3第二章：交流传动动车组谐波模型42.1电力机车牵引传动系统概述42.1.1电力机车牵引传动系统的组成42.1.2四象限整流器的工作原理和控制方法52.1.3牵引逆变器的工作原理和控制方法8
7、2.2交流电力机车谐波产生的机理112.2.1变流器低次谐波产生机理122.2.2变流器高次谐波产生机理132.2.3交流传动动车组网侧谐波电流数学分析132.3交流电传系统仿真建立与谐波分析142.3.1交流机车谐波分布情况及其与工况关系的验证162.3.2机车处于不同负载功率下谐波的输出特性分析172.3.3牵引网电压变化时机车谐波的输出特性192. 4高次谐波的危害20第三章牵引网谐波抑制的措施222.1 模块化多电平变换器223. 2多重化PwM整流器的载波移相234. 3在牵引变电所加装高通滤波器26结论28致谢：29第一章：绪论1.l中国电力机车的发展历史世界电力牵引的发展已有百年
8、的历史，自1879年德国诞生第一辆电力机车（功率IOkW）起，世界电力机车牵引传动系统由原直流牵引传动不断发展到交流牵引传动。而我国的电力机车的发展自1958年研制出第一台干线电力机车起，通过近半个世纪的发展，现代电力机车的交流牵引系统也逐步代替了传统的直流牵引传动系统IO六十年代初，水银整流器为硅整流器所取代，调压开关硅整流器机车在世界得到广泛认可，1979年德国诞生了世界上第一台E120型交流传动电力机车，我国也开始生产SSl型电力机车。韶山1型是我国第一代电力机车U2（如图1.1所示），是仿造苏联H60型电力机车，调压开关低压侧调压，采用硅整流器整流。SS2、SS3型电力机车延续了SSl
9、的优点，同时为我国第一台晶闸管相控机车的研制提供了许多宝贵的经验。SS4型电力机车作为我国第一台相控电力机车在1985年诞生，为两节式八轴机车，采用四段半控桥晶闸管相控平滑调压。在消化吸收法国引进的8K型机车和日本引进的6K型电力机车后，我国相继推出SS5相控4轴客运电力机车、SS6相控6轴客货两用电力机车、SS7相控6轴电力机车、SS8相控4准高速客运电力机车，形成了以相控技术为基础的“交一直”传动的韶山系列，使我国的电力机车的生产技术日趋成熟。图U韶山1型电力机车随着电力电子技术的不断发展，大功率的晶闸管不断出现，交流电机调速技术日益成熟，从而出现了“交一直一交”牵引传动电力机车。交流传动
10、电力机车使用三相异步电动机和四象限脉冲整流器将机车功率因数提高至接近L且交流传动机车功率大，能很好的满足高速和重载的牵引发展需求。由于交流机车以上优点，在许多发达国家已经完全代替交直型电力机车。随着中国的不断发展，人们对铁路的要求也发生了变化，客运高速、货运重载，交流制电力机车才能满足要求，中国也在加紧研制交流制电力机车，自1996年中国第一辆交流机车AC4000型问世,如图1.1所示，为中国电力机车技术超越世界先进水平打下了坚实的基础。为了满足国内货运重载的要求，2004年以来铁道部按照“引进先进技术，联合设计生产，打造中国品牌的方针”和“先进、成熟、经济、适用、可靠”的原则，推进铁路机车车
11、辆装备现代化，先后从德国西门子、日本东芝、法国阿尔斯通引进一系列大功率电力机车，消化吸收自主研发HXD1、HXD2、HXD3等大功率交流传动电力机车叫和谐系列电力机车具有功率大、运行速度高、牵引力大、采用再生制动等特点，最高运行速度可达到120kmh,能满足货运重载化和局域化的要求。而面对客运高速的要求，从1997年到2007年，中国铁路实施了6次大提速。通过6次大面积提速和调度,速度160km/h及以上的提速线路里程为14000km,其中，20Okmzh线路延展里程达6003km,250kmh线路延展里程达846km37。同时我国还积极投入到高速列车的研制当中，先后研制了中原之星、先锋号、中
12、华之星和和谐号CRH系列动车组等车型，其中CRH系列动车组在既有线路中运行速度已经达到200kh,部分区段最高运行速度甚至达到350knhl8大功率交流电力机车和动车组，在不久的将来，将逐渐成为我国高速铁路和重载线路的主力车型。1.2电气化铁道谐波研究现状与抑制发展由国内外电力机车发展史可知，交流电力机车因其具有的诸多突出技术优势，使得交流制电力机车代替直流制电力机车成为现今主流的发展趋势。直流制电力机车与交流制电力机车的主电路和控制方法均不同，因此它们的谐波特性也有较大的差异。在很长一段时间里，我国以直流制电力机车为主要车型。由于受电力电子技术器件开关频率的限制，牵引整流装置的开关频率较低，
13、功率因数较差,低频段谐波含量丰富，严重影响电网的电能质量。针对直流制电力机车的谐波问题，国内外学者已经开展了大量的研究工作。直流制电力机车采用半控桥整流装置把交流电变成直流驱动直流电机，机车的功率调节通过控制晶闸管的开通与关断来实现。文献9-10结合SSl型电力机车的实际参数，建立动态仿真模型，并分析得出影响谐波含量的因素。文献11在MATLAB中构造SS3B型电力机车的动态仿真模型，计算通过机车牵引控制特性函数与整流回路的关系，验证模型的高效性。文献12根据实际参数建立了SS4电力机车的数学模型,采用牛顿一拉夫逊法进行迭代求解用于分析计算注入谐波电流。文献1引利用MATLAB建立仿真模型后，
14、通过FFT分析机车在不同电压、级位、速度下的谐波值，并与实测数据相比较，验证了仿真分析的有效性。而随着铁路大提速及交流制电力机车关键技术的突破，我国自主研发的交流制电力机车被广泛的运用，直流制电力机车被交流制电力机车所代替。交流电力机车能够解决直流机车功率因数较低的问题，其功率因数接近1。同时与直流机车相比，交流机车的谐波特性有较大的变化，在低频段的谐波含量明显减少，但位于高频段的高次谐波如20次以上的谐波含量有所提高，且在制动状态下高次谐波的含量更加升高以,0,o对于交流电力机车，国内外进行了较为深入的研究，而我国着重于研究具体车型的分析与控制策略。文献11,12对四象限脉冲整流器提出了一种
15、基于有功一无功解耦模型的直接电流控制，实现网侧有功与无功功率的独立控制，并能够输出任意功率因数，抑制环流。文献13,14对四象限三电平整流器瞬态电流控制和三电平逆变器的空间矢量控制进行介绍。文献15,16对交直交型电力机车产生谐波的特性进行了数学推导和仿真分析，得出了其谐波次数主要分布在倍数次载波频率附近的。我国交流制电力机车的谐波问题有以下几个特征：1）高次谐波频谱范围宽；2）高次谐波与低次谐波同时存在；3）多样化的牵引供电系统参数。交流电力机车的普及虽然带来了可观的经济效益，但伴随而来的高次谐波为牵引供电系统带来了新的问题，高次谐波破坏电气设备的绝缘装置，严重干扰通讯系统，引起车网谐振，且
16、对处在同一电网中的其他机车造成很大的危害等。高次谐波引起的故障举例如表1.1所示。表L1高次谐波引起的故障时间方式危害2007.4高次谐波车网谐某动车组发生多次车网振荡，造成牵引变电所并联在牵振引母线上的电容器组多次跳闸2010对电气设备的影响某供电段避雷器由高次谐波过电压引起内部发热造成4次爆炸2009.8对通信的影响接触网杆塔放电，信号电缆盒至信号机的电缆被高压击穿，导致信号机绿黄信号不能开放在电气化铁道中，为了解决高次谐波对电力系统和用户带来的危害，目前采取了以下一些方案：改进变流器的拓扑结构和改进整流器的控制策略；增设有源滤波器和无源滤波器等。但由于电力机车自身空间有限，所以有源滤波和
17、无源滤波一般都是装设在牵引变电所中，但有源滤波器成本较高，且其效果受到控制方法和开关器件频率的限制。而无源滤波运行成本低，原理结构简单更加实用，但电铁牵引负荷是一个移动的负荷，经常会出现幅度非常大的剧烈波动,此时,其产生的谐波电流也会跟着发生剧烈的波动，单纯在牵引变电所增设无源滤波器无法应对变化的谐波。而改进变流器的拓扑结构和改进整流器的控制策略虽然是在机车上实现的，但其效果对于真正解决高次谐波的问题还是有所欠缺。如何能在谐波的源头一电力机车上消除高次谐波是解决问题的关键。而面对机车有限的空间，电感的集成成为研究的重点。1.3本文的研究内容为了有效抑制交流电力机车牵引供电系统所产生的高次谐波，
18、保障牵引供电系统的电能质量，降低高次谐波对沿线通信设备的影响。本课题通过研究交流制机车谐波的输出特性及其影响因素，总结了高次谐波对牵引供电系统的影响；在新型牵引变压器的基础上，通过研究新型牵引传动系统的数学模型，分析得出实现有效滤波的约束条件；最后以某一实际交流电力机车为例，验证抑制方案的抑制效果。本文的研究内容如下：(1)结合我国电力机车发展历史，分析我国电气化铁道谐波研究现状和谐波危害，讨论现有谐波抑制措施的局限性(2)根据交流传动电力机车的牵引传动系统的基本构成，分析了牵引逆变器的工作原理和谐波产生机理，通过数学模型分析得出系统的谐波特性；并结合仿真结果和数学分析，分析了影响电流谐波特性
19、的因素。(3)分析了高次谐波抑制的措施第二章：交流传动动车组谐波模型最近十几年来，我国通过引进学习吸收国外先进的技术，并进行自主创新，我国自主开发的品牌CRH系列高速动车组得到了成功推广跟应用，而且逐渐成为我国高速铁路上的主要车型。2.1 电力机车牵引传动系统概述电力机车牵引传动系统是电力机车的动力心脏，其功能是将接触网上的单相交流电转化为机械能驱动机车运行，同时在机车制动时会将机械能转换为电能回馈到电网中。随着现代电力电子技术的不断发展，使得三相交流异步电动机在机车牵引中的应用日益普及，交流传动系统已成为高速列车牵引系统的主流方向2.1.1 电力机车牵引传动系统的组成电力机车牵引传动系统主要
20、由高压电器设备、牵引变压器、四象限脉冲整流器、牵引逆变器、三相交流牵引电动机等部分组成叫其主要组成如图2.1所示。受电弓图2.1电力机车牵引传动系统结构简图牵引工况下，电力机车通过受电弓从接触网上接收高压交流电，经牵引变压器降压后供给牵引变流器。采用PwM脉宽调制的四象限整流器将交流电整流为直流电，经直流滤波环节传递给牵引逆变器为其提供稳定的直流电，通过对逆变器的控制将电压、频率、电流可控的三相交流电输送到三相异步牵引电机，从而将电能转化成了机械能。再生制动工况下，机车惯性机械能转换成电能，经牵引变流器，被转换为单相交流电，回馈到接触网中。高压电器设备的主要功能是完成牵引变压器与接触网的接通和
21、断开，主要包括：受电弓、主断路器、避雷器、电流互感器、接地保护开关等，其中最重要的是受电弓。高速列车必须在高速运动条件下从接触网上取得电能，而且必须保证其供电的绝对可靠和不间断，受电弓负责保证列车在高速运行时保持稳定的动态受流。在电气化铁道牵引供电系统中的牵引变压器一般可分为两类：一种是安装在牵引变电站中的主牵引变压器，另一种是安装在机车内的单相牵引变压器，本文中提到的电传系统中的牵引变压器一般是指后者，牵引变压器一次侧由受电弓从接触网上取电，电压为25kV,二次侧接变流装置，电压为几千伏或几百伏，为变流装置提供降压后的电压。牵引变压器为满足机车运行的要求，必须保证绕组独立和短路阻抗足够大，一
22、般采用绕组之间相互独立的全分裂结构。四象限整流器作为牵引变压器的负载侧，接受降压后的单相交流电源，实现电能的双向传输。当四象限整流器从电网吸收电能时，其运行于整流状态下，机车运行于牵引工况；当四象限整流器向电网传输电能时，其运行于有源逆变状态，机车运行于再生制动工况。牵引运行时，将牵引绕组输出的单相交流电变换成稳定的直流电，同时确保网侧电流为正弦，基本处于单位功率因数，减少电网对周围环境的电磁污染。再生制动运行时，将通过中间直流环节传递过来的稳定的直流电压有源逆变成电压、频率、相位合乎标准的单相交流电，从而实现并网。牵引逆变器分为电压源型和电流源型两种，在交流电力机车中与三相异步牵引电机直接相
23、连一般选择电压源型逆变器，与四象限整流器一样，也可以实现电能的双向传输。机车处于牵引工况下时，作为逆变器，将整流后的直流电压变换成电压、电流、频率符合牵引特性的三相交流电，供给三相异步电机，实现对其转矩、转速进行控制。再生制动工况时，牵引电动机工作在发电状态，逆变器工作在整流状态，将发电机发出的电压、频率变化的三相交流电转化为直流电，进一步回馈到电网中。交流牵引电机是交流传动和传统直流传动技术最本质的区别。与直流电机相比，交流传动采用的三相交流电机结构简单，可靠性高、单位体积和质量功率大，适合现代机车在功率、轴重的要求。机车牵引时，三相交流牵引电机作为电动机运行，将电能转换为机械能，制动时，作
24、为发电机运行，将机械能转换为电能。牵引传动系统各部分的能量流动如图2.2所示。接 碓 网高压电器牵引器冲整流器四象限脉牵引逆变器中间直流环节/制动牵引电动机图2.2牵引传动系统不同工况下能量流动图2.1.2四象限整流器的工作原理和控制方法四象限整流器是牵引传动系统中一个重要组成部分，可运行在整流和逆变的四个象限中，实现能量的双向流动。我们可以通过控制各开关支路的导通或关断，来实现脉宽调制和能量变换。其结构分为两电平和三电平两大类，在现有电力机车整流器直流电压等级和功率下，一般选择两电平电路。二电平脉冲整流器主电路图如图2.3所示。其中，、为网侧正弦电压。和4电分别是变压器牵引绕组的漏感和电阻，
25、为脉冲整流器输入电压，开关管SJS,组成全桥电路，a为中间直流环节的支撑电容,爆是输出的恒定直流电压。图2.3四象限脉冲整流器主电路图由主电路图可知，通过整流桥将网侧交流电变为直流，供给中间直流环节;也可通过开关管SJS将支撑电容存储的能量逆变为交流，反馈给电网。能量传递的方向与s：S的开关状态有关，即与调制方式有关。表2.1列出了四象限脉冲整流器所有可能的工作模式.。表2.1两电平电压型四象限脉冲整流器的工作模式编号USZv导通器件工作模式现象10或电源短接人上升，电网给储能20UdcDN整流八下降，电网和共同向直流环节供电3UdcS2S3反馈人上升，电网和直流环节共同给储能400S12或S
26、D2电源短接IiNl下降，中的能量反馈到电网50UllcS1S.,整流IiNl上升,直流环节的能量存储在中，同时反馈到电网6UdcD?Ds反馈IiNl下降，中的能量供给直流环节，同时反馈到电网70S12或SD2电源短接IiNl下降，中的能量反馈到电网80UllcDlDi整流IiNl下降，中的能量供给直流环节，同时反馈到电网9UticS2S反馈加I上升,直流环节的能量给存储，同时反馈给电网1000S2或S,D2电源短接工V上升，电网给储能11UllcSi S.i12-UtfcD2D3整流反馈ZV上升，电网和直流环节共同给储能A下降，电网和共同向直流环节供电由表2.1可知，编号1、2、3、10、1
27、1、12处于牵引工况，编号4、5、6、7、8、9处于再生工况。图2.4四象限脉冲整流电路相量图图2.4所示为四象限脉冲整流电路的相量图，由图可得：Un=RIn+jcLIn+Ulb(2.1)只要控制场的幅值和相位，就能控制脉冲整流器，使它工作在整流工况时的功率因数1.0或再生工况时功率因数-LOo目前.，我国交流电力机车的四象限脉冲整流器通常采用电压外环和电流内环相结合的双闭环控制方式，电压闭环控制直流侧输出电压达到额定的输出要求，电流闭环根据电压闭环输出的电流指令，控制交流侧的电流与网侧电压保持同相位，实现功率因数为1的控制，常采用的电流控制策略是瞬态直接电流控制。瞬态电流控制的数学表达式如式
28、2)INl=KP(U；UdC)+1/Ki，(U：Ud)dtJN21ddJUNQ2)IN=Avi+4协Q)=忧NQ)-(I：MRSint+CoLrNCOSt)-G2(nsint-iN(/)式中G为比例放大系数，心为中间直流环节电流、电压，。为网侧电压的角频率，Kl,K为Pl调节器的参数，集为中间直流侧电压给定值。瞬态电流控制的基本原理：为了使得中间直流环节电压保持恒定值，比较直流侧实测电压器和给定电压U界,作差后流入PI控制器调节后得到给定电流Isn同时根据功率平衡计算给定电流/g两者相加，配合电流内环计算，最终得到调制波输PWM发生器生成开关信号注入整流桥。PI控制器的作用是，当外“#时，控制
29、增大输出给定电流1,从而提高脉冲整流器输入电流，达到增加爆的目的，反之则让服减小。UdC图2.5瞬态电流控制框图图2.5所示为脉冲整流器的控制框图，如图所示，根据对三个信号心加和UA的控制，通过测量接触网电压的大小，由变压器的变比进行折算后，可得到变压器空载时二次侧的输出电压N。调制信号Mt)由式(2.2)产生，瞬态电流控制需要反馈网侧电感电流讽系统中一个G2/；sinm-&a)环节，这样就使系统具有动态响应好，对系统参数变化能很快做出调整等优点。2.1. 3牵引逆变器的工作原理和控制方法牵引逆变器连接在中间直流环节后，将其输出的直流电压通过功率器件的控制，逆变为电压频率可调的三相交流电。牵引
30、逆变器分为电压源型和电流源型，由于我国交流传动电力机车和高速动车组中采用的是异步电动机，故一般采用电压源型逆变器。根据逆变器输出电平的数量不同，牵引逆变器又可分为两电平和三电平，应用最广泛的是两电平牵引逆变器两电平牵引逆变器主电路和开关等效电路图如下图2.6所示。(a)原理图(b)开关等效电路图2.6两电平牵引逆变器原理图其电路拓扑是由功率开关Tl、T2、T3、T4、T5、T6构成的三相全桥。两电平逆变器由三个桥臂组成，每个桥臂由两个功率开关器件和两个起续流作用的二极管构成1221。当逆变器采用理想开关等效，异步电机用感抗等效且假设三相的感抗相等,则两电平牵引逆变器的开关等效电路如图2.6(b
31、)所示。为了便于分析，定义3个理想开关函数如下。1T1导通0T4导通(2.3)1导通SB=0Te导通(2.4)1T5导通Sc=u3(Oil)u4(100)(101).u6(HO)S(Ill)o其开关状态及相应的电压值见表3.1所示表2.2两电平牵引逆变器工作状态及相应的电压值ModeSASbSc矢量Ut,sUm4vUtthUftcUCtl导通器件0000UV000000T2、T4、Te1001%-UdcA-UdcA2UdcA0_UdCUdCT4、T5、T620103UdC/32udcA-UdcA-UdCUdC0T2、T3、T43011%-2Udc/3UdcAUdC/3-UdC0UdCT3、T八
32、T54100%2UdcAudci-UdcUdc0-UdcT】、T2、T6UVH6Udc/3-2UdcUdC/35101UV%AUdcAUdc_UdC03、T5、T6Udc/3-2Udc6110UVA0Udc_UdcT、T2、7111%000000T】、T3、T5牵引逆变器的作用是将中间直流电压，通过控制功率器件的开通关断状态变换为电压频率可调的三相交流电从而控制交流异步电机。交流电动机需要输入三相正弦电流的最终目的是在电动机空间形成圆形旋转磁场，从而产生恒定的电磁转矩。跟踪圆形旋转磁场控制变流器工作，可以保证电机磁路饱和程度处于所设计的额定状态，一般其该控制方法称之为“磁链跟踪控制，磁链轨迹的
33、控制是通过不同的空间电压矢量交替使用来实现的，所以又称“空间电压矢量”PWM(SVPWM,SpaceVectorPWM)控制23】。根据逆变器的开关状态，可得输出的三相相电压为：其矢量形式为:-2w/=- NaN+4Ne,2.4万(i = 0,l,2,3,4,5,6,7)(2.7)当SXol1,六1时，由式6)得：二一等%n=n=争根据式(2. 7)可知:(2.8)由上可知，逆变器在“011”状态下电压矢量I的幅值等于2服/3,相位为180。剩余矢量的幅值和相位同理可得。如图2.7所示，在两相静止坐标系中，Z(OU)Z(OOl)K(IOl),(100),7(110),Z(HO)为有效电压矢量,
34、其幅值皆为23,相位相差60。由于京(OOo),Z(Ill)幅值均为0,故称其为零电压矢量。M4(OOl)w(100)图2.7两电平逆变器空间电压矢量由图2.7中可知，由开关函数SASBSC的改变产生8个不同的空间矢量“0、/、2、3、4、5、6、U7,其中6个模长为2Udc3的空间矢量将复平面平均分割成6个60的扇形区域，复平面中任意给定的空间矢量*,均可其所在扇区的边界有效矢量和零矢量合成。假设要合成矢量S则在一个开关周期为内，由作用A时间的以和作用。时间的孙以及作用Tb时间的零矢量合成，且T+Ty+T=TN即三个不同的空间矢量通过控制插入时间即可合成任意矢量。(2.9)图2.8电压控制矢
35、量合成图2.9等效矢量图设目标矢量和起始有效矢量4的夹角为0,则由正弦定理可知:t.-IT-联立式9)和(2.10)有:JTTX=Sin(y-9)Ty=HITNSin(O)TQ=TN-T*-T?式中m为SVPWM调制系数，m=还有一种方法也可以计算T八A，且不需要判断所在扇区，将图2.8等效为图2.9得:将上式代入式9)得;式(2.13)中的计算与所在扇区无关，适合任何幅值相位的目标矢量。在线性SVPWM调制区域中，每个开关周期内加入适当时间的零矢量，根据不同的T。、明生成的PwM波的直流电压利用率不同。一个开关周期内的电压矢量采用顺序如下：2.2交流电力机车谐波产生的机理交流电力机车中间直流
36、环节并联有较大的支撑电容和二次谐波谐振回路，四象限整流器输出直流电压，逆变器产生的高次谐波受中间回路的影响，大部分都被消耗，只有少量回馈到整流器中，从而回馈到接触网。因此，谐波电流主要由整流器产生，在此只考虑这部分谐波。网侧电流谐波主要分为低次谐波和高次谐波，低次谐波只由电路拓扑结构和控制算法所引起，且谐波频率低于开关频率。而高次谐波则是由开关器件切换而引起的开关频率整数倍附近的谐波侬，25】。2.2.1变流器低次谐波产生机理设变流器网侧电源电压和电流分别为un=y2UNCOSW/(2-2)iN=V2jvCOSGW-)(2-3)其中的UN和“分别为网侧电压与电流的有效值，。是电流滞后电压相位角
37、，当变流器在整流模式工作时：。二0。；而当变流器工作在逆变模式时：6=180。则变流器的输入功率为：Pi,l=HNiN=2UnCOS(WZ)CoS(卬一夕)(2-4)因为变流器工作正常时，。为0。或者180,由此(2-4)可以简化为：Pin=UnIncos+UnIncos(2W/)cos(2-5)当中UNLvCoSe为稳态量，UNINcos(2vvr)cos为波动量。假设利用平均状态等效模型，则瞬态输出端的功率可以表示为：P(M=UdId+CM生(2-6)at其中力和分别是系统的输出电压G和电流。的平均值，Q是电压心的波动值。若开关器件均为理想模型的话，在换相过程中并没有功率损失和能量储存，那
38、么交流侧和直流侧瞬时功率应该是相等的，即得式子(2-7)oPm=POUT(2-7)由此可见输入与输出对应的稳态量相等，波动量也相等，联立式子(2-5)、(2-6)、(2-7),有：(2-8)(2-9)(2-10)CdUd蚣=UnInCOSQHv)cos。dt_Unnsin(2oZ)COSe“加=2CdUd则实际的直流侧输出电压以.可以表示为：+哒等产所以，直流侧输出电压具有2倍电网频率的纹波。由式子(2T)可知，在电压外环PI控制器中，直流侧二次纹波电压会造成给定电流/“中含有二倍于电网频率的谐波分量。而通过控制电路得到的网侧电流给定值L中必然会含有3次谐波电流，实际网侧电流跟踪给定网侧电流，
39、则实际网侧电流L最终就含有较大的3次谐波。同理说明网侧电流忆中的3次谐波通过变流器后将必然导致网侧电流含有5次谐波。以此类推。根据以上理论分析可得，由于直流侧中含有较高的二次谐波，所以网侧电流中的3、5、7等奇数次谐波含量较大。CRH2型动车组采用的三电平变流器，考虑到直流侧没有2次滤波回路，实际中的直流侧二次纹波的含量较高，这将导致机车网侧电流低次谐波含量较高。2. 2.2变流器高次谐波产生机理交流传动机车产生的高次谐波分布特性是与变流器的开关频率密切相关的。下面以CRH为例来说明。CRH2型机车中的变流器的开关频率为八二1250Hz,那么载波比为n=125050=25,o因为利用PWM调制
40、技术，三角载波与正弦调制波与PWM产生的脉冲信号具有对称性，由此可以看出牵引网侧电流含有的偶次谐波电流含量较低，主要以奇次谐波为主。因为开关频率比调制波频率高很多，所以可以认为调制信号在一个开关周期内为恒定量。CRH2型机车组所采用的是三电平变流器，它能输出五种电平，分别为Ud、Ud/2、0、-Ud2,-Udo因此，当在一个开关周期内，输入端电压”的状态变化了五次的话，则网侧电流在一个周期内也变化了5次，由此可以认为网侧电流主要含有两倍开关频率左右的谐波。根据上面的理论分析，动车组网侧电流只含有奇数次谐波，主要的高次谐波分布在：2nl、2n3、2n5等谐波次数。因为载波比n=25,所以CRH2
41、型机车的高次谐波含量主要分布在43、45、47、49、51、53、55等频次上。2 .2.3交流传动动车组网仰谐波电流数学分析m=2.4w. r=l,3.根据二电平整流器的控制原理，利用双边傅里叶变换和贝塞尔函数可以得到整流器输出电压的表达式为：Xcos(mct+nmt+ma+n)式中：M为调制比，的为调制波角频率，金为载波角频率，人为阶贝塞尔函数，为调制波的相位，为三角载波的相位，UA为直流侧电压。上式仅由两部分组成：D基波部分：MUdccos(mt+);2)交叉调制部分：X X .m=2.4i=l,3. cos( mj + nj + ina + n)主要特点是：1、两界的直流分量、载波频率
42、成分都被抵消；2、基波成分加倍；3、由于整流器两个桥臂的调制总是相差180。，因此在Nab的频谱中不存在偶次谐波。控制系统控制网侧电流的九基波分量与网压同相位，故设其有效值为人,则有：im=伤MCOSMf)(215)对于图2.3中的主电路图，由于电阻相对于漏感较小可忽略，由基尔霍夫定理，各电压的基波分量就满足下式：(2.16)jdiN由公式14)可知，4.的基波分量为=MudCCOS(你J+4)，由于交流电流的基波分量/V/与网压必同相位，可得：MU&cos/3 =UN由网侧电流的基波分量有效值为： l =MUNn 7(MU)-2U；N， 2L岛 J同理，对于网侧电流的谐波分量，必须满足电压约
43、束：= _从dt abk将式(2. 14)代入式(2. 19)可得两电平PwM整流器见网侧电流的谐波分量:(2.17)(2.18)(2.19)(2.20)nMTitnmL(mc +nn)Jn(-)cossin(mct+nmt+ma+n)综合式(2.18)和(2.20),最终得出两电平脉冲整流器网侧电流可表示为:J(MUd)2-2Un2cos(r)-U.(2.21)0000w=2,4,.w=l,3,.其中，牵引工况时取“+”，再生制动时取“-”。由式(2.14)和(2.21)可知，两电平脉冲整流器输入电流的的基波部分受调制比M及网侧电压有效值4的影响，而整流器有功功率与网侧电压电流的关系为尸=U
44、/,则基波部分受机车功率的影响。而谐波电流大小受调制比、机车功率及牵引网电压初相位的影响。同时机车谐波分布情况和电压的谐波分布情况完全一致，只是幅值随谐波次数的增加而迅速减少，且在牵引和再生制动工况下，输入电流人的谐波分布并无不同，即交流电传系统输入电流谐波的分布情况与机车运行的工况无关。3 .3交流电传系统仿真建立与谐波分析本节将以HXDl型高速动车组为例，在MATLAB/Simulink中搭建其仿真模型，验证上述理论分析结论，并得出谐波输出特性与哪些因素有关。HXDl型动车组牵引电传系统的主电路结构框图如图2.10所示。4QC三相交流 辅助电源三相交流 辅助电源图2.10HXDl型动车组牵
45、引传动主电路结构框图HXDl型大功率交流传动电力机车牵引变压器的初级绕组由四个绕组并联从接触网上取电，额定电压为25KV,额定功率为等效为一个绕组，额定容量5280KVA；次级4个绕组各自独立运行，连接整流器，额定电压为970Vo机车是由受电弓从接触网取得25kV50Hz的高压交流电，经过拖车底架上的主变压器变为970V50Hz交流电,降压后的交流电经四象限整流器转换成1800V的直流电，此直流电再经过二电平逆变器转换成频率、电压均可变的三相交流电供牵引电机使用。牵引变压器，一方面在列车供电系统与接触网间起隔离作用，另一方面将电网电压转换为适当的电压供列车电气系统使用，再有就是提供滤波保护等手段，保证列车使用高质量的电力。在中间的直流环节相互独立的设计，使得机车的牵引力有将近75%的冗余。在中间直流环节的设计中，还加上了过压过流保护电路、二次谐振保护电路和接地检测电路等12刀。HXDl型电力机车的主要技术参数与仿真参数如表2.3所示。表2.3HXDl型电力机车主要技术与仿真参数HXDl变流器主要技术与仿真参数主变流整流器输入电压970V逆变器输出电压范围02027V直流环节电压17001850V
