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基于CRH3型动车组的单相整流器直流侧二次纹波抑制研究

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基于CRH3型动车组的单相整流器直流侧二次纹波抑制研究

作者：刘梓西南交通大学

学位级别：硕士

随着高速动车组在铁路运输中的比重日益提高,对动车组在运行过程中的安全性、快捷性以及经济性的要求也愈加严格,整车的结构设计必须要符合一定的技术指标。在现有的整车结构设计中,如何在保证列车各项性能的前提下尽可能降低车体的质量... 详细信息

随着高速动车组在铁路运输中的比重日益提高,对动车组在运行过程中的安全性、快捷性以及经济性的要求也愈加严格,整车的结构设计必须要符合一定的技术指标。在现有的整车结构设计中,如何在保证列车各项性能的前提下尽可能降低车体的质量,即轻量化设计成为一个不可或缺的部分。目前牵引变流器的前端采用的是单相整流器,导致直流侧会不可避免地产生二次纹波,而工程上采用的二次纹波抑制电路体积重量庞大,不利于列车的轻量化设计。因此,针对中国高速铁路(China Railway High-speed,CRH)系列动车组中速度最快的CRH3型动车组研究一种既能满足直流侧吸收二次纹波要求,又能将体积重量减下来的滤波方案具有高度的现实意义。本文首先简要介绍了列车牵引传动系统的发展历程与研究现状。在此背景下介绍了单相整流器直流侧存在的二次纹波问题的研究现状,指出了本文研究有源滤波方案的先进性。然后深入分析了基于CRH3型动车组的牵引变流器结构与工作原理,根据列车功率要求设计了变流器的容量、输入滤波电感等关键参数;建立了单相整流器的数学模型,研究了其瞬态直接电流直接控制策略与双极性SPWM调制;建立了三相逆变器的数学模型,研究了牵引电机的转子磁场定向间接矢量控制策略与混合多模式脉宽调制。通过在Matlab/Simulink中搭建仿真模型,验证了本文研究的基础控制策略与调制策略的正确性。其次,根据牵引变流器的能量流动关系,深入分析了单相整流器直流侧二次纹波的产生机理;从整流器和逆变器的控制原理及硬件电路两方面,揭示了二次纹波造成整流器网侧电流及逆变器输出电压中大量低次谐波的影响机理;设计了既有无源二次纹波抑制方案。通过搭建的仿真模型验证了二次纹波产生机理与影响的正确性。然后,基于二次纹波产生机理,依据列车轻量化设计的要求,设计了有源二次纹波抑制方案,设计了有源二次纹波抑制主电路并对滤波电感、滤波电容和给定的直流偏置电压进行了计算,提出了一种应用于有源二次纹波抑制电路的电压电流双闭环控制策略;针对无源方案和有源方案分别进行了工程设计,建立了工程3D模型,从体积、重量、成本方面对比了两种方案的优越性。通过在Matlab/Simulink中搭建仿真模型,验证了本文提出的单相整流器有源二次纹波抑制方案的正确性与有效性。最后,搭建了以FPGA为核心控制器的小功率实验平台和以半实物为核心的大功率验证平台,基于Verilog语言编写了单相整流器和二次纹波抑制电路实验程序,通过实验结果与理论对比分析,验证了本文提出的单相整流器有源二次纹波抑制方案的正确性与有效性,为其工程应用奠定了良好的基础。

关键词： CRH3型动车组单相整流器二次纹波有源滤波工程设计

两级式单相逆变器二次纹波电流的抑制与动态特性的改善

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中国电机工程学报 2013年第12期33卷 72-80,188页

作者：祝国平阮新波王学华杨志兵华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室湖北省武汉市430074

两级式单相逆变器的瞬时输出功率以两倍输出频率脉动,使得前级DC-DC变换器和输入源产生二次纹波电流。前级DC-DC变换器采用电压电流双闭环控制能有效抑制二次纹波电流,但要求电压外环的截止频率很低,这将导致负载跳变时系统动态特性较... 详细信息

两级式单相逆变器的瞬时输出功率以两倍输出频率脉动,使得前级DC-DC变换器和输入源产生二次纹波电流。前级DC-DC变换器采用电压电流双闭环控制能有效抑制二次纹波电流,但要求电压外环的截止频率很低,这将导致负载跳变时系统动态特性较差。从阻抗的角度出发,分析电感电流内环抑制前级DC-DC变换器和输入源中二次纹波电流的机理;提出在前级DC-DC变换器中引入含有两倍输出电压频率陷波器的负载电流前馈,该方法可在不增大二次纹波电流的情况下,显著改善负载跳变时的动态特性;最后,通过实验结果证明所提出的控制策略的有效性。

关键词：两级式单相逆变器二次纹波双闭环控制负载电流前馈陷波器

抑制单相PWM整流器二次纹波的模型预测控制

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电力电子技术 2020年第5期54卷 105-107页

作者：张健彬康龙云胡竞文冼武华南理工大学电力学院广东广州510640 嘉龙海杰电子科技有限公司广东东莞523660

传统全桥单相脉宽调制(PWM)整流器的输出电压中含有大量的二次纹波,而电容储能型单相PWM整流器是在交流侧增加了一个储能电容用以存储输入功率中的二倍频分量,从而可以减小输出电压中的二次纹波。在此以电容储能型单相PWM整流器为研究对... 详细信息

传统全桥单相脉宽调制(PWM)整流器的输出电压中含有大量的二次纹波,而电容储能型单相PWM整流器是在交流侧增加了一个储能电容用以存储输入功率中的二倍频分量,从而可以减小输出电压中的二次纹波。在此以电容储能型单相PWM整流器为研究对象,对其有源滤波原理进行了分析并提出了模型预测控制策略,建立了预测模型,设计了目标函数,根据预测模型及目标函数在线选取最合适的开关状态来达到抑制二次纹波的目的。实验结果表明,与传统全桥PWM整流器相比,输出电压中的二次纹波减小了15倍左右。

关键词：整流器二次纹波模型预测控制

基于有源负电容的电压源型逆变器直流母线二次功率脉动的抑制方法

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中国电机工程学报 2021年第22期41卷 7772-7781页

作者：林智乐何良宗周鸿彦厦门大学航空航天学院福建省厦门市361005

针对电压源型逆变器直流侧存在二次功率脉动的问题,提出一种基于有源负电容的二次纹波电流吸收方法,该方法具有可热插拔,控制简洁,可靠性高等优势。首先,建立有源负电容的概念并分析二次纹波电流抑制机理,描述有源负电容电路的工作原理... 详细信息

针对电压源型逆变器直流侧存在二次功率脉动的问题,提出一种基于有源负电容的二次纹波电流吸收方法,该方法具有可热插拔,控制简洁,可靠性高等优势。首先,建立有源负电容的概念并分析二次纹波电流抑制机理,描述有源负电容电路的工作原理;然后,进行系统参数设计并提出相适应的调控策略,所提方法通过在逆变器直流侧吸收二次电流纹波,使二次脉动功率仅在逆变器直流侧与该拓扑结构间传递,对交流侧影响少,且拓扑结构实现支路软开关运行,具有较高的效率。此外,含有源负电容的纹波吸收电路可调控对特定谐波为零阻抗,因此,也可以用于抑制系统其他频率的电流谐波。最后,通过仿真和实验验证所提方法的可行性。

关键词：二次纹波单相逆变器低频电流纹波有源负电容功率密度

基于多绕组高频变的固态变压器二次纹波电压抑制策略

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基于多绕组高频变的固态变压器二次纹波电压抑制策略

作者：闵泽莺湖南大学

学位级别：硕士

基于电力电子技术和高频变压器技术的固态变压器（Solid State Transformer,SST）,因其具有电能质量优化控制、故障隔离、交直流能量管理等诸多优势,得到了国内外专家学者的广泛研究。现有的SST通常采用整流、隔离、逆变三级结构,其中... 详细信息

基于电力电子技术和高频变压器技术的固态变压器（Solid State Transformer,SST）,因其具有电能质量优化控制、故障隔离、交直流能量管理等诸多优势,得到了国内外专家学者的广泛研究。现有的SST通常采用整流、隔离、逆变三级结构,其中隔离级是SST实现高低压电网之间电能变换和隔离的关键部分,一般采用模块化组合的双有源桥（Dual-Active Bridge,DAB）变换器。随着电网电压等级和输出功率的提高,中间级所需要的DAB变换器模块数量也随之增加,由此也提高了中间级和整个装置的设计和控制难度。针对上述问题,本文提出了一种基于多绕组高频变的电力电子变压器（Solid State Transformer based on Multi-winding High-frequency Transformer,MHT-SST）。相比于传统的SST,MHT-SST的中间级采用基于多绕组高频变压器的多有源桥（Multi-active Bridge,MAB）变换器,在结构上集成度更高,在控制上更加灵活,能较大程度地减小装置体积,避免传统SST中间级各模块独立控制带来的误差和不同步等问题。本文重点对MHT-SST的优化控制和二次纹波电压抑制开展了研究,主要工作如下:（1）提出了基于低压侧功率前馈的MHT-SST均功率控制方法。首先对MHTSST的功率特性进行了分析,建立了MHT-SST的平均数学模型。针对现有SST控制策略未考虑实际参数、控制器数量多等问题,本文提出了基于输出级功率前馈的MHT-SST均功率控制方法,实现了对MHT-SST整体控制的简化,同时保持高低压侧各端口电压的稳定,最后通过仿真验证了所提出控制方法的有效性。（2）提出了MHT-SST二次纹波功率解耦策略。首先对二次纹波功率产生的机理进行了分析,然后结合MHT-SST中间级结构,对二次纹波功率的耦合特性进行了研究,并建立了MHT-SST二次纹波功率的耦合模型,提出了基于对角矩阵的MHT-SST二次纹波功率解耦控制策略,能降低暂态过程中端口的冲击电压,提升装置的响应速度,最后通过仿真验证了所提解耦策略的有效性。（3）提出了单相、三相MHT-SST二次纹波电压抑制方法。根据MHT-SST的二次纹波功率产生机理,结合二次纹波功率解耦策略,分别针对单相、三相MHT-SST,提出了相应的二次纹波电压抑制方法。最后分别搭建单相、三相MHT-SST的仿真和实验模型,验证了所提策略的有效性。

关键词：固态变压器多绕组高频变压器多端口变换器功率解耦二次纹波纹波抑制

基于虚拟阻抗的两级式逆变器二次纹波电流传播特性及抑制策略

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电机与控制应用 2021年第10期48卷 103-109页

作者：杨波汤峻杨晨国网江苏省电力有限公司苏州供电分公司江苏苏州215031

两级式单相逆变器的输出瞬时功率包含2倍于输出电压频率的脉动功率,致使前级DC/DC变换器的输入存在二次纹波电流。前级DC/DC变换器控制环路的优化是解决该问题有效且低成本的方法。通过环路等效,给出了单环控制以及双环控制的等效电路模... 详细信息

两级式单相逆变器的输出瞬时功率包含2倍于输出电压频率的脉动功率,致使前级DC/DC变换器的输入存在二次纹波电流。前级DC/DC变换器控制环路的优化是解决该问题有效且低成本的方法。通过环路等效,给出了单环控制以及双环控制的等效电路模型,基于虚拟阻抗的概念分析了电压外环以及电流内环在二次纹波电流传递过程中的作用。在此基础之上,解释并归纳了现有控制策略的抑制原理,指出其中存在的局限性,并给出了2种优化方案。最后,构建了1.5 kVA两级式单相逆变器原理样机进行了仿真及试验验证,验证了分析方法的可行性以及控制策略优化的有效性。

关键词：两级式单相逆变器二次纹波等效电路模型虚拟阻抗优化方案

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单相变换器直流侧二次纹波问题研究

单相变换器直流侧二次纹波问题研究

作者：漆文龙山东大学

学位级别：硕士

随着全控功率开关器件的快速发展,一种能量可双向流动的变换器—PWM (Pulse Width Modulation)整流器,正受到学者们的广泛关注。它具有很低的电网谐波污染、功率因数可调整以及能量可双向流动等优点,被广泛地应用于机车牵引变流系统、UP... 详细信息

随着全控功率开关器件的快速发展,一种能量可双向流动的变换器—PWM (Pulse Width Modulation)整流器,正受到学者们的广泛关注。它具有很低的电网谐波污染、功率因数可调整以及能量可双向流动等优点,被广泛地应用于机车牵引变流系统、UPS (Uninterruptible Power Supply)、光伏并网发电、交流传动、级联多电平变换器、航空航天电源等系统中。对于单相PWM整流器,不可避免地存在二次脉动功率,进而导致直流母线电压产生二次纹波。传统的解决方法为在直流侧并联大电容或LC谐振电路,但此方法会导致整个变换器的功率密度大大降低。为此,一些学者提出了有源滤波(Active power filter-APF)方法的研究。现有单相变换器APF电路均可以降低甚至消除直流电压二次脉动分量,提高系统的功率密度。但是由于现有电路均需要额外附加开关管等辅助元件,使得系统的效率下降,对造价、系统稳定性等均造成不利影响。为解决上述问题,本文提出了一种新型具有直流电压二次脉动抑制功能的单相PWM整流电路。该电路将原有H桥变换电路的输入电感分为两部分,增加了用于吸收二次脉动功率的储能电容,连接于交流输入的一端与直流侧负电压端。该电路具有与其它APF电路相同的优点,如高功率密度,抑制甚至消除直流侧二次纹波等,但与其它APF电路相比,本电路没有附加开关管,从而具有更高的效率和稳定性。针对此新型变换电路,本文提出了其工作于单位功率因数整流情况下的控制策略。在文中,首先对该电路的调制策略进行分析,得到该电路稳态工作时的工作原则;然后,对该电路的电流环路进行分析,并结合其工作原则,分析出储能电容的电流不能直接控制,但两电感上的电流可以通过控制相应的开关管桥臂单独控制,从而间接控制了储能电容的电流;最终给出了该电路工作于单位功率因数整流情况下的控制策略。在PSIM9.0仿真软件中搭建了仿真模型,验证了该新型变换电路的可行性。同时,与其它几种电容储能型且电容工作于直流模式的二次脉动抑制电路进行了对比：无论是原有单相变换器二次纹波APF电路还是本文电路均可以很大程度上减小变换系统中电容的使用;虽然本文所提出的电路使用的储能电容的容值大于原有APF电路,但本文电路中储能电容工作的最大电压小于原有APF电路中储能电容工作的最大电压,该电路更适合应用于直流母线电压较高的场合。本文搭建了新型PWM整流电路小功率样机实验平台,来验证该电路的可行性,证明了本电路在未增加变换器损耗的同时,大大地减小单相变换器中电容的使用,降低了变换器的体积和造价。

关键词：变换器单相 PWM整流器二次纹波 PR调节器

牵引变流器二次谐振回路对系统性能影响的研究

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现代城市轨道交通 2018年第5期 8-12页

作者：夏梁志刘雄韩乔琳陈鑫中车永济电机有限公司山西永济044502 南非中车永济电机有限公司

针对牵引变流器直流侧容易产生2倍电网频率的电压纹波问题,分析其产生原因,研究在中间直流回路设计串联谐振电路对系统性能的影响,分别给出直流侧支撑电容器及二次滤波电路元件的设计方法。最后,利用仿真平台和系统高压试验验证得出,通... 详细信息

针对牵引变流器直流侧容易产生2倍电网频率的电压纹波问题,分析其产生原因,研究在中间直流回路设计串联谐振电路对系统性能的影响,分别给出直流侧支撑电容器及二次滤波电路元件的设计方法。最后,利用仿真平台和系统高压试验验证得出,通过选取合适的二次滤波回路参数能有效降低二次纹波影响,提高系统运行稳定性。

关键词：电力机车牵引变流器直流侧二次纹波二次滤波回路

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H型对称分布电容功率解耦电路

中国电机工程学报 2023年第2期43卷 738-749页

作者：章勇高樊越刘鹏迮思源何明星华东交通大学江西省南昌市330013

单相逆变器普遍存在二次纹波问题,容易造成系统不稳定和降低效率。文中在无附加开关管的情况下,仅保留H桥4个开关器件。此拓扑只需将交流侧原有滤波电容分裂成两组对称连接,同时可省略直流侧原有支撑电容。电路中差模保证功率输出,共模... 详细信息

单相逆变器普遍存在二次纹波问题,容易造成系统不稳定和降低效率。文中在无附加开关管的情况下,仅保留H桥4个开关器件。此拓扑只需将交流侧原有滤波电容分裂成两组对称连接,同时可省略直流侧原有支撑电容。电路中差模保证功率输出,共模保证解耦,因此对系统中差模和共模分别独立控制。理论分析和仿真解释了系统的解耦情况和解耦后存在的电容电压不平衡情况,并从解耦精度及附加开关数量方面良好地阐述该拓扑的优越性,最后通过实验结果证明该拓扑在无需额外开关器件情况下良好的解耦性能。

关键词：二次纹波共模控制单相逆变器有源解耦