轨道交通牵引系统空间矢量脉宽调制同步过调制策略研究

轨道交通牵引系统运行速度范围广,稳定性要求高,这就使得牵引系统应具备从异步调制到方波的平滑过渡能力,通常的解决方法是采用混合脉宽调制策略。目前,常用的混合脉宽调制策略有两种,一种是采用无载波调制连接异步调制和方波,另一种则采取同步过调制策略连接异步调制和方波。该文分析了这两种方法的优缺点,针对同步过调制策略,介绍了传统的异步过调制和同步过调制,结合传统方法的缺陷,该文提出了改进型同步SVPWM过调制策略。最后,通过仿真及实验,证明改进型同步空间矢量脉宽调制(SVPWM)过调制策略具有实现简单,过渡期转矩无脉动的优点。

城市轨道交通24脉波整流机组的机理分析

本文分析了城市轨道交通牵引供电系统中24脉波整流机组的接线方式和工作原理,并利用MATLAB/SIMULINK对24脉波整流机组进行仿真分析。采用傅立叶级数分析了交直流侧谐波,结果表明:24脉波整流机组,不仅能够有效减少对电网的污染,而且可以降低输出直流电压的纹波系数。

城市轨道交通接触网在线融冰方法

为了解决低温环境下城市轨道交通运营时段频繁出现接触网覆冰的问题,总结分析了传统热力融冰方法难以进行在线融冰的原因,提出了一种以上下行接触网作为融冰电流回路的接触网在线融冰方法;结合在线融冰运行特点,设计了融冰功率单元的结构拓扑及控制策略,基于电网络模型定量分析了在线融冰方法对牵引供电系统的影响,建立了包含融冰功率单元的牵引供电系统精确动态仿真模型对在线融冰效果进行验证。结果表明:注入融冰电流后,接触网电流有效值显著提高,能够达到预期的融冰效果;最恶劣覆冰环境下2500 A融冰电流对列车造成的最大电压偏移量仅在100 V以下,在线融冰过程不影响列车及牵引所的正常工作,具有良好的工程应用前景。

基于频域阻抗网络建模分析的交直流微电网振荡问题研究

交直流微电网在不同类型电力电子变流器的不同带宽控制环节作用下,容易引发系统发生宽频振荡问题。现有的微电网振荡分析主要基于阻抗分析法和特征分析法,然而这两种方法存在一定的局限性。为此,该文研究了基于频域阻抗网络模型的交直流微电网振荡问题建模与分析方法。首先,建立了交直流微电网在频域下的等效阻抗网络模型,并计算节点频域导纳矩阵及回路频域阻抗矩阵。其次,基于频域模式分析法,建立了交直流微电网的节点/回路振荡参与程度指标以及设备和控制参数的灵敏度指标,给出了振荡的交直流传播特性分析方法,便于明晰系统振荡机理与关键影响因素。最后,通过Matlab/Simulink时域仿真及算例分析验证了上述频域阻抗网络建模和振荡稳定性分析方法的有效性。

基于基本矢量钳位策略的过调制算法研究

低开关频率大功率牵引变流器为了充分利用直流电压,往往要过渡到方波工作模式,传统双模式过调制算法采用异步方式实现过渡,很难保证输出电流的对称性,且存在较多的寄生谐波和转矩脉动。本文基于基本矢量钳位策略BBCS(Basic Bus Clamping Strategy)对传统过调制算法进行了改进,在每个扇区固定位置通过特定矢量作用顺序进行调制,保证了低开关频率下较好的谐波特性,有效抑制了转矩脉动,且能平滑过渡到方波。仿真和实验验证了所提方案的可行性和有效性。

大功率牵引逆变器的中频区调制算法对比研究

轨道交通用大功率车载牵引逆变器开关频率低、调速范围宽,其调制算法通常采用低频区异步调制、基频以上方波调制的方式,而中频区用于实现异步调制与方波调制的过渡,并对逆变器输出谐波特性进行改善。该文对过调制和优化同步调制这两类中频区调制算法进行了研究,从调制性能、应用范围等方面进行了详细的对比分析,并通过仿真和实验进行了验证,结果表明:优化同步调制虽然数字实现相对复杂,但是具有更好的谐波特性,因此具有更广阔的应用前景。

基于周期控制的载波移相策略研究

为了抑制系统内部网侧四象限变流器产生的高频谐波,减小对电网的谐波污染,防止产生车网高频谐振,提出一种基于周期控制的载波移相策略及实现方法。针对同一列车多个牵引系统之间无同步线的情况,提供一种以网压过零点为参考,通过微调PWM载波周期,实现准确且稳定的校正载波移相角的方法。通过Matlab/Simulink仿真及混合动力动车组牵引系统运行实验,验证该载波移相策略的可行性及有效性,为工程实践提供指导。

基于频域分析的无拍频控制策略研究

动车组牵引传动系统由于单相脉冲整流器的引入,使直流环节存在2倍频脉动电压。该脉动电压会在电机侧产生拍频现象,引起电机转矩和电流脉动。本文分析产生拍频现象的原因,并通过对传动系统进行数学建模,得到电机转矩脉动和电机电流脉动与脉动电压的关系,采用一种基于频域分析的无拍频控制策略,通过加入一个补偿环节,根据脉动电压对电机转差频率进行修正,消除直流电压脉动引起的电机转矩和电流脉动,并通过仿真和实验对该方法进行了验证。

城轨柔性牵引供电系统及优化控制研究

针对传统牵引供电系统存在的列车再生能量利用不充分、直流供电波动大、交流网功率因数偏低等问题,提出一种引入双向变流器的柔性牵引供电系统方案。介绍了柔性牵引供电系统的几种典型工作模式,以及其中双向变电所的实现方案。研究了双向变流器的建模、直流特性优化、分散式无功补偿等关键技术,提出柔性供电系统分层控制结构,实现对交直流混合系统的柔性控制。建立城轨柔性供电系统仿真模型,并对典型应用场景下系统功能和性能进行仿真,实现了系统的综合优化。

基于双向DCDC电路有源二次滤波研究

二次功率脉动是单相四象限变流器固有的问题,传统方法是在直流母线并联LC二次谐振电路或增大直流侧电容.以避免该脉冲分量对后级负载造成影响,为提高变流器的功率密度,提出了一种利用双向DCDC电路对二次功率进行有源滤波的方法.该方法通过检测四象限变流器输入至直流侧的二次脉动功率,以此为指令采用比例谐振对DCDC电路进行控制以产生相应二次补偿功率,消除了直流母线二次脉动电压,滤波效果明显,并且通过PI控制保证了补偿储能电容电压的稳定.同时,基于电感电流在额定功率下能跟踪指令电流和储能电容最大电压限制的,给出了储能电容及其偏置电压之间的约束条件,并进行了参数设计.最后,利用Matlab/Simulink对控制策略进行了仿真,并搭建了实验平台进行了实验,仿真和实验结果一致,验证了理论的可行性.

一种脉冲式死区补偿方法的研究

死区效应广泛存在于电力电子开关器件控制中,死区时间的存在不仅影响了输出电压的准确度和输出电流的谐波特性,在有些系统中还会导致系统出现不稳定的状况。该文针对逆变器的死区效应进行详细分析,综合考虑开关管的死区时间、开关延时、通断损耗等问题对输出电压和电流的影响,提出一种脉冲式的死区补偿方法。不同于传统意义上的死区补偿方案,该补偿方法针对每个开关周期内的实际作用脉冲进行精确补偿。尤其在低速区域,在保证输出电压准确性的同时可降低输出电流谐波。最后,利用300kW大功率对拖电机平台进行验证,仿真和实验结果都证明了该补偿方案的可行性。

基于高通滤波器的铁路谐波抑制研究

随着交-直-交动车组在电气化铁道中的大量使用,动车组产生的高次谐波引起的牵引网谐波放大、谐振问题越发严峻。针对该问题,本文建立了牵引网的等效电路模型,对牵引网谐振和谐波放大特性进行理论分析和仿真验证,并介绍了一种通过在机车内的牵引变压器辅助绕组上增加高通滤波器来抑制谐波电流增益的方法。最后通过理论计算和仿真验证了该方法抑制谐波增益的有效性,对防止谐波对牵引网造成的危害有一定的参考价值。

基于BDD算法的故障诊断研究与应用

故障树分析法在运用过程中容易产生"维数爆炸"等问题,本文重点研究基于BDD算法的故障树分析法,分析故障树转化为BDD的方法,并基于BDD算法求解顶事件发生的概率以及底事件的结构重要度,最后采用该算法进行算例分析与应用。

脉冲直流环节高频链辅助逆变器与SRSPWM混合调制研究

为保证脉冲直流环节高频链辅助逆变器较高的输出电压质量,引进SRSPWM混合调制策略。该调制前级采用移相控制方式,而移相角度由6脉波与三角载波的占空比决定;后级实现对前级的解调,但在一个基波周期内仅有1/3周期处于调制状态,与传统SPWM调制相比大大减小了开关损耗。通过数学推导验证了该调制方法的可行性,最后对该混合调制策略进行了仿真与实验验证。

不均匀气隙工况下轴向磁通永磁电动式磁悬浮电机的磁场与力特性分析

该文以轴向磁通永磁电动式磁悬浮电机为研究对象,针对其运行过程中存在的气隙不均匀工况,在直角坐标下建立求解该电机磁场和电磁特性的三维解析模型。首先,基于等效电流片模型,推导出轴向磁通Halbach永磁阵列的三维空间磁场分布函数。对该磁场分布函数进行傅里叶级数转换,使Halbach转子三维磁场函数具有形式上连续统一的解析表达式。在此基础上,基于二阶矢量磁位,构建该电机的三维解析模型,推导出悬浮力、水平力和涡流损耗的解析表达式,并通过有限元法验证了解析计算模型的准确性。最后,通过小型样机实验,来验证理论计算的准确性。该文提出的解析模型适用于永磁电动式磁悬浮系统的任意气隙工况,可以作为该系统的一般设计方法。

三相电压源逆变器最小损耗PWM算法性能优化

为降低高频隔离型辅助变流器中三相电压源逆变器开关损耗,提出一种零序分量连续可调的改进型广义不连续PWM算法,通过实时调节调制相角,实现不同60°不连续PWM算法的线性平滑过渡,进而基于优化的时域仿真分析方法,对比分析不同算法谐波性能,并引入谐波畸变因数进行规律验证,确定谐波性能优越的调制度下限;进一步建立系统损耗模型,提出基于开关损耗函数与死区效应的损耗分析方法,实现最小损耗不连续PWM算法;在过调制的非线性区内,协调考虑电压调制增益与谐波性能,确定整体性能优化的调制度上限。最后利用DSP进行数字化实现,并通过试验验证了理论分析的正确性与归一化方法的可行性。

具有低次谐波抑制能力的PIR控制器设计

为了抑制由牵引网网压畸变引起的单相四象限变流器交流电流中的低次谐波,在电流环中引入一种比例积分谐振(PIR)控制器。通过对比研究不同种类的谐振控制器性能差异,选取一种较为合适的准谐振控制器应用于PIR中,并利用根轨迹法设计PIR控制器的参数,以保证系统稳定并具有良好的动态性能。通过Matlab/Simulink仿真及样机实验,验证了所提PIR控制器在谐波抑制及稳定运行方面的优越性。

基于频域分析的无拍频控制策略离散化方法

交直交供电模式的动车组牵引系统中,单相脉冲整流器的特性使得直流侧存在2倍频脉动分量。该脉动分量使得电机的转矩和电流均存在脉动,即拍频现象。传统方法通过硬件LC滤波器抑制直流电压脉动,该方法降低了交流器的功率密度并且增加了成本。本文首先对拍频现象做了分析,提出适用于转子磁场定向矢量控制系统的无拍频控制策略。控制器在数字系统中的控制性能依赖于离散化方法,本文对采用后向欧拉离散的传统脉动电压采样进行了优化以准确获得脉动分量,然后用八种离散化方法分别对本文控制器进行离散化处理,从离散精度、控制性能和数字实现难易程度进行了详细对比,得到针对本文控制器的最优离散化方法,最后对本文所提方法进行了仿真和实验验证。

基于相位延迟的三电平Boost变换器中点电位平衡控制策略

针对三电平Boost变换器存在的中点电位偏移问题,提出一种基于电感电流纹波的小信号建模方法,完成了三电平Boost变换器关于输出电压和偏差电压的精确建模。根据不同占空比区间内相位延迟的边界条件,推导出偏差电压增益特征系数的不同解析表达式。对不同带宽的双环控制方案进行了优化设计,并分别采用PID和PI控制器对双控制环进行串联补偿,改善了输出电压环的动态性能,消除了偏差电压环的控制误差。最后,借助仿真和实验对理论分析的正确性和中点电位平衡控制策略的有效性进行了验证。

城轨牵引供电系统多尺度和多物理域建模仿真方法

城轨牵引供电系统实际运行涉及电、磁、热、力等多物理域耦合作用,以及多时间、空间尺度变化过程。然而,传统建模仿真方法尺度分离、机理单一,难以对系统的多尺度和多物理域状态进行统一描述及全面分析。因此,首先提出一种城轨牵引供电系统多尺度和多物理域建模仿真方法,采用Simscape平台和模块化、组件化、可视化建模思想,设计多尺度和多物理域的系统级建模框架;然后基于并行协同交互策略,提出一种模式自适应的多尺度仿真方法,实现多尺度模型之间的有机高效融合;接着基于分级多域反馈,提出系统级的多物理域仿真方法,保证多物理域模型的耦合交互仿真;最后基于仿真验证了所提出的多尺度和多物理域建模仿真方法的有效性,表明多尺度和多物理域模型能够统一描述系统在多个物理域下的宏观及微观特性,全面、充分地表征系统运行的实际物理过程。