关键词：
电力电子牵引变压器
准PR控制
双移相优化控制
载波相移调制
均压均流控制
摘要：
电力电子变压器(Power electronic transformer,PET)是一种将电力电子变换技术与传统工频变压器相结合以实现电压变换与能量传递的新型变压器。它具有体积小重量轻,可靠性高,功率密度大等优点。应用于机车牵引系统中,可实现牵引变压器的小型化和轻量化,对牵引传动系统向高速、大功率方向发展具有重要意义。本文主要研究电力电子变压器在机车牵引系统中的应用,以电力电子牵引变压器(Power electronic traction transformer,PETT)主要环节的控制策略作为研究重点,以优化其在效率和电能质量方面的性能。首先,对电力电子牵引变压器整体结构及其工作原理进行了分析。电力电子牵引变压器为提高其额定功率和电压等级,通常由多个单元模块级联组成。而每个PETT单元模块又由单相AC/DC整流器和双向隔离型DC-DC变换器构成。为此,本文依次建立了电力电子牵引变压器单元数学模型,包括输入级模型和隔离级模型,以及电力电子牵引变压器整机——输入串联输出并联(input-series output-paralleled,ISOP)型级联电力电子牵引变压器的拓扑模型。其次,基于构建的电力电子牵引变压器单元模块数学模型,对单元模块中的单相AC/DC整流器和双向隔离型DC-DC变换器控制策略进行了研究。其中,整流环节以构建的数学模型为基础,分析了单相PWM整流器交流侧低次谐波的产生原因,指出了传统PI控制的不足,并基于准PR控制原理和谐波补偿技术给出了一种新的控制策略。将其与PI控制进行了对比研究,研究结果表明,通过准PR控制+谐波补偿技术有效抑制电网侧电流谐波,改善系统的暂稳态性能。在直流环节重点分析了双向隔离型DC-DC变换器在双移相控制下的“软开关”特性与功率回流特性,在此基础上提出了一种双移相优化控制算法,该算法以扩大开关管“软开关”范围和减小变换器回流功率为约束条件,通过移相角的优选,协调系统对开关管“软开关”范围和回流功率的要求,使系统在满足桥臂功率管“软开关”条件的同时,得到更小的回流功率,从而提高变换器效率。再次,在以上研究的基础上搭建了一台电力电子牵引变压器小功率单元实验样机。该样机的控制系统采用DSP与FPGA相结合的形式。设计了PETT主电路的参数,重点分析了整流环节和高频隔离环节的滤波器的设计方法。通过样机实验对所提控制策略进行了进一步验证,实验结果表明所提控制策略可有效改善电力电子牵引变压器电能质量,提高系统效率。最后,基于构建的输入串联输出并联(ISOP)型级联电力电子牵引变压器拓扑的数学模型,分析了输入电压与输出电流不均衡的原因,以及输入均压与输出均流之间的关系。由于ISOP型PETT的输入均压无法确保输出均流,本文提出了一种基于前后级协调控制的输入均压和输出均流控制策略。该控制策略在输入级单相dq矢量控制的基础上引入均压控制,在隔离级基于移相控制原理引入均流控制,并以输出直流电流的实测值作为反馈信号,无需进行复杂的功率计算,因而更有利于工程实现。仿真结果表明所提控制策略实现了模块间的输入均压和输出均流。
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