網(wǎng)側(cè)變流器諧波分析

1、1 內(nèi)容要求1.1題目網(wǎng)側(cè)變流器諧波分析1.2摘要與關(guān)鍵詞1.2.1摘要：研究了網(wǎng)側(cè)變流器諧波的產(chǎn)生的原因，諧波特點(diǎn)，諧波抑制方法。分析了兩電平及三電平4象限變流器的主電路拓?fù)浼翱刂撇呗?。利用雙邊傅立葉級數(shù)法，給出了兩種4象限變流器網(wǎng)側(cè)電流的諧波公式，總結(jié)了諧波分布規(guī)律。編制了CRH2和CRH5型動車組4象限變流器的仿真軟件，研究了不同牽引和制動功率下，網(wǎng)側(cè)電流的THD及各次諧波電流大小，驗(yàn)證了理論分析的正確性。Summary：Research network converter harmonic generation of reason, characteristic harmonic, h

2、armonics suppression methods. Analysis of two-level and three-level 4 quadrant converter main circuit topology and control strategies. Using bilateral Fourier series method, gives two side current harmonics 4 quadrant converter network formula, summed up the harmonic distribution. Preparation of CRH

3、2 and CRH5 EMU 4 quadrant converter simulation software, studied under different traction and braking power, net current THD and harmonics of current size, and verifies the correctness of the theoretical analysis.1.2.2關(guān)鍵詞：諧波分析；脈寬調(diào)制；電感設(shè)計(jì)；交流傳動；4象限變流器；雙邊傅立葉變換；仿真；Key words: harmonic analysis, pulse-widt

4、h modulation; inductor design AC drives; 4 quadrant converter bilateral Fourier transform; simulation;1.3正文1.3.1緒論交流傳動課程設(shè)計(jì)是交流傳動課程重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是對我們學(xué)生學(xué)習(xí)交流傳動技術(shù)的綜合性訓(xùn)練，這種訓(xùn)練是通過我們獨(dú)立進(jìn)行某一個(gè)課題的分析、設(shè)計(jì)和仿真來完成的 通過交流課程傳動的課程設(shè)計(jì)要求我們：根據(jù)給定的題目，自己搜集相關(guān)資料，并運(yùn)用所學(xué)過的關(guān)于電力電子和交流傳動的知識內(nèi)容，對網(wǎng)側(cè)變流器諧波的產(chǎn)生的原因，諧波特點(diǎn)，諧波抑制方法進(jìn)行分析，并做出相關(guān)的仿真。 通過查閱手冊和

5、文獻(xiàn)資料，培養(yǎng)我們獨(dú)立分析問題和解決實(shí)際問題的能力。了解幾種常見網(wǎng)側(cè)變流器以及其諧波特點(diǎn)，諧波抑制方法，學(xué)會電路的仿真設(shè)計(jì)技能，掌握電路的測試方法及制作方法。 學(xué)會撰寫課程設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告，培養(yǎng)我們嚴(yán)肅認(rèn)真的工作作風(fēng)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。 1.3.2設(shè)計(jì)主體1.3.2.1諧波產(chǎn)生原因從結(jié)構(gòu)來看，變頻器可分為間接變頻和直接變頻兩大類。間接變頻將工頻電流通過整流器變成直流，然后再經(jīng)過逆變器將直流變換成可控頻率的交流。直接變頻器則將工頻交流變換成可控頻率的交流，沒有中間的直流環(huán)節(jié)。它的每一相都是一個(gè)兩組晶閘管整流裝置反并聯(lián)的可逆線路。正反兩組按一定周期相互切換，在負(fù)荷上就獲得了交變輸出的電壓U0,U0的幅值

6、決定于各整流裝置的控制角，頻率決定于兩組整流裝置的切換頻率。目前應(yīng)用較多的還是間接變頻器。間接變頻有三種不同的結(jié)構(gòu)形式：（1）用可控整流器變壓，用逆變器變頻，調(diào)壓和調(diào)頻分別是在兩個(gè)環(huán)節(jié)上進(jìn)行，兩者要在控制電路上協(xié)調(diào)配合。（2）用不控整流器整流斬波器變壓、逆變器變頻，這種變頻器整流環(huán)節(jié)用斬波器，用脈寬調(diào)壓（3）用不控整流器整流，PWM逆變器同時(shí)變頻，這種變頻器只有采用可控關(guān)斷的全控式器件（如IGBT等）輸出波形才會非常逼真的正弦波。無論是哪一種的變頻器，都大量使用了晶閘管等非線性電力電子元件，不管采用哪種整流方式，變頻器從電網(wǎng)中吸取能量的方式均不是連續(xù)的正弦波，而是以脈動的斷續(xù)方式向電網(wǎng)索取電流

7、，這種脈動電流和電網(wǎng)的沿路阻抗共同形成脈動電壓降疊加在電網(wǎng)的電壓上，使電壓發(fā)生畸變，經(jīng)傅里葉分析可知，這種非同期正弦波電流是由于頻率相同的基波和頻率大于基波頻率的諧波組成。單脈沖整流器諧波分布理論分析對于單個(gè)脈沖整流器來說，其控制方式采用雙閉環(huán)控制。電壓外環(huán)采用PI控制器使得實(shí)際的直流側(cè)電壓Ud跟蹤直流側(cè)電壓給定值Ud，從而保持直流側(cè)電壓穩(wěn)定。電流內(nèi)環(huán)主要使實(shí)際的網(wǎng)側(cè)電流in跟蹤給定的網(wǎng)側(cè)電流in實(shí)現(xiàn)單位功率運(yùn)行。in的幅值和頻率通過PI電壓外環(huán)控制器和鎖相環(huán)(PLL)得到。由此分析，在電壓外環(huán)PI控制器中，由于實(shí)際直流側(cè)電壓有2次紋波，則其輸出in的幅值表達(dá)式也含有2倍電網(wǎng)頻率的分量，將其與

8、鎖相環(huán)采樣得到的與電網(wǎng)同頻率的正弦信號相乘，得到網(wǎng)側(cè)電流的給定值i。，其中必然含有3次諧波，實(shí)際網(wǎng)側(cè)電流跟蹤給定的網(wǎng)側(cè)電流，則最終實(shí)際網(wǎng)側(cè)電流i。就含有較大3次諧波。與上述分析相同，i。中的3次諧波通過整流器后，必然會導(dǎo)致網(wǎng)側(cè)電流i。含有5次諧波，依次類推，從理論分析上可以得出，網(wǎng)側(cè)電流中3，5，7，9，11 等奇次諧波含量較大。該型動車組脈沖整流器的開關(guān)頻率為1 250 Hz，則載波比N一125050-25。由于采用單極性SPWM調(diào)制，三角載波與正弦調(diào)制波相比較來產(chǎn)生PWM驅(qū)動信號，其具有對稱性，則網(wǎng)側(cè)電流含有的偶次諧波含量較低，主要以奇次諧波為主。由于開關(guān)頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于調(diào)制波頻率，則在一個(gè)開

9、關(guān)周期內(nèi)，可以認(rèn)為調(diào)制信號為一恒定量。網(wǎng)側(cè)電流在一個(gè)開關(guān)周內(nèi)變化為5次，則可以認(rèn)為網(wǎng)側(cè)電流含有兩倍開關(guān)頻率左右的諧波，由上分析，電流只含有奇次諧波，則高次諧波主要分布在：2N±1、2N±3、2N±5等諧波。由于載波比N一25，則高次諧波主要分布在43，45，47，49，51，53，55次等。圖1為一個(gè)三電平脈沖整流器的網(wǎng)側(cè)電流諧波特性仿真結(jié)果，系統(tǒng)的開關(guān)頻率為1 250 Hz。由于可以看出低次諧波主要分布在3，5，7，9次，高次諧波主要分布在兩倍開關(guān)頻率左右的43，45，47，49，51，53，55次，驗(yàn)證了上述分析的正確性。多重化整流器的載波移相分析在電力牽引交

10、流傳動系統(tǒng)中，由于大功率的開關(guān)器件開關(guān)頻率較低，為了提高系統(tǒng)的容量和減小網(wǎng)側(cè)輸入電流的諧波含量，通常脈沖整流器采用多重化技術(shù)。多重化技術(shù)的原理是通過變壓器耦合的方式將多個(gè)相同結(jié)構(gòu)的整流單元按串聯(lián)或并聯(lián)的方式組合而成。對于多重化脈沖整流器的調(diào)制，采用載波移相技術(shù)，其原理是各單元整流器采用共同的調(diào)制波，將各單元整流器的三角載波相位相互依次錯(cuò)開一個(gè)相同的相位角丌N7(N7為整流器的單元數(shù))，然后利用PWM技術(shù)中的波形生成方式和載波移相技術(shù)中的移相疊加得到階狀波，這樣做的好處是可以使脈沖整流器輸入電流的高次諧波互相錯(cuò)開，并在變壓器一次側(cè)電流的諧波總量中使部分諧波相互抵消心。由于同一列動車組不同整流器問

11、的三角載波互相錯(cuò)開90。，多臺整流器的輸入電流高次諧波的峰頂和峰谷正好錯(cuò)開，使電流的高次諧波相互抵消一部分，在變壓器一次側(cè)可以得到更接近正弦波的電流波形。實(shí)際上，所抵消高次諧波的頻率分布在兩倍開關(guān)頻率左右。圖2和圖3分別為牽引變壓器二次側(cè)兩個(gè)繞組的電流頻譜分布的定性仿真結(jié)果。圖4為牽引變壓器一次側(cè)電流的頻譜分布仿真結(jié)果。仿真結(jié)果證明，通過載波移相技術(shù)能夠很好的消除一次側(cè)電流分布在兩倍開關(guān)頻率左右的高次諧波，即相當(dāng)于提高系統(tǒng)兩倍的等效開關(guān)頻率。4象限變流器原理21 兩電平4象限變流器原理CRH1，3和5型動車組以及HXD1，2，3型電力機(jī)車的整流部分采用的是兩電平4象限變流器，其主電路如圖1所示

12、。圖1中，UN為牽引變壓器二次側(cè)電壓，Ua為直流側(cè)電壓，LN和RN分別為二次側(cè)等效電感和電阻，cd為直流側(cè)支撐電容，L0和C0構(gòu)成二次濾波回路。S1S4為可關(guān)斷電力半導(dǎo)體開關(guān)器件，由它們構(gòu)成的橋式逆變器能將中間儲能回路或者負(fù)載端的能量逆變?yōu)榻涣?；D1D4為功率二極管，由它們構(gòu)成橋式整流，能將電網(wǎng)的交流電能變?yōu)橹绷?，采用一定的控制策略對s1s4進(jìn)行導(dǎo)通與關(guān)斷控制，可以在4象限變流器的輸入端，即口6端生成一個(gè)與電網(wǎng)同步，基波相位和幅值均可調(diào)節(jié)的脈寬調(diào)制波，記為Ud。CRH2型動車組的整流部分采用的是二極管鉗位式三電平4象限變流器，其主電路如圖2所示。三電平變流器的直流端存在C1和C2兩個(gè)支撐電容，

13、其主電路采用8個(gè)主開關(guān)管(S1a，S2a，S3a，S4a，S1b，S2b，S3b，S4b)和4個(gè)鉗位二極管(D1D4)，每個(gè)開關(guān)管承受的電壓為直流側(cè)電壓的一半，鉗位二極管的作用是把橋臂上與其相連接的點(diǎn)上的電壓鉗位到零(直流電壓中點(diǎn)的電位)，并防止C1(或C2)工作時(shí)短路。PWM原理兩電平4象限變流器常采用雙極性倍頻PWM控制，原理如圖3所示，兩個(gè)反相的正弦調(diào)制波和一個(gè)三角載波進(jìn)行比較，得到的脈沖信號分別用來控制口和b橋功率管的開關(guān)。圖4所示為三電平4象限變流器采用的反相載波層疊的調(diào)制方法，三角載波包含反相的正向載波和負(fù)向載波。依據(jù)a相調(diào)制波ua(開關(guān)管S1a，S2a，S3a，S4a所在橋的電壓

14、指令)與a相兩載波的大小關(guān)系，生成三電平PWM信號SA的+1，0，-1。b相調(diào)制波Ub與a相 相差180度相位。為減少諧波含量，b相載波與a相載波相差180度相位。4象限變流器諧波分析根據(jù)上述PWM的調(diào)制原理，可利用雙邊傅立葉級數(shù)法對4象限變流器進(jìn)行諧波分析。雙邊傅立葉分析方法可以用兩種不同頻率的三角函數(shù)來表示滿足條件的實(shí)值函數(shù)f(t)，其表達(dá)式如下：ft=12A00+n=1A0ncosnY+B0nsinnY+n=1Am0cosmX+Bm0sinmX+m=1n=1Amncos(mX+nY)+BmnsinmX+nYAmn+jBmn=122-ejmX+nYdXdY式中：X，Y分別為兩種不同的頻率下

15、隨時(shí)間t變化的函數(shù)。兩電平4象限變流器諧波分析根據(jù)圖3所示的兩電平4象限變流器調(diào)制方式，通過計(jì)算式(6)中的積分可得到式(5)中的各個(gè)系數(shù)A00，A0n，B0n，Am0，Bm0，Amn，Bmn，從而推導(dǎo)出兩電平4象限變流器單相電壓的表達(dá)式。圖1中a，b兩點(diǎn)相對于直流中點(diǎn)的電壓表達(dá)式如下： uat=12Ud+12MUdcosmt+-m=12Udmsinm2J0mM2cosmct+ma-m=1n=-2Udmsinm-n2JnmM2×cosnmt+mct+n+m 7ubt=12Ud-12MUdcosmt+-m=12Udmsinm2J0mM2cosmct+ma-m=1n=-2Udmsinm-

16、n2JnmM2×cosnmt+mct+n+m 8則圖1中輸入電壓Us可由式(7)、式(8)相減而得，三電平4象限變流器諧波分析同理可得到三電平4象限變流器交流電壓的表達(dá)式，圖2中a，b兩點(diǎn)相對于直流中點(diǎn)的電壓表達(dá)式如下：兩式相減可得電壓Us的表達(dá)式為：對比式(9)和式(12)可知，同樣條件下，兩電平與三電平變流器交流電壓的諧波次數(shù)相同，但各次諧波幅值不同。4象限變流器諧波電流分析圖5為4象限變流器交流側(cè)的等效電路，有在實(shí)際應(yīng)用中電阻RN相對于電感感抗來說很小，對輸入電流諧波的影響也很小，為了計(jì)算簡便，下述討論中將其忽略。考慮到4象限變流器輸入端功率因數(shù)為1，即有輸入電流的基波分量與輸

17、入電壓“N同相位，將式(9)代入式(13)，計(jì)算可得兩電平4象限變流器輸入電流的表達(dá)式為：同理可得三電平四象限變流器輸入電流的表達(dá)式為：4象限變流器處于牽引工況下，式(14)、式(15)-中基波電流取“+”；處于制動工況下，式(14)、式(15)中基波電流取“一”。對比式(14)、式(15)可知，在同樣的開關(guān)頻率下，兩電平和三電平4象限變流器輸入電流的諧波分布次數(shù)相同，但相同次數(shù)的諧波電流的幅值是不同的，與相應(yīng)的貝塞爾函數(shù)值有關(guān)。通過計(jì)算可知，相同條件下三電平4象限變流器輸入電流的THD要小于兩電平4象限變流器。4 仿真結(jié)果本文針對CRH5型和CRH2型動車組兩種車型，采用Mat lab軟件編

18、制了4象限變流器的仿真程序。41動車組CRH5的仿真動車組CRH5采用兩電平4象限變流器進(jìn)行“交一直”變換，載波頻率為250 Hz。對牽引和制動工況下的4象限變流器進(jìn)行仿真，牽引變壓器二次側(cè)的電壓和電流波形如圖6所示，牽引時(shí)電壓與電流同相位，制動時(shí)電壓與電流反相，保證了高功率因數(shù)。在滿負(fù)荷550 kW的牽引工況下，4象限變流器網(wǎng)側(cè)電流頻譜如圖7所示。從圖7中可以看出，該變流器的諧波分布在2，4，6倍的載波頻率附近，與式(14)的分析結(jié)果一致。其中7，9，11，13次諧波含量較高。圖8給出了CRH5動車組兩電平4象限變流器網(wǎng)側(cè)電流的THD值及主要諧波的幅值隨功率變化的趨勢，輸出功率為負(fù)時(shí)表示制動工況。其中，圖8a為仿真結(jié)果，圖8b為理論計(jì)算結(jié)果，二者基本相符?？梢姡?dāng)功率發(fā)生變化時(shí)，4象限變流器網(wǎng)側(cè)電流的THD會隨之發(fā)生變動，功率的絕對值越小，則電流THD值越大。注入到牽引網(wǎng)的各次諧波電流幅值也會隨功率變化而變化，但是變化范圍不大。動車組CRH2的仿真仿真及試驗(yàn)條件CRH2型動車組網(wǎng)側(cè)變流器相關(guān)參數(shù)如下：電源額定電壓1 500 V50 Hz，額定電流857 A，直流電壓3 000V開關(guān)頻率為1 250Hz。變壓器短路阻抗21 4(等效電感12mH)，直流支撐電容為8mF，無二次諧振回路。動車組采用4動4拖編組，4節(jié)動車的網(wǎng)側(cè)變