基于整流器调制技术的谐振抑制

刘晓悦，王泰达

(华北理工大学 电气工程学院，河北 唐山 063210 )

为确保高速铁路上的电力机车能够高速、平稳、安全运营，一定要使车网系统发生的高频谐振得到有效抑制[1]。谐振点会和车组运行过程中产生的高次谐波的频率发生重合，从而导致电压电流谐波增大，当放大倍数增长到一定数值时，电网发生谐振，导致机车运行过程中发生安全事故。现在抑制车网发出的谐振方式主要存在2种，其一是从牵引变电所方面进行抑制，通过安装有源、无源或混合滤波器对频率进行调控，使得频率躲避高次谐波频率范围；另一种类型是从机车方面进行调控，即遏制谐波源头，例如调整系统控制参数、调整机车的控制策略、在机车的电路加入滤波器，能够起到抑制谐波电流含量，滤出高次谐波的作用，最终达到抑制谐波谐振的效果。

现在主流抑制谐振的策略是在牵引网上加装滤波器[2]，这种方式可以有效地滤除高次谐波，达到抑制谐振的目的。这种方式的抑制效果虽然较好，但相对于在优化电力机车上整流器方法不够经济，并且这种方式的后期维护也不如优化整流器的方式便捷。目前国际国内的相关牵引整流器的控制方法有很多，对低次谐波的滤除作用非常明显[3]，例如使直流侧电压二次谐波滤除等，而对于抑制整流器网侧高次谐波抑制方法相关的研究却并不常见。

1 牵引整流器SHEPWM

在牵引整流器中，起到把控制模块的控制信息转化为驱动开关的实际开关动作的执行模块是脉冲发生器[4]。在脉冲发生器中发挥最主要作用的是PWM控制方法，这种控制方法会对整流器抑制谐波的效果产生最直接的作用[5]。所以综合上述的分析，该项研究将会把牵引传动系统中导入SHEPWM方法来抑制高次谐波产生，进而抑制谐振。

1.1 非线性方程初始角

牵引整流器输出脉冲电压波形为1/4个基波周期对称，所以这个脉冲波形符合SHEPWM标准。故只求出这其中的四分之一的开关驱动角便可以通过中心对称和类推的方法去推算剩下的四分之三个周期中的开关驱动角。

因为脉冲整流器的脉冲波形可满足对称性，所以通过积分的性质可以得出式(1)～式(3)。

(1)

(2)

(3)

通过式(1)～(3)可以推算出脉冲波形傅里叶展开式如(4)所示：

(4)

由于规则采样法在实际工程中使用比较广泛，并且得出的结果与自然采样法的结果极其类似。所以该项研究使用这种方法来得到CSBSPWM中的开关驱动角。

调制信号标幺化后能够得出如下公式：

uab=msin(wt)

(5)

w=2πf

(6)

基于相似三角形相关理论，能够得出如下公式：

(7)

tw=0.5T(1+msin(wt)

原定我先讲，可一看这阵势，不由打了个寒噤。转念一想，不如让巴克夏先蹚蹚路子，便推说忘了带教材，往外就跑，刚出大门，又转回来，悄悄坐在学员身后，且看这“呆子”如何表演？

(8)

t1=t2=0.25T(1-msin(wt)

(9)

通过上述公式的推算，使用MATLAB仿真软件编写m文件能够得到牵引整流器应用载波移项正弦脉宽调制方法的调制波开关驱动角随调制度m变化的数据表。关系表如表1所示。

表1 整流器开关初始角

1.2 SHEPWM非线性方程组

CSBSPWM的方式与SHEPWM的方法相比较而言，后者的控制脉冲电压基波的能力更强，并且还可以通过增加其他的限制，有效地抑制高次谐波。因为牵引整流器的脉冲电压的波形符合中心对称，所以将其进行傅里叶展开之后如式(10)所示。

(10)

基于本段研究内容能够得出牵引整流器方程

(11)

通过检索并参考相关文献，得到仿真软件中的fslove求解方法，这种方法的准度高，求解的效率也相对高。所以该项研究选择此种方法来求解方程组。得出牵引整流器优化开关驱动角随m的变化如表2所示。

表2 整流器优化开关初始角

2 SHEPWM的MATLAB实现

研究。预处理：首先从控制模块的调制波形中提取调制度m。

查阅表格：构建对应表，表中的信息展示的是调制度m与开关驱动角的相对应关系，并且每次输入一个调制度都会对应一个驱动角。

逻辑模块：开关驱动角转化成脉冲信号，此种信号命令可以调控牵引整流器桥臂开关。用Simulink软件里的‘S-Function’模块搭建500×9矩阵表格，利用MATLAB编写m文件，建立调制度m与开关驱动角的关系。脉冲驱动信号产生模块如图1所示。

图1 脉冲驱动信号产生模块

3 将SHEPWM置入车网模型进行仿真

二重化牵引整流器在工作运行时，测量出其直流侧的稳压能力不强，这是由于调制模块运行均采用SHEPWM方法，所以会导致直流侧稳定性不好。所以为了使系统能够运行稳定，2个牵引整流器需采用不同的调制方法。将2个牵引整流器标记为一号和二号，要在一号整流器中使用SHEPWM方法，二号使用CSBSPWM方法的调制模块进行维持系统电压的稳定。一号整流器在0.8 s之前使用CSBSPWM调制，0.8 s改用SHEPWM方法，而二号整流器始保持CSBSPWM方法，车组在不同工作状态下，导入SHEPWM的调制方法前后的电压电流参数如表3～表6所示。

表3 牵引状态下不同功率下引入SHEPWM

表4 牵引状态下不同功率下引入SHEPWM

表5 制动状态下不同功率下引入SHEPWM

表6 制动状态下不同功率下引入SHEPWM

通过对表3～表6进行对比研究发现，系统当接入SHEPWM方法之后，不论牵引还是制动，不同工作状况与不同额定功率下的频率为1 750 Hz的电压与电流的谐波含量都明显的下降，虽然系统中的PHD含量有所上升，但由于1 750 Hz的频率减少，使得谐波有效避开谐振频率，所以谐振得到有效的抑制。例如在实际功率为100%的情况下，母线电流中频率1 750 Hz的谐波含量由0.94下降至0.4。

4 结论

(1)提出了一种新的抑制谐振的方法，即将SHEPWM引入到牵引整流器调制模块中。

(2)通过借助MATLAB分析，通过研究结果发现，将SHEPWM引入到牵引整流器调制模块，能够有效的抑制谐振产生。