网侧变流器谐波分析

1内容要求1.1题目网侧变流器谐波分析1.2摘要与关键词1.2.1摘要：研究了网侧变流器谐波的产生的原因，谐波特点，谐波抑制方法。分析了两电平及三电平4象限变流器的主电路拓扑及控制策略。利用双边傅立叶级数法，给出了两种4象限变流器网侧电流的谐波公式，总结了谐波分布规律。编制了CRH2和CRH5型动车组4象限变流器的仿真软件，研究了不同牵引和制动功率下，网侧电流的THD及各次谐波电流大小，验证了理论分析的正确性。Summary：Researchnetworkconverterharmonicgenerationofreason,characteristicharmonic,harmonicssuppressionmethods.Analysisoftwo-levelandthree-level4quadrantconvertermaincircuittopologyandcontrolstrategies.UsingbilateralFourierseriesmethod,givestwosidecurrentharmonics4quadrantconverternetworkformula,summeduptheharmonicdistribution.PreparationofCRH2andCRH5EMU4quadrantconvertersimulationsoftware,studiedunderdifferenttractionandbrakingpower,netcurrentTHDandharmonicsofcurrentsize,andverifiesthecorrectnessofthetheoreticalanalysis.1.2.2关键词：谐波分析；脉宽调制；电感设计；交流传动；4象限变流器；双边傅立叶变换；仿真；Keywords:harmonicanalysis,pulse-widthmodulation;inductordesignACdrives;4quadrantconverterbilateralFouriertransform;simulation;1.3正文1.3.1绪论交流传动课程设计是交流传动课程重要的实践性教学环节，是对我们学生学习交流传动技术的综合性训练，这种训练是通过我们独立进行某一个课题的分析、设计和仿真来完成的通过交流课程传动的课程设计要求我们：根据给定的题目，自己搜集相关资料，并运用所学过的关于电力电子和交流传动的知识内容，对网侧变流器谐波的产生的原因，谐波特点，谐波抑制方法进行分析，并做出相关的仿真。通过查阅手册和文献资料，培养我们独立分析问题和解决实际问题的能力。了解几种常见网侧变流器以及其谐波特点，谐波抑制方法，学会电路的仿真设计技能，掌握电路的测试方法及制作方法。学会撰写课程设计总结报告，培养我们严肃认真的工作作风和严谨的科学态度。1.3.2设计主体1.3.2.1谐波产生原因从结构来看，变频器可分为间接变频和直接变频两大类。间接变频将工频电流通过整流器变成直流，然后再经过逆变器将直流变换成可控频率的交流。直接变频器则将工频交流变换成可控频率的交流，没有中间的直流环节。它的每一相都是一个两组晶闸管整流装置反并联的可逆线路。正反两组按一定周期相互切换，在负荷上就获得了交变输出的电压U0,U0的幅值决定于各整流装置的控制角，频率决定于两组整流装置的切换频率。目前应用较多的还是间接变频器。间接变频有三种不同的结构形式：（1）用可控整流器变压，用逆变器变频，调压和调频分别是在两个环节上进行，两者要在控制电路上协调配合。（2）用不控整流器整流斩波器变压、逆变器变频，这种变频器整流环节用斩波器，用脉宽调压（3）用不控整流器整流，PWM逆变器同时变频，这种变频器只有采用可控关断的全控式器件（如IGBT等）输出波形才会非常逼真的正弦波。无论是哪一种的变频器，都大量使用了晶闸管等非线性电力电子元件，不管采用哪种整流方式，变频器从电网中吸取能量的方式均不是连续的正弦波，而是以脉动的断续方式向电网索取电流，这种脉动电流和电网的沿路阻抗共同形成脉动电压降叠加在电网的电压上，使电压发生畸变，经傅里叶分析可知，这种非同期正弦波电流是由于频率相同的基波和频率大于基波频率的谐波组成。单脉冲整流器谐波分布理论分析对于单个脉冲整流器来说，其控制方式采用双闭环控制。电压外环采用PI控制器使得实际的直流侧电压Ud跟踪直流侧电压给定值Ud，从而保持直流侧电压稳定。电流内环主要使实际的网侧电流i𝑛跟踪给定的网侧电流i𝑛实现单位功率运行。i𝑛的幅值和频率通过PI电压外环控制器和锁相环(PLL)得到。由此分析，在电压外环PI控制器中，由于实际直流侧电压有2次纹波，则其输出i𝑛的幅值表达式也含有2倍电网频率的分量，将其与锁相环采样得到的与电网同频率的正弦信号相乘，得到网侧电流的给定值i。，其中必然含有3次谐波，实际网侧电流跟踪给定的网侧电流，则最终实际网侧电流i。就含有较大3次谐波。与上述分析相同，i。中的3次谐波通过整流器后，必然会导致网侧电流i。含有5次谐波，依次类推，从理论分析上可以得出，网侧电流中3，5，7，9，11等奇次谐波含量较大。该型动车组脉冲整流器的开关频率为1250Hz，则载波比N一1250／50-25。由于采用单极性SPWM调制，三角载波与正弦调制波相比较来产生PWM驱动信号，其具有对称性，则网侧电流含有的偶次谐波含量较低，主要以奇次谐波为主。由于开关频率远远大于调制波频率，则在一个开关周期内，可以认为调制信号为一恒定量。网侧电流在一个开关周内变化为5次，则可以认为网侧电流含有两倍开关频率左右的谐波，由上分析，电流只含有奇次谐波，则高次谐波主要分布在：2N±1、2N±3、2N±5等谐波。由于载波比N一25，则高次谐波主要分布在43，45，47，49，51，53，55次等。图1为一个三电平脉冲整流器的网侧电流谐波特性仿真结果，系统的开关频率为1250Hz。由于可以看出低次谐波主要分布在3，5，7，9次，高次谐波主要分布在两倍开关频率左右的43，45，47，49，51，53，55次，验证了上述分析的正确性。多重化整流器的载波移相分析在电力牵引交流传动系统中，由于大功率的开关器件开关频率较低，为了提高系统的容量和减小网侧输入电流的谐波含量，通常脉冲整流器采用多重化技术。多重化技术的原理是通过变压器耦合的方式将多个相同结构的整流单元按串联或并联的方式组合而成。对于多重化脉冲整流器的调制，采用载波移相技术，其原理是各单元整流器采用共同的调制波，将各单元整流器的三角载波相位相互依次错开一个相同的相位角丌／N7(N7为整流器的单元数)，然后利用PWM技术中的波形生成方式和载波移相技术中的移相叠加得到阶状波，这样做的好处是可以使脉冲整流器输入电流的高次谐波互相错开，并在变压器一次侧电流的谐波总量中使部分谐波相互抵消心]。由于同一列动车组不同整流器问的三角载波互相错开90。，多台整流器的输入电流高次谐波的峰顶和峰谷正好错开，使电流的高次谐波相互抵消一部分，在变压器一次侧可以得到更接近正弦波的电流波形。实际上，所抵消高次谐波的频率分布在两倍开关频率左右。图2和图3分别为牵引变压器二次侧两个绕组的电流频谱分布的定性仿真结果。图4为牵引变压器一次侧电流的频谱分布仿真结果。仿真结果证明，通过载波移相技术能够很好的消除一次侧电流分布在两倍开关频率左右的高次谐波，即相当于提高系统两倍的等效开关频率。4象限变流器原理2．1两电平4象限变流器原理CRH1，3和5型动车组以及HXD1，2，3型电力机车的整流部分采用的是两电平4象限变流器，其主电路如图1所示。图1中，UN为牵引变压器二次侧电压，𝑈𝑎为直流侧电压，L𝑁和𝑅𝑁分别为二次侧等效电感和电阻，𝑐𝑑为直流侧支撑电容，𝐿0和𝐶0构成二次滤波回路。S1～S4为可关断电力半导体开关器件，由它们构成的桥式逆变器能将中间储能回路或者负载端的能量逆变为交流；D1～D4为功率二极管，由它们构成桥式整流，能将电网的交流电能变为直流，采用一定的控制策略对s1～s4进行导通与关断控制，可以在4象限变流器的输入端，即口6端生成一个与电网同步，基波相位和幅值均可调节的脉宽调制波，记为𝑈𝑑。CRH2型动车组的整流部分采用的是二极管钳位式三电平4象限变流器，其主电路如图2所示。三电平变流器的直流端存在C1和C2两个支撑电容，其主电路采用8个主开关管(S1a，S2a，S3a，S4a，S1b，S2b，S3b，S4b)和4个钳位二极管(D1～D4)，每个开关管承受的电压为直流侧电压的一半，钳位二极管的作用是把桥臂上与其相连接的点上的电压钳位到零(直流电压中点的电位)，并防止C1(或C2)工作时短路。PWM原理两电平4象限变流器常采用双极性倍频PWM控制，原理如图3所示，两个反相的正弦调制波和一个三角载波进行比较，得到的脉冲信号分别用来控制口和b桥功率管的开关。图4所示为三电平4象限变流器采用的反相载波层叠的调制方法，三角载波包含反相的正向载波和负向载波。依据a相调制波ua(开关管𝑆1𝑎，S2a，S3a，S4a所在桥的电压指令)与a相两载波的大小关系，生成三电平PWM信号SA的+1，0，-1。b相调制波Ub与a相相差180度相位。为减少谐波含量，b相载波与a相载波相差180度相位。4象限变流器谐波分析根据上述PWM的调制原理，可利用双边傅立叶级数法对4象限变流器进行谐波分析。双边傅立叶分析方法可以用两种不同频率的三角函数来表示满足条件的实值函数f(t)，其表达式如下：f(t)=12𝐴00+∑[𝐴0𝑛cos(𝑛𝑌)+𝐵0𝑛sin(𝑛𝑌)]∞𝑛=1+∑[𝐴𝑚0cos(𝑚𝑋)+𝐵𝑚0sin(𝑚𝑋)]∞𝑛=1+∑∑[𝐴𝑚𝑛cos(𝑚𝑋+𝑛𝑌)+𝐵𝑚𝑛sin(𝑚𝑋+𝑛𝑌)]∞𝑛=1∞𝑚=1𝐴𝑚𝑛+𝑗𝐵𝑚𝑛=12𝜋2∫∫𝑒𝑗(𝑚𝑋+𝑛𝑌)𝑑𝑋𝑑𝑌𝜋−𝜋𝜋−𝜋式中：X，Y分别为两种不同的频率下随时间t变化的函数。两电平4象限变流器谐波分析根据图3所示的两电平4象限变流器调制方式，通过计算式(6)中的积分可得到式(5)中的各个系数𝐴00，𝐴0𝑛，𝐵0𝑛，𝐴𝑚0，𝐵𝑚0，𝐴𝑚𝑛，𝐵𝑚𝑛，从而推导出两电平4象限变流器单相电压的表达式。图1中a，b两点相对于直流中点的电压表达式如下：𝑢𝑎(𝑡)=12𝑈𝑑+12𝑀𝑈𝑑cos(𝜔𝑚𝑡+𝛽)−∑2𝑈𝑑𝑚𝜋sin𝑚𝜋2𝐽0(𝑚𝑀𝜋2)cos(𝑚𝜔𝑐𝑡+𝑚𝑎)∞𝑚=1−∑∑{2𝑈𝑑𝑚𝜋sin[(𝑚−𝑛)𝜋2]𝐽𝑛(𝑚𝑀𝜋2)∞𝑛=−∞∞𝑚=1×cos(𝑛𝜔𝑚𝑡+𝑚𝜔𝑐𝑡+𝑛𝛽+𝑚𝛼)}(7)𝑢𝑏(𝑡)=12𝑈𝑑−12𝑀𝑈𝑑cos(𝜔𝑚𝑡+𝛽)−∑2𝑈𝑑𝑚𝜋sin𝑚𝜋2𝐽0(𝑚𝑀𝜋2)cos(𝑚𝜔𝑐𝑡+𝑚𝑎)∞𝑚=1−∑∑{2𝑈𝑑𝑚𝜋sin[(𝑚−𝑛)𝜋2]𝐽𝑛(𝑚𝑀𝜋2)∞𝑛=−∞∞𝑚=1×cos(𝑛𝜔𝑚𝑡+𝑚𝜔𝑐𝑡+𝑛𝛽+𝑚𝛼)}(8)则图1中输入电压Us可由式(7)、式(8)相减而得，三电平4象限变流器谐波分析同理可得到三电平4象限变流器交流电压的表达式，图2中a，b两点相对于直流中点的电压表达式如下：两式相减可得电压Us的表达式为：对比式(9)和式(12)可知，同样条件下，两电平与三电平变流器交流电压的谐波次数相同，但各次谐波幅值不同。4象限变流器谐波电流分析图5为4象限变流器交流侧的等效电路，有在实际应用中电阻RN相对于电感感抗来说很小，对输入电流谐波的影响也很小，为了计算简便，下述讨论中将其忽略。考虑到4象限变流器输入端功率因数为1，即有输入电流的基波分量与输入电压“N同相位，将式(