大功率牽引逆變器的中頻區調製演算法對比研究

2017第六屆新能源發電系統技術創新大會

北京交通大學電氣工程學院、北京市軌道交通電氣工程技術研究中心、中國鐵道科學研究院機車車輛研究所的研究人員張鋼、董侃、刁利軍、劉志剛， 在2016年《電工技術學報》增刊2上撰文指出， 軌道交通用大功率車載牽引逆變器開關頻率低、調速範圍寬， 其調製演算法通常採用低頻區非同步調製、基頻以上方波調製的方式， 而中頻區用於實現非同步調製與方波調製的過渡， 並對逆變器輸出諧波特性進行改善。

該文對過調製和優化同步調製這兩類中頻區調製演算法進行了研究，

從調製性能、應用範圍等方面進行了詳細的對比分析， 並通過模擬和實驗進行了驗證， 結果表明：優化同步調製雖然數位實現相對複雜， 但是具有更好的諧波特性， 因此具有更廣闊的應用前景。

大功率牽引逆變器受器件損耗和散熱條件的限制， 開關頻率往往較低， 且由於調速範圍較寬、載波比變化範圍較大， 因此調製策略通常採用多種模式以滿足不同頻段的需求[1]。

其中， 低頻區由於基波頻率較低、載波比較高， 普通非同步調製已能達到較好的控制效果且實現簡單；高頻區通常需採用方波調製， 以充分利用直流電壓， 實現轉矩輸出最大化[2]。 而中頻區調製主要用於實現向方波調製的平滑切換，

同時對低載波比下的諧波特性進行優化， 降低尖峰電流和轉矩脈動。

對於非同步調製和方波調製， 目前研究和應用已相對成熟， 而對於中頻區調製演算法， 目前主要有過調製和優化同步調製這兩類。 過調製數位實現簡單， 然而在大功率低開關頻率的應用條件下， 隨著載波比降低， 傳統過調製策略表現出嚴重的不對稱性， 難以保證閉環系統的性能[3]。

優化同步調製策略主要有特定諧波消除調製(Selected Harmonic Elimination Pulse WidthModulation， SHEPWM)[4]、電流諧波最小調製(Current Harmonic Minimum Pulse Width Modulation， CHMPWM)[6]、最小損耗調製[8]及轉矩脈動最小調製[10]。 在上述優化演算法中， 以SHEPWM的研究和應用最為廣泛， 然而SHEPWM主要針對特定次電壓諧波消除， 對於牽引電機類負載其優化效果並非最優。

本文分別對過調製和優化同步調製這兩類中頻區調製演算法進行了深入研究，

從調製性能、數位實現以及應用範圍等方面進行了詳細對比， 可為大功率牽引逆變器中頻區調製演算法的選擇和實際工程應用提供重要依據。

圖1 典型雙區法過調製原理圖

結論

大功率牽引逆變器中頻區脈寬調製方法對實現電機高低速平滑切換，

降低尖峰電流和轉矩脈動具有重要意義。 本文對牽引逆變器過調製和優化同步調製兩類中頻區調製演算法進行了研究， 並通過模擬及實驗對其性能特點進行了對比， 得到如下結論：

1）過調製策略數位實現較為簡單， 無需改變基於DSP計時器載波比較的傳統脈衝發生方式， 然而未對諧波特性進行優化， 因此應用受限.

2）優化同步調製策略針對電壓或電流諧波某一指標進行優化， 諧波特性更優， 但需對脈衝發生方式進行重新設計， 使得數位實現略顯複雜.

3）基於“DSP+FPGA”的硬體平臺， 可以將複雜的脈衝生成任務交由FPGA去完成， 因此優化同步調製策略具有廣闊應用前景。