MATLAB高速动车组牵引变流器的分析与仿真(4)
1.3 本文研究的主要内容
多电平变流器技术作为目前电力电子技术领域中最活跃的一个研究方向，受到各国专家学者的充分关注，已取得了一系列研究成果。本文就是在多电平变换器最新研究成果的基础上，以动车组牵引变流器为研究对象，从整流电路和三电平逆变器入手，研究内容如下：
(1) 分析动车组三电平牵引变流器系统主电路的基本原理。对单相四象限PWM整流器的工作原理及系统进行分析及单相三电平逆变器的主电路结构及空间矢量进行分析。
(2) 数学模型是多电平变流器进行研究的理论基础，本课题将从变流器的基本理论入手，详细分析和研究动车组变流器工作原理，并以此为基础建立单相三电平变流器数学模型。
(3) 对单相四象限三电平整流器和三相三电平逆变器控制系统进行研究。分别对单相四象限三电平整流器瞬态电流控制策略及SPWM控制策略进行分析研究。
(4) 利用MATLAB/SIMULINK的软件平台，建立了三电平变流器系统的仿真模型。对单相桥式全控整流电路、三相桥式全控整流电路、三相电压型SPWM逆变器和三电平牵引变流器等进行了仿真研究，并得到了仿真结果。
2 动车组三电平牵引变流器系统分析
200km/h动车组主电路系统简图如图2.1所示，主电路系统以M1车、M2车的两辆车为1个单元。主电路基本动力单元由1台牵引变压器－2台牵引变流器－8台牵引电机构成，1台牵引变流器驱动4台牵引电机。四台牵引电机并联使用。四台牵引电机特性差异控制在±5％以内，以便电流负荷分配均匀。
受电弓从接触网25kV、50Hz单相交流电源受电，通过主断路器VCB连接到牵引变压器原边绕组上。主电路开闭VCB控制。牵引变流器在M1车、M2车上分别装载脉冲整流器、逆变器各1台，运行时除实施牵引电机电力供应和制动时的再生制动外，还具备保护功能。
牵引电机采用三相鼠笼式异步电机，其轴端设置速度传感器，向牵引变流器、制动控制装置提供转速信号（转子频率）。
当设备故障时，M1车和M2车可分别使用。另外，整个基本单元可使用VCB切除，不会影响其它单元工作。
图2.1 200km/h动车组主电路系统简图
2.1 单相四象限PWM整流器的工作原理及系统分析
2.2.1 PWM整流器的基本工作原理
PWM整流器与以往的整流器相比，具有以下的优良性能：(1) 网侧电流为正弦波；(2) 网侧功率因数可控制（如单位功率因数控制）；(3) 电能双向传输；(4) 较快的动态控制响应。由于PWM整流器电能可双向传输，当PWM整流器从电网吸收电能时，其运行于整流工作状态；而当PWM整流器向电网传输电能时，其运行于有源逆变状态。
所谓单位功率因数是指：当PWM运行于整流状态时，网侧电压、电流同相位（正阻9特性）：当PWM运行于有源逆变状态时，其网侧电压、电流反相位（负阻特性）。进一步研究表明，由于PWM整流器其网侧电流及功率因数均可控制，因而可被推广应用于有源电力滤波及无功补偿等其它一些非整流器应用场合。由此可见，PWM整流器实际上是一个其交、直流侧可控的四象限运行的变流装置。图2.2为PWM整流器模型电路。从图2.2我们可以看出：PWM整流器模型电路由交流回路、功率开关管桥路以及直流回路组成。其中交流回路包括交流电动势Nu以及网侧电感NL和网侧等效电阻NR；直流回路包括负载电阻RL及负载电动势Le等；功率开关管桥路可由电压型或电流型桥路组成。
图2.2 PWM整流器模型电路
通过模型电路交流侧的控制，就可以控制其直流侧，反之亦然。以下着重从模型电路交流侧入手，从矢量关系的角度来分析PWM整流器的运行状态和控制原理。
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