多模式混合脈寬調制策略在CR300AF動車組的研究及應用

畢長煜 趙長春

摘要： CRH300AF動車組為中車集團最新研制的250km/h標準動車組，由于受最高開關頻率、輸出電壓及電流諧波等限制，為提高電機控制及列車動態性能，本車采用一種基于SHEPWM的多模式混合脈寬調制策略以實現列車在全速度范圍內的平滑運行。利用特定次諧波消除調制（SHEPWM）來消除特定次諧波，應用曲線擬合法來替換傳統的查表法，降低程序復雜度。最后通過dspace仿真平臺及地面聯調試驗進行驗證。

關鍵詞：CRH300AF動車組;混合脈寬調制 ;特定次諧波消除調制;曲線擬合;

中圖分類號：TM464 ?文獻標識碼：A

1 引言

我國鐵路交通車輛主要由高速動車組及電力機車為代表的大功率牽引傳動系統組成，高電壓、大電流、大功率等特點限制了IGBT最高開關頻率的設計及散熱方面的使用。實際應用中牽引變流器最高開關頻率一般不超過1kHz[1]，而牽引電機最高頻率可達300Hz左右，調制脈沖在全速度范圍內載波比變化大，因此傳統的載波調制無法滿足工程需求，基于分段同步調制的多模式脈寬調制策略的應用就成為必然[2]。

本文簡要介紹SHEPWM基本原理，重點描述SHEPWM開關角度的計算及DSP終端的實現，最終進行地面聯調驗證。

2 SHEPWM基本原理及實現方式

2.1 SHEPWM基本原理

SHEPWM調制輸出電壓具有1/2周期半波對稱及1/4周期對稱特點，每周期開關狀態4N+1次，當基波脈沖為高電平時，開關角個數N為偶數，當基波脈沖為低電平時，開關角個數N為奇數，因此SHEPWM開關角度計算公式如下所示：

2.2 SHEPWM開關角計算

SHEPWM角度計算中開關角個數為m，當 m為偶數時，kmax= m/2，消除的諧波次數為6k-1次，當m為奇數時，kmax= （m-1）/2，消除諧波次數為6k±1次。

以11分頻開關角為例，實際應用中采用曲線擬合法實時計算調制度m，計算精度0.01，調制度的m范圍取0～0.85，在此基礎上擬合角度曲線，角度曲線最高次數不超過3次，公式如下所示;

2.3 SHEPWM數字化實現

在SHEPWM數字化過程中，采用單增模式鋸齒波作為載波，當計數器等于DSP發送的比較值時，產生開關狀態。

將PWM控制周期采用10°分區的方法來實現SHEPWM脈沖，對一個周期內的單相脈沖進行36等分以此保證各個扇區內只含有一個開關角。以11分頻為例，A相脈沖在前1/4周期存在5個開關角，1/2周期內脈沖呈偶對稱，周期內脈沖呈奇對稱，A、B、C三相相位互差120°，以固定的時間間隔對系統進行采樣和運算。

每個扇區內含有一個開關角，因此每個載波周期內只需計算一個比較值，第一個開關角為theta1，低電平起始，比較值CMPA1=theta1/10，第二個開關角theta2的比較值CMPA2=（theta2-10）/10。theta1及theta2的占空比為

以此類推可求得前1/4周期內5個開關角及全周期內的PWM脈沖輸出位置。

3 仿真及地面試驗驗證

3.1 SHEPWM各區段切換及實現方式

由于SHEPWM在諧波方面的優異性能，動車組在基于SHEPWM調制策略的基礎上設計全速度范圍內的混合脈寬調制策略。當電機頻率小于15Hz時采用異步調制，在15Hz至38Hz區間段采用同步調制，電機頻率在38Hz以上至方波區間段采用SHEPWM調制，當頻率在進入恒壓區后采用方波調制，通過計算開關角可知，3分頻調制深度0至1，可自然過渡至方波調制。

3.2 仿真分析

仿真階段牽引變流器實現閉環控制，電機模型參數根據表一所示，矢量及調制算法采用S函數進行編寫，最大程度接近DSPAEC半實物仿真平臺。仿真階段給出11分頻及7分頻的三相電流及脈沖。

在仿真模式下11分頻及7分頻脈沖輸出良好，輸出脈沖在各自分頻段內負載輸出電流無畸變，無轉矩脈動現象。

3.3 地面試驗驗證

為進一步驗證調制策略的實用性，針對1500kW牽引變流器搭建地面試驗平臺，驗證包括轉矩特性、全速度范圍內掃頻及分頻段間切換的穩定性。切換過程電機電流平穩，無明顯波動及沖擊，各個分頻段內電機電流沒有出現轉矩脈動現象。SHEPWM調制策略試驗效果符合預期目標。

4 結論

針對最新研制的新型250km/h標準動車組，牽引控制單元（TCU）采用基于異步調制，同步調制及特定次諧波消除調制（SHEPWM）的混合脈寬調制策略，在選定初值的基礎上計算開關角度及擬合曲線。搭建MATLAB及DSPACE仿真模型，在半實物仿真的基礎上完成地面聯調試驗。試驗結果表明采用混合脈寬調制策略時輸出波形良好，各調制切換平滑，滿足250km/h標準動車組全速度范圍內的運行策略。

參考文獻

[1]李貴彬.提高機車牽引電機動態性能的同步SHEPWM調制方法[J].高電壓技術，2017，45（6）：1803-1810

[2]李貴彬.基于SHEPWM調制的電力機車全速度運行策略及切換方法研究[J].電機與控制學報，2019，21（4）：17-24

[3]周明磊，劉偉志，等.適用于多模式脈寬調制的通用切換策略研究[J].中國電機工程學報，2019，39（7）：2126-2132.

[4]王琛琛.基于TMS320F28335的SHEPWM數字實現[J].北京交通大學學報，2011，35（5）：90-93.

[5]張碩.基于DSP-FPGA架構的SHEPWM研究與實現[J].電氣傳動，2018，48（11）：21-26.

項目名稱 ?250公里標準動車組牽引控制軟件設計研發.