多模式混合脉宽调制策略在CR300AF动车组的研究及应用

毕长煜 赵长春

摘要： CRH300AF动车组为中车集团最新研制的250km/h标准动车组，由于受最高开关频率、输出电压及电流谐波等限制，为提高电机控制及列车动态性能，本车采用一种基于SHEPWM的多模式混合脉宽调制策略以实现列车在全速度范围内的平滑运行。利用特定次谐波消除调制（SHEPWM）来消除特定次谐波，应用曲线拟合法来替换传统的查表法，降低程序复杂度。最后通过dspace仿真平台及地面联调试验进行验证。

关键词：CRH300AF动车组;混合脉宽调制 ;特定次谐波消除调制;曲线拟合;

中图分类号：TM464  文献标识码：A

1 引言

我国铁路交通车辆主要由高速动车组及电力机车为代表的大功率牵引传动系统组成，高电压、大电流、大功率等特点限制了IGBT最高开关频率的设计及散热方面的使用。实际应用中牵引变流器最高开关频率一般不超过1kHz[1]，而牵引电机最高频率可达300Hz左右，调制脉冲在全速度范围内载波比变化大，因此传统的载波调制无法满足工程需求，基于分段同步调制的多模式脉宽调制策略的应用就成为必然[2]。

本文简要介绍SHEPWM基本原理，重点描述SHEPWM开关角度的计算及DSP终端的实现，最终进行地面联调验证。

2 SHEPWM基本原理及实现方式

2.1 SHEPWM基本原理

SHEPWM调制输出电压具有1/2周期半波对称及1/4周期对称特点，每周期开关状态4N+1次，当基波脉冲为高电平时，开关角个数N为偶数，当基波脉冲为低电平时，开关角个数N为奇数，因此SHEPWM开关角度计算公式如下所示：

2.2 SHEPWM开关角计算

SHEPWM角度计算中开关角个数为m，当 m为偶数时，kmax= m/2，消除的谐波次数为6k-1次，当m为奇数时，kmax= （m-1）/2，消除谐波次数为6k±1次。

以11分频开关角为例，实际应用中采用曲线拟合法实时计算调制度m，计算精度0.01，调制度的m范围取0～0.85，在此基础上拟合角度曲线，角度曲线最高次数不超过3次，公式如下所示;

2.3 SHEPWM数字化实现

在SHEPWM数字化过程中，采用單增模式锯齿波作为载波，当计数器等于DSP发送的比较值时，产生开关状态。

将PWM控制周期采用10°分区的方法来实现SHEPWM脉冲，对一个周期内的单相脉冲进行36等分以此保证各个扇区内只含有一个开关角。以11分频为例，A相脉冲在前1/4周期存在5个开关角，1/2周期内脉冲呈偶对称，周期内脉冲呈奇对称，A、B、C三相相位互差120°，以固定的时间间隔对系统进行采样和运算。

每个扇区内含有一个开关角，因此每个载波周期内只需计算一个比较值，第一个开关角为theta1，低电平起始，比较值CMPA1=theta1/10，第二个开关角theta2的比较值CMPA2=（theta2-10）/10。theta1及theta2的占空比为

以此类推可求得前1/4周期内5个开关角及全周期内的PWM脉冲输出位置。

3 仿真及地面试验验证

3.1 SHEPWM各区段切换及实现方式

由于SHEPWM在谐波方面的优异性能，动车组在基于SHEPWM调制策略的基础上设计全速度范围内的混合脉宽调制策略。当电机频率小于15Hz时采用异步调制，在15Hz至38Hz区间段采用同步调制，电机频率在38Hz以上至方波区间段采用SHEPWM调制，当频率在进入恒压区后采用方波调制，通过计算开关角可知，3分频调制深度0至1，可自然过渡至方波调制。

3.2 仿真分析

仿真阶段牵引变流器实现闭环控制，电机模型参数根据表一所示，矢量及调制算法采用S函数进行编写，最大程度接近DSPAEC半实物仿真平台。仿真阶段给出11分频及7分频的三相电流及脉冲。

在仿真模式下11分频及7分频脉冲输出良好，输出脉冲在各自分频段内负载输出电流无畸变，无转矩脉动现象。

3.3 地面试验验证

为进一步验证调制策略的实用性，针对1500kW牵引变流器搭建地面试验平台，验证包括转矩特性、全速度范围内扫频及分频段间切换的稳定性。切换过程电机电流平稳，无明显波动及冲击，各个分频段内电机电流没有出现转矩脉动现象。SHEPWM调制策略试验效果符合预期目标。

4 结论

针对最新研制的新型250km/h标准动车组，牵引控制单元（TCU）采用基于异步调制，同步调制及特定次谐波消除调制（SHEPWM）的混合脉宽调制策略，在选定初值的基础上计算开关角度及拟合曲线。搭建MATLAB及DSPACE仿真模型，在半实物仿真的基础上完成地面联调试验。试验结果表明采用混合脉宽调制策略时输出波形良好，各调制切换平滑，满足250km/h标准动车组全速度范围内的运行策略。

参考文献

[1]李贵彬.提高机车牵引电机动态性能的同步SHEPWM调制方法[J].高电压技术，2017，45（6）：1803-1810

[2]李贵彬.基于SHEPWM调制的电力机车全速度运行策略及切换方法研究[J].电机与控制学报，2019，21（4）：17-24

[3]周明磊，刘伟志，等.适用于多模式脉宽调制的通用切换策略研究[J].中国电机工程学报，2019，39（7）：2126-2132.

[4]王琛琛.基于TMS320F28335的SHEPWM数字实现[J].北京交通大学学报，2011，35（5）：90-93.

[5]张硕.基于DSP-FPGA架构的SHEPWM研究与实现[J].电气传动，2018，48（11）：21-26.

项目名称  250公里标准动车组牵引控制软件设计研发.