关键词：单相三电平整流器；N次陷波器；多重化准比例谐振控制器；谐波抑制

1 引言

单相三电平PWM脉冲整流器在电力牵引交流传动领域中有着广泛的应用，是CRH2型动车组的重要部件之一。与单相两电平整流器相比，其功率器件所承受的关断电压仅为直流电压的二分之一，等效开关频率更高，因此更适合应用于高电压与大功率的工作环境。然而CRH2型动车组为了完成轻量化，取消了中间直流侧二次LC谐振滤波电路，导致二次脉动电压无法被有效吸收，网侧电流中3、5、7次等低次谐波含量随之增大^[1-2]。

为了解决上述问题，达到既可以抑制网侧电流谐波又不增大重量和体积的目的。文献[3]在实际直流侧电压反馈到控制系统之前，采用动态电压补偿的方法对其进行补偿，抵消二次脉动电压的影响。文献[4-5]提出采用低通滤波器滤除脉动电压，其特点是实现简单但滤除效果不佳，且会在一定程度上降低控制系统的带宽。文献[6-8]提出利用陷波器来抑制网侧电流低次谐波，效果明显，但是不能彻底消除直流侧除二次脉动电压外的其它偶次脉动电压。

本文以CRH2型动车组为研究对象，提出了一种基于N次陷波器和奇次谐波重复控制器的双闭环控制算法来抑制网侧电流低次谐波。

2 网侧电流低次谐波产生原因

2.1  二次脉动电压产生原因

单相三电平PWM整流器的电路结构如图1所示。

图1 单相三电平PWM整流器电路结构

2.2  二次脉动电压对网侧电流的影响

通常单相三电平PWM整流器控制策略由电压电流双闭环组成。控制原理图如图2所示。

图2 单相三电平PWM整流器的控制原理图

3 网侧电流谐波抑制方法

3.1  基于N次陷波器的电压外环控制方法

陷波器是一种特殊的带阻滤波器，对特定频率下的谐波分量有更好的抑制效果，而不影响其余频率段的控制效果^[8]。

二阶陷波器的典型传递函数为：

二次陷波器的伯德图如图3所示。

图3  二次陷波器伯德图

其伯德图如图4所示。

图4 N次陷波器伯德图

3.2  基于奇次谐波重复控制器的电流内环控制方法

重复控制器具有良好的基波和谐波扰动的抑制能力。有前文可知，整流器网侧电流中主要为3次、5次、7次等低次谐波，奇次重复控制器能够在基波和奇次谐波频率处产生高增益，而不影响其他频率段，非常适用抑制网侧电流中的奇次谐波，其内模的传递函数如式(18)所示，奇次重复控制器不仅满足实际应用的要求，而且也可以节省控制存储空间^[12]。

图5  嵌入奇次重复控制器的电流环控制框图

图6 相位补偿的相频特性图

图7 不同值时极点最大模值图

图8  闭环传递函数的伯德图

通过观察图8可以看到电流环对基波和奇次谐波的控制能力得到了明显的改善，随频率增加而逐步稳定收敛，高频段衰减能力得到提升。根据图8可以得到不同控制方式时闭环传函的幅值和相位如附表所示，相对于比例控制，嵌入奇次谐波重复控制器的电流环在基波及奇次谐波频率处的增益和相位都接近于零，提高了控制系统在基波及奇次谐波频率处的跟踪精度，能够实现对网侧电流无静差跟踪，抑制网侧的低次电流谐波。

在不添加任何网侧电流谐波抑制方法的情况下，稳态时网侧电压电流波形如图9所示。

图9  无谐波抑制下网侧电压电流的波形

对网侧电流进行FFT分析，如图10所示。

图10  无谐波抑制下网侧电流FFT分析

由图10和图11可以看出，在不使用任何谐波抑制方法的情况下，整流器网侧电压电流相位基本相同，功率因数接近1，但是网侧电流存在明显畸变，含有大量3、5、7次等低次谐波，其3、5、7次谐波含量分别为3.14、1.36、1.26。

而在电压外环中添加N次陷波滤波器，在电流内环中添加奇次谐波重复控制器后，对单相三电平PWM脉冲整流器进行仿真，其网侧电压电流波形如图11所示。

图11  添加谐波抑制算法后网侧电压电流波形

对网侧电流进行FFT分析，如图12所示。

图12  添加谐波抑制算法后网侧电流FFT分析

由图11和12可以看出，在添加了本文设计的谐波抑制算法后，网侧电压电流相位相同，网侧电流波形质量明显提高，3、5、7次等低次谐波谐波含量明显减少，整体THD也降低到了3.10%。添加抑制算法前后对比说明，本文所设计的网侧电流谐波抑制算法具有有效性，且抑制效果明显。

5 结论

本文详细解析了单相三电平PWM脉冲整流器低次谐波产生的原因，以CRH2型动车组为模型，在无中间直流侧二次LC谐振滤波电路的情况下，提出一种基于N次陷波器和奇次谐波重复控制器的低次谐波抑制算法。最后在Matlab/Simulinks中进行仿真验证，仿真结果证明该算法能有有效抑制单相三电平PWM脉冲整流器网侧电流中的低次谐波。