馬穎濤，宋術(shù)全，李 紅

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 機(jī)車車輛研究所，北京100081）

高速動(dòng)車組技術(shù)是多項(xiàng)復(fù)雜技術(shù)的總成，輔助電源系統(tǒng)是其中的重要組成部分［1］。它作為一個(gè)三相交流供電系統(tǒng)，為眾多的車載設(shè)備供電，因此輔助電源的穩(wěn)定可靠運(yùn)行是列車牽引控制系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提，同時(shí)輔助電源也直接關(guān)系到列車的乘坐舒適度。因此輔助電源系統(tǒng)是高速動(dòng)車組技術(shù)的重要組成部分。

而脈寬調(diào)制技術(shù)（Pulse Width Modulation，PWM）是變流器控制中最底層，最基礎(chǔ)的部分［2-3］。其作用就是將電壓給定值，通過(guò)特定的算法計(jì)算開關(guān)管的開關(guān)時(shí)刻，準(zhǔn)確地控制變流器主電路的開關(guān)管，從而將給定電壓值進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。調(diào)制方法種類繁多，不同的脈沖生成算法的原理不同，調(diào)制出的方波電壓的諧波分布也不同。因此調(diào)制方法對(duì)于變流器IGBT、電抗器、變壓器的發(fā)熱也有著非常直接的影響。

調(diào)制方法與變流器閉環(huán)控制相對(duì)獨(dú)立。相同的閉環(huán)控制算法可以采用多種調(diào)制方法。動(dòng)車組輔助電源系統(tǒng)是一個(gè)多輔助變流器（Auxiliary Converter Unit，ACU）并聯(lián)運(yùn)行的結(jié)構(gòu)，各變流器并聯(lián)運(yùn)行需要非常復(fù)雜的控制才能實(shí)現(xiàn)無(wú)互聯(lián)線的自然均流［4-6］。但是調(diào)制方法是產(chǎn)生開關(guān)管開關(guān)脈沖的環(huán)節(jié)，因此性能較差的調(diào)制方法可能會(huì)導(dǎo)致變流器之間有著巨大的諧波環(huán)流，這些諧波環(huán)流可能通過(guò)AD采樣又進(jìn)入變流器的閉環(huán)控制，因此調(diào)制方法對(duì)于變流器的并聯(lián)運(yùn)行有著至關(guān)重要的意義。

高速動(dòng)車組輔助電源系統(tǒng)的功率等級(jí)比較大，為十萬(wàn)千瓦級(jí)。大功率變流器的開關(guān)頻率受制于器件和散熱，一般選取的比較低。而變流器輸出正弦濾波器受制于體積和質(zhì)量的限制，其截止頻率不能設(shè)計(jì)的太低。因此逆變器輸出濾波電感的紋波電流較大，輸出電壓的諧波含量比較可觀。這就對(duì)調(diào)制方法提出了更高的要求。

為了保證變流器輸出電壓質(zhì)量，針對(duì)動(dòng)車組輔助變流器獨(dú)特的應(yīng)用需求，通過(guò)設(shè)計(jì)性能優(yōu)良的調(diào)制方法，有效的降低了三相交流輸出電壓的諧波含量。

針對(duì)該不利因素，為了保證變流器輸出三相交流電壓的電源質(zhì)量，本文提出了一種新改進(jìn)的調(diào)制方法。有效的降低了變流器輸出交流電壓諧波含量。成功的應(yīng)用在國(guó)產(chǎn)化輔助變流器中，與現(xiàn)有輔助變流器的并聯(lián)中，實(shí)現(xiàn)了很低的諧波環(huán)流水平。

1 輔助變流器的結(jié)構(gòu)

輔助變流器的主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。它的功能是將輸出直流母線電壓，逆變成為三相正弦交流電。它包括3部分，直流母線支撐電容、6個(gè)IGBT構(gòu)成的三相橋、正弦波濾波器。其中正弦波濾波器中包含了濾波電感、濾波電容和一個(gè)隔離變壓器。

三相橋輸出的方波線電壓經(jīng)正弦波濾波器濾波后得到的正弦交流電壓。

圖1 ACU的電路結(jié)構(gòu)示意圖

2 輔助變流器的脈寬調(diào)制方法

2.1 載波比

受變流器發(fā)熱設(shè)計(jì)的限制，開關(guān)頻率較低，PWM波的生成方式對(duì)電壓諧波的分布有很大影響：（1）三角載波與正弦調(diào)制波的相位關(guān)系（三角波的起點(diǎn)與調(diào)制波的過(guò)零點(diǎn)的位置關(guān)系，會(huì)導(dǎo)致偶次諧波的明顯變化。這在開關(guān)頻率較高的場(chǎng)合下不明顯）；（2）調(diào)制若為異步調(diào)制，載波比會(huì)不恒定（開關(guān)頻率恒定，基波周期不恒定），會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生三相電壓的不對(duì)稱和偶次諧波。通常三相系統(tǒng)為保證三相之間的對(duì)稱性，取載波比為3的整倍數(shù)。為了抑制偶次諧波，載波比為奇數(shù)。

2.2 調(diào)制波的諧波注入

為了提高逆變器的直流電壓利用率，為調(diào)制波注入1／6基波幅值的三次諧波，如圖2所示。這樣就可以有效的削弱調(diào)制波的峰值。由于三次諧波為零序量，所以它并不會(huì)體現(xiàn)在負(fù)載線電壓上。

圖2 正弦調(diào)制波中注入三次諧波示意圖

2.3 采樣方法

三相正弦調(diào)制波與連續(xù)增減的三角載波進(jìn)行比較產(chǎn)生6路開關(guān)波形。對(duì)于數(shù)字控制器而言，通常采用規(guī)則采樣方法。其原理就是用三角波每個(gè)周期對(duì)正弦波進(jìn)行采樣得到方波。方波與三角波載波進(jìn)行比較，交點(diǎn)時(shí)刻即對(duì)應(yīng)開關(guān)管的通斷，從而實(shí)現(xiàn)了脈寬調(diào)制。采樣時(shí)刻可以選取三角載波的零點(diǎn)或者頂點(diǎn)，或者在零點(diǎn)和頂點(diǎn)都進(jìn)行采樣。當(dāng)正弦調(diào)制波在一個(gè)開關(guān)周期采樣一次（如三角載波的零點(diǎn)），那么脈沖該開關(guān)周期內(nèi)是相對(duì)三角波的中線對(duì)稱的，那么該方法稱之為規(guī)則采樣，如圖3所示。若在三角波的頂點(diǎn)和零點(diǎn)都進(jìn)行采樣，那么在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)脈沖通常不是沿三角波中線對(duì)稱的，因此這種方法稱之為非對(duì)稱規(guī)則采樣。

對(duì)兩種采樣方法進(jìn)行仿真，在開關(guān)頻率1kHz，主電路參數(shù)一致，即可以對(duì)兩種采樣方法的性能進(jìn)行比較。如圖4所示，Vab為三相橋輸出的方波線電壓，Uab為正弦濾波器濾波后的交流線電壓。從仿真結(jié)果圖4（a）和圖4（c）可以看出，非對(duì)稱規(guī)則采樣下，線電壓Vab的偶次諧波含量明顯小于對(duì)稱規(guī)則采樣。由圖4（b）和圖4（d）可以看出，非對(duì)稱規(guī)則采樣時(shí)，正弦電壓中的偶次諧波含量明顯低于對(duì)稱規(guī)則采樣。非對(duì)稱規(guī)則采樣下正弦電壓總諧波畸變率（Total Harmonics Distortion，THD）約為0.77%，對(duì)稱規(guī)則采樣時(shí)的THD為1.41%。非對(duì)稱規(guī)則采樣的性能明顯優(yōu)于對(duì)稱規(guī)則采樣。

圖3 采樣方法示意圖

可以看出，在不提高開關(guān)頻率的前提下，只需要將調(diào)制方法由通常的對(duì)稱規(guī)則采樣改為非對(duì)稱規(guī)則采樣，就可以很顯著的降低變流器輸出交流電壓的諧波含量。

綜上所述，本文采用的調(diào)制方式為注入1／6基波幅值三次諧波的非對(duì)稱規(guī)則采樣的SPWM。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 單機(jī)試驗(yàn)

在國(guó)產(chǎn)化機(jī)組上，試驗(yàn)該調(diào)制方法。在開環(huán)的測(cè)試中，獲得一組試驗(yàn)波形。

圖5中，CH1為輔助變流器三相橋的輸出線電壓Uab，CH2為Ia相橋臂輸出電流，Math通道為PWM1減去PWM3，為三相橋輸出線電壓Uab的指令值?？梢钥闯觯琈ath通道與直接測(cè)量的線電壓波形一致。對(duì)線電壓進(jìn)行FFT分析，結(jié)果如圖6所示。其偶次諧波含量很低，低次諧波含量很低。其他諧波主要集中在開關(guān)頻率整數(shù)倍附近。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

3.2 并聯(lián)試驗(yàn)

當(dāng)逆變器輸出并聯(lián)之后，就會(huì)因?yàn)楦髋_(tái)逆變器輸出電壓中的諧波成分導(dǎo)致逆變器之間出現(xiàn)較大的諧波環(huán)流。該諧波環(huán)流不僅占用了逆變器的容量，增大損耗和發(fā)熱，而且列車上的逆變器之間距離較遠(yuǎn)，若交流母線上流過(guò)大量的諧波電流，會(huì)大大惡化動(dòng)車組上的電磁環(huán)境。通過(guò)對(duì)逆變器的調(diào)制方法和控制算法上進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，固定逆變器輸出電壓的諧波幅值分布和相位分布，從而抑制逆變器之間的諧波環(huán)流。

圖4 兩種采樣方法的電壓波形及FFT分析

圖5 國(guó)產(chǎn)化控制器在輔助變流器中試驗(yàn)波形

采用“注入1／6 3次諧波的不對(duì)稱規(guī)則采樣的PWM”的國(guó)產(chǎn)ACU與既有ACU進(jìn)行并聯(lián)，分別得到空載和64kW負(fù)載工況的波形，如圖7所示。

圖7中通道CH3和CH4分別為國(guó)產(chǎn)和原型車的輔助變流器輸出ab線電壓，由于其并聯(lián)在一起，因此波形重合。CH5和CH6分別為國(guó)產(chǎn)和原型車ACU的a相輸出電流。

圖7（a）為空載并聯(lián)。由ACU輸出電流接近于0可以看出其空載環(huán)流非常小。圖7（b）為兩機(jī)并聯(lián)帶64 kW負(fù)載。Math1通道為CH5與CH6之差，兩個(gè)電流之差有效值為9.4A?？梢钥闯?，其諧波環(huán)流非常小，兩臺(tái)機(jī)組輸出電流波形基本一致。因此，變流器并聯(lián)的諧波環(huán)流得到了很好的抑制。

圖6 國(guó)產(chǎn)輔助變流器輸出線電壓波形FFT分析

圖7 國(guó)產(chǎn)ACU采用新調(diào)制方法與原型車ACU并聯(lián)

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)既有輔助變流器的脈沖波形和方波線電壓波形的分析，本文設(shè)計(jì)了“注入1／6三次諧波的不對(duì)稱規(guī)則采樣的PWM”的方法。通過(guò)仿真驗(yàn)證，單機(jī)試驗(yàn)，在國(guó)產(chǎn)化控制器中實(shí)現(xiàn)了該調(diào)制方法。通過(guò)對(duì)其脈沖波形的分析，其諧波分布和波形特征與既有輔助變流器的脈沖特征一致。國(guó)產(chǎn)化輔助變流器和既有機(jī)組并聯(lián)，采用了新的調(diào)制方法，試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了其能夠?qū)崿F(xiàn)很低的諧波環(huán)流。

因此，新方法符合國(guó)產(chǎn)化控制器的需求，既能夠?qū)崿F(xiàn)較低的輸出電壓諧波含量，消除偶次諧波，也能夠在并聯(lián)運(yùn)行中，實(shí)現(xiàn)很低的諧波環(huán)流，具有較好的均流特性。

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