宋術(shù)全

（1 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司 機(jī)車車輛研究所，北京100081；2 北京縱橫機(jī)電科技有限公司，北京100094）

在我國鐵路牽引領(lǐng)域二電平變流器和三電平變流器均有采用［1］，二電平變流器在機(jī)車和動車組上均有應(yīng)用，而三電平變流器則主要應(yīng)用于動車組上。以CRH動車組為例，采用三電平變流器的有CRH2型系列動車組和CRH3A動車組，其中CRH3A動車組網(wǎng)側(cè)變流器為三電平，而逆變器仍為二電平，就變流器的構(gòu)成而言，相比于二電平變流器，三電平變流器主電路的結(jié)構(gòu)自然比較復(fù)雜，但是也具備一定的優(yōu)點［2-3］：首先，單個開關(guān)器件所承受的電壓低，在相同中間直流環(huán)節(jié)電壓下只有二電平變流器的一半，因此相同的開關(guān)器件可以應(yīng)用于更高電壓、更大容量變流器；其次，三電平變流器的單個橋臂有4個開關(guān)器件，通過不同器件的導(dǎo)通和關(guān)斷可以獲得4種開關(guān)狀態(tài)，橋臂的輸出可以有3種輸出電壓等級，因此在相同的開關(guān)頻率下三電平變流器輸出的電壓波形更接近正弦，從單個變流器角度看其電流諧波會優(yōu)于二電平變流器。

將基于坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換的空間矢量解耦控制算法用于網(wǎng)側(cè)變流器的控制，該控制方法在控制原理上可適用于二電平和三電平網(wǎng)側(cè)變流器，兩者之間的主要區(qū)別在于脈寬調(diào)制環(huán)節(jié)。采用文中的矢量解耦控制算法對二電平和三電平網(wǎng)側(cè)變流器分別進(jìn)行仿真計算，對兩者的諧波情況進(jìn)行了比較，指出兩者的區(qū)別以及不同的應(yīng)用范圍。

1 網(wǎng)側(cè)變流器及控制

二電平網(wǎng)側(cè)變流器主回路原理圖如圖1所示，其中Un為折算至變壓器輸出側(cè)的電源電壓；in為變壓器輸出電流；Ln和Rn則為折合到變壓器二次側(cè)繞組漏感和電阻；us為網(wǎng)側(cè)變流器的輸入電壓；Cd為變流器中間直流環(huán)節(jié)支撐電容。三電平網(wǎng)側(cè)變流器主回路原理圖如圖2所示，與圖1中二電平網(wǎng)側(cè)變流器的主要區(qū)別在于變流器采用了Nabae提出的中點鉗位方案［4-5］。無論是二電平還是三電平網(wǎng)側(cè)變流器，如果在交流輸入側(cè)只考慮調(diào)制波電壓us的基波矢量S1，那么兩者交流側(cè)主電路均可以等效的電路圖如圖3所示。

圖1 二電平網(wǎng)側(cè)變流器主回路原理圖

圖2 三電平網(wǎng)側(cè)變流器主回路原理圖

圖3 交流電源側(cè)等效電路圖

為了方便對網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)行分析，采用基于坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換的矢量思想進(jìn)行模型建立［6-8］。

通常單相系統(tǒng)網(wǎng)壓表示為式（1）：

式中：Up為網(wǎng)壓幅值；ω為電壓角頻率；?u為網(wǎng)壓初始相角。

通過構(gòu)造網(wǎng)壓的正交分量，可將式（1）表示為旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系α-β下的矢量為式（2）：

同理可以得到網(wǎng)流在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系α-β下的矢量為式（3）：

式中：Ip為網(wǎng)流幅值；ω為電流角頻率；?i為網(wǎng)流初始相角。

針對圖3網(wǎng)側(cè)變流器的電源側(cè)等效電路，根據(jù)基爾霍夫電壓定律有式（4）：

將式（2）、式（3）代入式（4）中可得式（5）：

當(dāng)以網(wǎng)壓向量作為D-Q坐標(biāo)系的參考基準(zhǔn)時?=?u，同時將式（7）、式（8）和式（9）代入至式（6），整理后可得式（10）、式（11）：

變壓器繞組內(nèi)阻通常較小，如果忽略其影響，那么從式（10）可以看出，在系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)時輸入電流in的q軸分量inQ主要受usD的控制，即usD對網(wǎng)側(cè)電流的無功分量影響較大；而根據(jù)式（11）可見，輸入電流in的D軸分量inD主要受usQ的控制，即usQ對網(wǎng)側(cè)電流的有功分量影響較大。根據(jù)式（10）和式（11）得到變流器在靜止坐標(biāo)系D-Q下的輸入電壓向量后，將其乘以ej(ωt+?)進(jìn)行反變換，即可得到在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系α-β下的對應(yīng)向量，其實部即為控制所需要的與三角載波進(jìn)行比較即可得到開關(guān)器件動作所需的脈寬調(diào)制信號。基于坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的網(wǎng)側(cè)變流器矢量控制原理如圖4所示。

圖4 基于坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的矢量控制原理

2 脈寬調(diào)制方法比較

無論是二電平還是三電平整流橋，SPWM是較為常用的脈寬調(diào)制方法，在這里針對兩者之間的差別進(jìn)行說明，二電平變流器脈寬調(diào)制波形如圖5所示，是最常見的調(diào)制方法，其中三角載波頻率與開關(guān)器件的開關(guān)頻率相同，通過與調(diào)制波（控制電壓us*）比較得到2個橋臂的開關(guān)信號，最終在變流器輸入端形成控制所需要的電壓信號。

圖5 二電平脈寬調(diào)制原理

三電平變流器脈寬調(diào)制波形如圖6所示，其與二電平變流器的主要區(qū)別在于載波，由于三電平開關(guān)器件比二電平多一倍，通常采用正負(fù)半周2個載波的調(diào)制方式，因此對應(yīng)調(diào)制信號的正負(fù)半周僅有1個橋臂的上半部分或下半部分動作，導(dǎo)致同樣器件開關(guān)頻率對應(yīng)的載波頻率要高一倍。另外為了保證三電平減少諧波含量的效果，2個橋臂之間的載波相位相差180°。

圖6 三電平脈寬調(diào)制原理

3 仿真結(jié)果及比較

3.1 仿真系統(tǒng)概述

為了對2種網(wǎng)側(cè)變流器進(jìn)行比較，文中仿真時對二電平變流器采用兩相兩重方式進(jìn)行仿真，而三電平則只采用1個整流器。二電平仿真系統(tǒng)主回路如圖7所示，三電平仿真系統(tǒng)主回路如圖8所示。2種系統(tǒng)的控制策略均采用文中的空間矢量解耦控制算法，調(diào)制方法則利用上節(jié)介紹的二電平和三電平脈寬調(diào)制原理。二電平系統(tǒng)和三電平系統(tǒng)的仿真用繞組電壓、直流環(huán)節(jié)電壓、系統(tǒng)功率和器件開關(guān)頻率相同，而三電平系統(tǒng)由于只有1個繞組輸入，相當(dāng)于二電平系統(tǒng)2個繞組并聯(lián)，因此其繞組漏感和內(nèi)阻等效為二電平繞組相應(yīng)參數(shù)的一半，見表1。

圖7 二電平仿真系統(tǒng)主回路

圖8 三電平仿真系統(tǒng)主回路

3.2 仿真時的邊界條件

二電平和三電平仿真系統(tǒng)中網(wǎng)側(cè)電源均采用理想的電壓源來模擬；而其中二電平變流器由于采用兩相兩重方式，2個變流器之間載波移相角度為90°，此時在網(wǎng)側(cè)形成的等效諧波電流最?。幌到y(tǒng)的負(fù)載通過在中間支流環(huán)節(jié)投入電阻模擬；網(wǎng)側(cè)電流按單位功率因數(shù)控制；主要外部參數(shù)見表1。

表1 仿真系統(tǒng)的基本參數(shù)

3.3 仿真結(jié)果

二電平網(wǎng)側(cè)變流器在額定功率時的輸入電流波形如圖9所示，三電平變流器對應(yīng)輸入電流波形如圖10所示，從兩圖比較可見，就單個變流器而言，相對于二電平變流器，三電平變流器的輸入電流更接近正弦波形，電流中的諧波含量較少。二電平變流器2個輸入電流相加之后的電流波形如圖11所示，從圖11中可以看出該電流波形與單個三電平變流器輸入電流接近，圖12和圖13分別針對圖11和圖10的電流波形進(jìn)行傅里葉變換，通過兩圖的比較可以看出兩相兩重二電平變流器在網(wǎng)側(cè)所形成的諧波與1個三電平變流器是相同的。

圖9 二電平變流器輸入電流

圖10 三電平變流器輸入電流

圖11 兩相兩重二電平變流器輸入電流之和

圖12 二電平變流器電流諧波分析

圖13 三電平變流器電流諧波分析

通過以上波形及分析可以看出，在相同的系統(tǒng)功率和電壓等級下，兩相兩重二電平網(wǎng)側(cè)變流器與1個三電平是等效的，二電平變流器要求開關(guān)器件有較高的耐壓，但是電流減半，而三電平盡管對器件耐壓要求降低，但是電流是二電平變流器的2倍。

4 結(jié)論

文中將基于坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換的矢量解耦算法應(yīng)用于二電平和三電平網(wǎng)側(cè)變流器，針對2種變流器采用不同的調(diào)制方式分別進(jìn)行控制。通過仿真分別對二電平系統(tǒng)和三電平系統(tǒng)進(jìn)行了相同技術(shù)參數(shù)下的模擬計算，仿真結(jié)果表明文中的矢量解耦控制算法可以同時應(yīng)用于2種變流器，雖然單個二電平整流器在同樣條件下相對于三電平的諧波含量較大，但是采用兩相兩重方式與單個三電平變流器是等效的。因此在電傳動系統(tǒng)需要綜合考慮電壓等級、功率容量以及技術(shù)成熟度等因素決定采用二電平或三電平變流器。