摘要：牵引变流器是现代电力电子学的典型应用，通常使用的异步电机要求有一个能保证系统有效、可靠运行的变流器装置。在电力机车牵引变流器优化控制的研究中，动车组牵引变流器是动车组完成电能转换和传递的关键部件，性能好坏直接关系到动车组能否安全可靠运行。对CRH2A 型牵引变流器输出电压变化率大、谐波含量高等问题，对多电平技术在牵引变流器中的应用进行了分析，并根据CRH2A 型牵引变流器主电路实际设计参数应用Matlab 仿真软件对五电平DCMLC 和M2 LC 分别进行了建模和仿真，比较和分析了牵引变流器中不同逆变器电路拓扑结构及其对应的控制策略对系统输入输出性能的影响。仿真结果初步验证了模型对CRH2A 型牵引变流器性能的改善效果。
关键词：电力机车；牵引变流器；仿真
目前，机车交流传动系统主要采用交—直—交电传动方式，机车通过受电弓、主断路器向牵引变压器原边供电，牵引变压器次边绕组向牵引变流器中的四象限脉冲整流器供电，实现电源从交流到直流的变换。目前，我国高速动车组中主流的CRH 系列动车组多采用两电平或三电平牵引变流器。经过多年运行，其输出电压电平数少、谐波含量大、输出电能质量低等问题日渐显现。基于将多电平技术引入目前主流车型的牵引变流器中，并以CRH2A 型动车组牵引变流器为研究对象，对五电平DCMLC 和M2LC 的拓扑及其控制策略进行研究，期望通过建模和仿真分析，获得相应的结论，以探讨五电平牵引变流器应用于高速动车组的可行性，为动车组牵引变流器乃至牵引传动系统的优化设计提供参考。
一、CRH2A 型牵引变流器结构
CRH2A 型动车组牵引变流器由脉冲整流器、中间直流环节和逆变器三大部分组成，牵引工况下，脉冲整流器将输入的AC1500V 单相工频交流电变换成3000V 直流电压，经过中间直流环节输出到逆变器，逆变后输出电压0-2300V、频率0-220Hz 可控的三相交流电供给牵引电机；再生制动是牵引的逆过程，此时逆变器处于整流状态，牵引电机的三相交流电作为输入，向中间直流环节输出直流电压，再通过脉冲整流器转换成交流电回馈给电网。牵引变流器的整流和逆变部分的拓扑结构均为三电平二极管箝位型，每相由开关管和箝位二极管组成。脉冲整流器和逆变器均采用PWM 方式控制，其中整流器的控制信号是通过瞬态电流控制策略产生调制波与三角载波比较得到。
二、五电平DCMLC 拓扑及控制
五电平DCMLC 是对三电平拓扑结构的拓展，工作原理和控制策略与三电平结构类似，但五电平结构对开关管耐压要求更低，输出电压和电流质量提高，将简要分析五电平DCMLC 的工作原理和控制策略。
1、拓扑结构及工作原理。五电平DCMLC 的单相桥臂和直流分压电容的电路连接图，开关管T1-T8被6 个箝位二极管分别箝位到直流分压电容Cd1-Cd4上，其中（T1，T5）、（T2，T6）、（T3，T7）、（T4，T8）为互补开关对。
2、控制策略。五电平DCMLC 采用三角载波层叠的SPWM 控制方法。它的基本思想是：对于五电平变流器，每相采用频率和幅值相等、上下连续层叠、对称分布的三角波作为载波，与同一调制波进行比较，在采样时刻根据载波与调制波的比较结果决定开关管的状态，以输出不同的电平。这种PWM 控制方法的优点是可直接应用于DCMLC 的控制，且具有很好的谐波消除性能。
三、五电平M2LC 拓扑及控制
DCMLC 虽然具有良好的输出性能，但其需要大量的箝位二极管，且当电平数增加时，直流侧电压平衡控制难度加大。M2LC 采用模块化结构，无需箝位元件，可以很好的弥补缺点。
1、拓扑结构及工作原理。五电平M2LC 的主电路及子模块拓扑结构主电路中每相桥臂由相同的子模块SM 级联而成，每个SM 为由开关管T1、T2和电容C 并联而成的半H 桥结构。上、下桥臂之间通过两个等值电感串联而成，其作用是抑制内部环流和减小故障时的电流上升率。该电路拓扑结构中，通过控制每个子模块电流iSM的流入方向可使其工作在投入、切除或闭锁状态。为便于阐述以a 相为例分析桥臂上各个子模块以及五电平M2 LC 的工作原理。假设五电平M2LC 带三相对称阻感负载，则直流侧电流Id被三相单元均分；又上、下桥臂结构相同、具有对称性，所以a 相输出电流ia被上、下桥臂均分。如图。
由图可得上、下桥臂电流和环流分别为：
可以看出，虽然M2LC 输出电压也为五电平，但由于存在桥臂电感，导致其电压幅值略低于五电平DCMLC 的输出电压幅值。
2、控制策略
M2LC 的控制策略主要包括两部分：载波移相脉宽调制和子模块电容电压的均衡控制。
载波移相脉宽调制。要实现系统高性能和高效率的运行，不仅要有适当的电路拓扑结构作为基础，还要有相应的调制策略作为保障。CPS－PWM 作为M2LC 最常用的调制策略，能够在较低的载波频率下有效地消减谐波。它的基本思想是：对于五电平M2LC 的每相桥臂而言，可采用4 个幅值和频率相同、相位相差2π/4 的三角载波与调制波进行比较，从而生成4 组PWM信号，以决定4 个子模块的投入或切除。这种调制策略得到的输出波形的等效开关频率是载波频率的4 倍；且对于任意调制度，各子模块都具有相同的开关频率和输出电压，在很大程度上实现了各子模块电容电压的平衡，因此该调制策略非常适合于M2LC。
电容电压的均衡控制。虽然CPS－PWM 有助于各子模块电容电压的平衡，但在实际运行过程中，单纯采用该策略还是无法完全平衡电容电压，因此需要采用额外的控制方法，引入子模块电容电压均衡控制方法，基于此输出CPS－PWM 所需的电压调制信号。根据上、下桥臂的电流方向，控制每个子模块电容电压的实际值uCi通过比例调节器后，使其跟随参考电压值uCref而变化。因此，通过两方面进行均衡控制后，再结合每个子模块电容电压的参考值，可得到上、下桥臂各自所需的电压调节分量为：
四、仿真建模与分析
对CRH2A 型动车组牵引变流器输出电压变化率大、谐波含量高等问题，基于五电平DCMLC 和M2LC 的工作原理和控制策略对CCRH2A 的逆变环节进行优化和改进。为此，在原有CCRH2A 型变流器结构基础上构建的牵引变流器优化模型Ⅰ和模型Ⅱ的结构，对比分析变流器优化模型与CRH2A 型牵引变流器的输入输出性能，根据牵引变流器实际设计参数，基于Matlab /Simulink 软件对CRH2A、模型Ⅰ和模型Ⅱ进行了仿真建模。为便于讨论，仿真模型中采用三相对称阻感负载代替电机负载，相应的仿真参数。
1、网侧输入特性对比分析。对比CRH2A、模型Ⅰ和模型Ⅱ网侧输入电流的FFT 分析结果可以发现：模型中各次电流谐波含量变化不大，低次谐波主要集中在第3、5 次，高次谐波主要集中在第45、47、49、51、53 和55 次，该分析结果中的分析结果基本一致。
2、中间直流电压对比分析。为了考察优化模型的动态性能，在仿真过程中设定t =1s 时负载降低20%、t = 2s 时切除全部负载，由此而得的中间直流电压变化曲线如图所示。
由图可知，模型Ⅰ由于采用五电平二极管箝位型电路拓扑，存在电容电压偏移问题，从而导致直流侧电压波动较大；而模型Ⅱ采用五电平模块化拓扑结构，当负载突变时，直流侧电压变化幅值要低于CRH2A 和模型Ⅰ，但稳定时间要长。
通过分析了五电平DCMLC 和M2LC 的工作原理和控制策略，建立了基于这两种不同拓扑结构的五电平牵引变流器优化模型Ⅰ和Ⅱ，并基于Matlab 软件对CRH2A 型动车组牵引变流器、模型Ⅰ和模型Ⅱ进行了仿真建模。通过对所建模型中对应的输入性能、中间直流电压和输出特性的对比分析可知，仿真结果初步验证了两种优化模型对改善CRH2A 型牵引变流器输出性能的效果。
参考文献：
[1]王琛琛，李永东．多电平变换器拓扑研究及其最新进展［J］．电力电子，2012，（4）：5 － 11．
[2]谭玉茹，苏建徽．基于移相载波的模块化多电平换流器控制方法研究［J］． 高压电器，2012，48（8）．
[3]孙浩，杨晓峰．CPS － SPWM 在模块组合多电平变换器中的应用［J］． 北京交通大学学报，2013，35（5）5．
[4]赵昕．采用载波移相技术的模块化多电平换流器电容电压平衡控制［J］． 中国电机工程学报，2014，31（21）：48 － 55．
论文作者:武新龙
论文发表刊物:《基层建设》2019年第1期
论文发表时间:2019/4/2
标签：变流器论文; 电平论文; 电压论文; 拓扑论文; 载波论文; 模型论文; 车组论文; 《基层建设》2019年第1期论文;