電力電子變壓器集成變流器系統控制方法

DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.32.019

摘" 要：電力電子變壓器集成變流器系統應用于軌道交通車輛，其輸入直接連接牽引網，輸出連接牽引電機和輔助供電負載，能量雙向流動，單位功率因數運行。該文首先分析單相單級PWM整流控制策略，給出在旋轉坐標系下的PI控制器參數設計方法，并將該單級整流控制策略應用于52級級聯單相AC/DC變換器；然后仿真分析中間級高頻隔離CLLC諧振變換器啟動瞬態過程；最后分析三相級聯DC/AC輸出電壓THD特性。結果表明，該系統輸入電流總諧波畸變率（THD）低于1%，功率因數大于0.99，輸出電壓THD低于3.50%。

關鍵詞：電力電子變壓器；牽引逆變器；諧振變換器；控制仿真；THD

中圖分類號：TM464" " "文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2023）32-0075-04

Abstract： The power electronic transformer integrated converter system is used in rail transit vehicles， its input is directly connected to the traction network， the output is connected to the traction motor and the auxiliary power supply load， the energy flows in both directions， and the unit power factor runs. In this paper， the control strategy of single-phase single-stage PWM rectifier is analyzed， and the parameter design method of PI controller in rotating coordinate system is given， and the single-stage rectifier control strategy is applied to 52-stage cascaded single-phase AC/DC converter. Then the start-up transient process of intermediate stage high-frequency isolated CLLC resonant converter is simulated and analyzed. Finally， the output voltage THD （total harmonic distortion） characteristics of three-phase cascaded DC/AC are analyzed. The results show that the THD of the input current is less than 1%， the power factor is more than 0.99， and the output voltage THD is less than 3.50%.

Keywords： power electronic transformer; traction inverter; resonant converter; control simulation; THD

未來高鐵的發展著重考慮速度、效益、節能環保和經濟性等技術指標的綜合提升，更高速度與智能化是我國高鐵未來發展的2大主要方向。牽引傳動技術是鐵路機車車輛核心技術之一，目前都由工頻牽引變壓器和牽引變流器組成。而工頻牽引變壓器體積和重量較大，例如復興號動車組牽引變壓器達到6.4 t[1]。鐵路機車車輛急需采用新技術促進牽引傳動技術的發展，實現牽引系統的輕量化和小型化。

電力電子變壓器一般是指通過電力電子技術及高頻變壓器實現的具有但不限于傳統工頻交流變壓器功能的新型電力電子設備[2-3]。與常規的牽引變壓器相比，通過應用電力電子技術將工頻交流電變為中頻（kHz級別）交流電，大大降低牽引變壓器的重量。電力電子變壓器一般應用于中、高壓大功率的場合，可以替代傳統的工頻變壓器。電力電子變壓器應用目前主要集中在電力機車牽引用的車載變流器系統、智能電網/能源互聯網和分布式可再生能源發電并網系統[4-6]。

本文以一種應用于軌道交通車輛的電子電力變壓器集成變流器系統為研究對象，首先分析了單相單級PWM整流控制策略，給出了在旋轉坐標系下的PI控制器參數設計方法方法，并將該單級整流控制策略應用于52級級聯單相AC/DC變換器；然后仿真分析了中間級高頻隔離CLLC諧振變換器啟動瞬態過程；最后分析了三相級聯DC/AC輸出電壓總諧波畸變率（THD）特性。

1" 電力電子變壓器集成變流器系統分析

電力電子變壓器集成變流器系統如圖1所示，包含52個相同的基本功率子單元。該一體化變流器系統可獨立驅動4臺牽引電機，同時提供4組三相380 V交流輔助電源。

電力電子變壓器集成變流器系統基本功率子單元如圖2所示，該功率子單元包含啟動限流單元和直流母線過電壓防護單元。中間級DC/DC變換器實現牽引網與列車電氣隔離，工作于150 kHz以顯著降低隔離磁單元的體積和重量。

2" 集成變流器系統控制策略仿真

2.1" 前級級聯整流仿真

本節首先給出單相單級PWM整流控制策略，然后將單相整流控制策略應用于52級級聯單相AC/DC變換器。單相單級整流器dq電流內環和電壓外環結構如圖3和圖4所示。整流器輸入濾波電感0.52 mH，直流母線電壓為800 V，Tc為0.65×10-6。電流環控制帶寬可設置為3 kHz，阻尼系數0.7，則電流環PI調節器參數Kpc=0.002 73，Tic=0.000 47。假定電壓環控制帶寬為100 Hz，阻尼系數為0.7，整流器直流電容C=1.5 mF，負載等效電阻10 Ω（63.25 kW），則電流環PI調節器參數Kpv=0.258 8，Tiv=0.007 3。

單相PWM整流器旋轉坐標系PI控制仿真結果如圖5所示，其中開關頻率10 kHz，網壓480 V，直流電壓800±85 V，功率63.25 kW。此時網流總諧波畸變率（THD）為3.35%，輸入功率因數0.99。

單相52級級聯PWM整流器仿真結果如圖6所示，網壓25 kV，直流電壓41.60±4.25 kV，功率3.25 MW。此時網流總諧波畸變率（THD）為0.22%，輸入功率因數0.99。

2.2" 中間級隔離DC/DC仿真

中間級諧振CLLC變換器所有功率器件可實現開通軟開關（ZVS），工作于高開關頻率（150 kHz），從而降低諧振單元體積重量。本設計CLLC諧振變換器開關頻率固定于諧振頻率，通過調節前級AC/DC變換器的輸出電壓適應后級DC/AC逆變器的需求。

為降低額定負載下啟動瞬態過電流，CLLC諧振變換器在啟動時開關頻率設置為300 kHz，在50 ms內線性降低至額定開關頻率150 kHz。啟動瞬態過程中輸出電壓仿真結果如圖7（a）所示，諧振單元內部諧振電流仿真結果如圖7（b）所示，在啟動過程輸出電壓和內部諧振電流無過沖。

2.3" 后級三相級聯逆變仿真

集成變流器系統共有48個功率單元用于驅動4臺電機，每臺電機可利用12個逆變單元，每相使用4個逆變單元組成4級級聯逆變。逆變單元輸出配置濾波電容器，與逆變單元內置濾波電感器組成輸出LC濾波器，輸出三相正弦波電壓。

采用三次諧波注入PWM調制方式，如圖8所示，開關頻率15 kHz。三相級聯逆變輸出電壓仿真結果如圖9所示。此時輸出線電壓有效值2 749 V，輸出電流有效值154.4 A。輸出線電壓總諧波畸變率（THD）為1.10%，主要諧波成分位于120 kHz頻率處（8倍開關頻率），輸出電流總諧波畸變率為0.00%，輸出濾波器截止頻率32.49 kHz（濾波電感40 μH，等效濾波電容0.6 μF）。

3" 結論

通過仿真結果分析，電力電子變壓器集成變流器系統的正確性和有效性得到了證明，主要結論如下：該集成變流器系統輸入電流總諧波畸變率（THD）低于1%，功率因數大于0.99，輸出電壓THD低于3.50%。

參考文獻：

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基金項目：山東省重點研發計劃（重大科技創新工程）（2020CXGC010202）

*通信作者：曲建真（1990-），男，博士，工程師。研究方向為磁浮牽引供電技術。