地鐵輔助逆變電源的研究

羅仕維，龍永紅，李軍軍

（湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

地鐵輔助逆變電源的研究

羅仕維，龍永紅，李軍軍

（湖南工業(yè)大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

機車輔助逆變電源是機車上不可缺少的構成器件，地鐵車輛穩(wěn)定安全的運行依靠于其工作的可靠性。本文對比判辨了地鐵靜止輔助逆變電源的各類型拓撲優(yōu)劣，針對兩電平逆變的地鐵靜止輔助電源進行探究，該系統(tǒng)采用了雙閉環(huán)的調節(jié)方式，為系統(tǒng)提供可靠的交流輸出電壓，用來滿足不同負載的需求。在此基礎上搭建了MATLAB仿真模型，仿真結果表明，輔助逆變系統(tǒng)的輸出符合指標要求，驗證了方案的可行性。

地鐵輔助電源；兩電平逆變；SVPWM

0 引言

地鐵輔助逆變系統(tǒng)是地鐵車輛上的重要組成部分，隨著供電網電壓等級的提高（600V、750V 逐步發(fā)展成 1500 V電壓），用電器件的需求也隨著供電方式的進步達到新層次的高度。

地鐵的通風系統(tǒng)、動力照明器件、車輛空調及一系列交流使用負載所需要的交流電源都由地鐵逆變輔助電源供給，當中需求最大的用電器件是空調機組?，F(xiàn)運營地鐵中大多采用定頻空調，但變頻空調對于溫度調節(jié)能力，舒適性等方面較定頻空調有著更好的性能，另外由于新型電機，如永磁同步電機的應用，在節(jié)能方面較傳統(tǒng)電機有著更大優(yōu)勢，當尚無大規(guī)模應用。但隨著綠色，環(huán)保理念深入與推廣，變頻空調必將成為未來更佳選擇。在確保機車輔助電源工作時安全、穩(wěn)定、可靠的前提下，同時又能滿足新型空調設備的需求，本文以變頻空調作為具體負載，對變頻空調用輔助電源進行了研究與設計。

機車輔助電源首先接收從接觸網或者第三軌導入的直流電源，具體結構如圖1。兩大工作單位構成整個地鐵輔助電源，輔助電源的關鍵組成是輸出的380V/50Hz 的工頻電壓。此外，系統(tǒng)輸出還有 110V和24V兩種等級。列車上的低壓直流元件，例如機車蓄電池，雨刮器，應急照明等都由AC110V供給電能；24V主要是為列車的控制系統(tǒng)供電。

機車輔助電源首先接收從接觸網或者第三軌導入的直流電源，具體結構如圖1。兩大工作單位構成整個地鐵輔助電源，輔助電源的關鍵組成是輸出的380V/50Hz 的工頻電壓。此外，系統(tǒng)輸出還有 110V 和24V兩種等級。列車上的低壓直流元件，例如機車蓄電池，雨刮器，應急照明等都由AC110V供給電能；24V主要是為列車的控制系統(tǒng)供電[1]。

圖1 地鐵輔助電源結構Fig. 1 Principle of auxiliary power supply

DC1500V輸入首先流過前置濾波后再經三相逆變可以得到交流電壓。變壓器接著對交流電壓實現(xiàn)隔離降壓后經交流電容元件再次濾波得到穩(wěn)定的三相380V/50HZ正弦電壓。

1 逆變器的設計

1.1 逆變器拓撲結構選擇

當今靜止輔助逆變電源存在很多類型的拓撲主電路，按照其配置的隔離變壓器方案，分為兩個方式：第一種方式首先將DC1500V輸入電壓流經電抗器通過前置濾波后送入逆變元件進行逆變，再經過工頻變壓器隔離、輸出濾波后提供給負載使用。第二種方式首先將DC1500V輸入電壓完成直直變換，使其降壓，然后再對將其送入高頻變壓器實行電氣隔離，最后送入逆變器。這兩種方式如表1所示[2]。

分析比對以上拓撲類型，兩電平電路采取△/Y型變壓器，給予中線且組成開關元部件較少，而且核心技術比較成熟，控制原理比較而言更為簡單，穩(wěn)定性好。并且此方案已逐步應用于國內各大城市地鐵車輛上，因此本文優(yōu)先考慮此拓撲結構[3]。如圖2所示：

表1 拓撲結構對比Tab. 1 Comparison of topology

圖2 兩電平加工頻拓撲Fig. 2 Two level auxiliary power supply topology

1.2 逆變電路技術參數(shù)的設計

IGBT的功能是通過其易于調控的開關方式，使其遵循設定頻率地開通和斷開讓直流電壓逆變?yōu)檎撎鎿Q的方型電壓。因此，IGBT在任何逆變電源器件中的功能都極為關鍵。想使輔助電源高效，可靠地工作，一定要使其指標設定在正向偏置安全領域，不然會導致IGBT燒毀進而影響工作[4]。

逆變電源在額定工況下，可以計算出IGBT元件承受電流為：

同時考慮到在2倍過載工況下，我們計算出逆變器最大輸出時IGBT元件承受電流為：

我們默認選定IGBT所承受電流的安全等級為最大值電流的1.25倍，取IGBT的Ic=633A。

我們將峰值網側電壓定為2100V（輸入過電壓保護值），關斷過電壓定為400V并且考慮1.2倍的電壓保護范圍，計算出每個標稱電壓VCE=（2100+400）×1.2=3000V，因此選用3300V/800A的IGBT元件。

因為逆變器的輸出電壓中含有很多諧波，所以為了讓靜止輔助電源的輸出有更好的質量，必須使其諧波小于5%，通過漏磁變壓器和濾波電容組成的LC型低通濾波器實現(xiàn)濾波來達到消除諧波的目的。

變壓器參數(shù)計算：

通過參考諧波注入控制指標，由此可以計算得出輸出基波有效值（線電壓）峰值為

式中Udc為地鐵輔助電源系統(tǒng)的輸入電壓

假設最小輸入時的工況，Udc=1000V，那么U1=680V變壓器的短路電壓降為13%，可以算出在三相電抗器上的相電壓壓ΔV=U1×13%÷1.732=51.04 V。

根據(jù)公式ΔV=2πf×L×IC則折算到變壓器一次側的漏電感L=ΔV/（2πf×Ic）=0.709 mH取變壓器空載電壓比為680：423，折算到二次側的漏電感為0.274 mH。

輸出濾波電容的指標計算

輸出端的濾波電容元件為三角形連接方式，考慮它的單相電容是C，取C=200μF，則3C=600μF，LC交流濾波電路的截止頻率：

2 控制系統(tǒng)設計

2.1 雙閉環(huán)控制參數(shù)設計

為保證輸出端滿足輔助電源要求，本文選用電流內環(huán)并用電壓外環(huán)的雙環(huán)調節(jié)原理。采用濾波電感電流內環(huán)，讓其變得可控，讓控制環(huán)節(jié)的可靠性大大增加。此外，內環(huán)結構可以有效的控制環(huán)內的干擾因素，讓整個控制環(huán)節(jié)的穩(wěn)定性得到很大提高。

下圖為d軸下濾波電流內環(huán)作用于連續(xù)域的控制結構圖。

圖3 電流內環(huán)結構框圖Fig. 3 Current inner loop structure diagram

Ts表示的是濾波電流內環(huán)中電流采集和反饋信號所用的慣性時間常數(shù)，Kpwm表示的是內環(huán)中的PWM的在相同情況的增益；0.5Ts表示的是開關轉換元件的慣性常數(shù)，Ki表示的是電流環(huán)PI調節(jié)元件的比例系數(shù)，τi表示的是同元件積分時間常數(shù)。

把常數(shù)0.5Ts和Ts統(tǒng)一，能夠使電流內環(huán)模型更加簡單，因此把PI調節(jié)元件的零點用于消除電流作用目標傳遞函數(shù)的極點構建經典的Ⅰ型結構，

比對之后傳遞函數(shù)如下所示

參考經典Ⅰ型結構指標整定比例，可以計算阻尼比ξ=0.707，得

假設開關頻率達到某參考值，換言之TS非常小的時候，電流閉環(huán)能夠化為

從公式4推算出電流環(huán)近似一階慣性結構，下圖為d軸電壓外環(huán)模型

圖4 電壓外環(huán)結構框圖Fig. 4 Voltage outer loop structure diagram

電壓外環(huán)的功能是保持三相交流測電壓不變，因此設計控制結構整定方面，更多的注重其抵抗干擾特點。依據(jù)典型Ⅱ型結構構建電壓PI調節(jié)器，通過圖4能夠計算出傳遞函數(shù)為：

由此，得電壓環(huán)中寬頻hv，為

通過典型Ⅱ型控制結構指標整定計算出

對電壓控制結構的抵抗干擾和跟隨特點進行全面的分析后，得出hV=5，因此

通過聯(lián)合公式（1）（3）（8）能夠得到電流內環(huán)并電壓外環(huán)的雙PI調節(jié)指數(shù)。

2.2 解耦控制策略

此種控制結構不僅輸入電壓ud、uq能夠直接控制 d-q軸的輸出電流 id、iq，而且受耦合電壓Lωiq、-Lωid和逆變后的輸出電壓 usd、usq同樣會對id、iq進行作用，這樣就使其對系統(tǒng)的可靠性造成干擾。所以本文利用前饋解耦控制，此外增添電網電壓前饋的方式用以抵消電網電壓畸變對調節(jié)穩(wěn)定性造成的不利后果，從而得到 usd、usq在 d-q 坐標系下的控制方程

將式（9）代入式（10），可得：

上式中，KiP、KiI為電流內環(huán)PI控制結構的比例、積分參數(shù)，i*d、i*q分別為有功和無功電流參考值。

其中，

解耦控制結構所搭建數(shù)學模型如公式（11）所示，從以上方程式能夠清楚的知道，此結構完成了對d-q 軸電流的解耦。由瞬時無功功率原理可知，作用d-q軸的參考電流值i*d、i*q能夠完成單獨完成對有功、無功功率的調節(jié)。所以憑借公式（11）可以構建出解耦系統(tǒng)的控制框圖[6]，如圖5 所示。

3 仿真實驗

根據(jù)地鐵輔助逆變電源的特性、控制方法和機車輔助電源的各項技術指標，在MATLAB/ Simulink模塊下構建額定輸入電壓1500V，逆變電源輸出按單位功率因素調節(jié)的靜止輔助逆變電源模型，仿真主電路如圖6[7-8]。

基于額定輸入電壓1500V，同時每相都為阻性的工況條件，輸出端線電壓的基波幅值為379.5V，電壓波動低，如圖7所示。輸出電流如圖8所示。THD為2.79%，低于5%，如圖9所示。輸出有功，無功電流如圖10-11，可分別實現(xiàn)調節(jié)。輸出功率如圖12所示，輸出容量為190kW，無功基本為零，符合輔助電源要求。功率因素如圖13所示，0.98以上，達到設計要求[9-10]。

4 結論

從仿真結果來看，輔助電壓逆變系統(tǒng)的參數(shù)設計以及引入的雙環(huán)控制策略還是正確及很有效的，系統(tǒng)可以穩(wěn)定的運行。輸出380V/50HZ的三相交流電壓、電流對稱性、正弦性都較理想，電流諧波含量滿足要求；并且輸出的無功、有功電流與功率可以分別調節(jié)，可以滿足不同負載的需求，此方案在理論上是可行的，具有一定的實際應用價值。

圖5 解耦控制框圖Fig. 5 Decoupling control block diagram

圖6 靜止輔助電源仿真電路圖Fig. 6 Auxiliary inverter circuit simulation main circuit

圖7 額定負載工況電壓Fig. 7 Voltage waveforms at rated load

圖8 額定負載工況電流Fig. 8 Current waveform at rated load

圖9 額定負載諧波分析圖Fig. 9 Harmonic analysis at rated load

圖10 額定負載輸出有功電流Fig. 10 Active current waveform at rated load

圖11 額定負載輸出無功電流Fig. 11 Reactive current waveform at rated load

圖12 額定負載輸出功率Fig. 12 Output power at rated load

圖13 額定負載輸出功率因素Fig. 13 Output power factor at rated load

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Research of Subway Auxiliary Power

LUO Shi-wei, LONG Yong-hong, LI Jun-jun
(School of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou Hunan 412007, China)

Auxiliary inverter system was important component, which operation reliability had a great impact on the whole stable and reliable vehicle system. In this paper, a comparative analysis of the topology of the metro auxiliary inverter system was carried out, and the two level metro auxiliary inverter was studied, This system was applied a double closed-loop control strategy, which guarantee the stability of the AC output side voltage and meet the needs of different loads. On this basis, the MATLAB simulation model was built, and the simulation results show that the auxiliary inverter output meets performance demands， and the feasibility of the scheme is verified.

Metro Auxiliary Power Supply；Two level inverter；SVPWM

10.3969/j.issn.2095-6649.2016.02.008

LUO Shi-wei, LONG Yong-hong, LI Jun-jun. Research of Subway Auxiliary Power[J]. The Journal of New Industrialization， 2016， 6（2）: 46-52.

羅仕維（1990-），男，碩士研究生，研究方向為電力電子；龍永紅（1968-），男，碩士生導師，湖南工業(yè)大學電氣與信息工程

學院副院長，從事汽車、機車、控制理論與應用研究；李軍軍（1980-），男，碩士生導師，研究方向為電力系統(tǒng)自動化

本文引用格式：羅仕維，龍永紅，李軍軍. 地鐵輔助逆變電源的研究［J］. 新型工業(yè)化，2016，6（2）：46-52.