基于MATLAB的地鐵牽引三電平逆變器仿真

高杰 徐斌

摘 要：目的：定性的分析三電平逆變器在地鐵牽引供電系統(tǒng)中的應(yīng)用。方法：分析了逆變器在地鐵牽引系統(tǒng)中的作用，介紹了基于SVPWM算法的二極管中點(diǎn)嵌位式三電平逆變器的工作原理及相對(duì)應(yīng)的算法，并使用MATLAB2017a/Simulink對(duì)三電平逆變器進(jìn)行仿真。結(jié)果：逆變器三相輸出電壓為標(biāo)準(zhǔn)三相電壓，負(fù)載電壓可趨向于標(biāo)準(zhǔn)三相電，通過低通濾波可使輸出相電壓趨向于平滑。結(jié)論：基于SVPWM算法的二極管中點(diǎn)嵌位式三電平逆變器具有一定的可靠性，能夠較好地滿足電力牽引工程需要。

關(guān)鍵詞：三電平逆變器；牽引供電系統(tǒng)；SVPWM算法；Simulink

中圖分類號(hào)：TM922.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）13-0018-02

Abstract： Objective： to qualitatively analyze the application of three-level inverter in metro traction power supply system. Methods： the function of inverter in metro traction system is analyzed. The principle and algorithm of diode neutral spot embedded three-level inverter based on SVPWM algorithm are introduced. The three-level inverter is simulated by MATLAB2017a/Simulink. Results： the output voltage of inverter is standard three-phase voltage， the load voltage can tend to standard three-phase voltage， and the output phase voltage can be smoothed by low-pass filter. Conclusion： the three-level inverter based on SVPWM algorithm has certain reliability and can meet the needs of electric traction engineering.

Keywords： three-level inverter； traction power supply system； SVPWM algorithm； Simulink

1 概述

地鐵作為一種安全綠色的城市軌道交通方式，不僅解決了大中型城市交通擁堵問題，而且為人們出行帶來了極大便利。伴隨著全國(guó)各大城市對(duì)地鐵需求的不斷增加，其可靠性、安全性要求也越來越高。地鐵牽引供電系統(tǒng)，作為向城軌車輛提供牽引電能的關(guān)鍵組成部分，其安全可靠性直接關(guān)系到整個(gè)地鐵電力機(jī)車的穩(wěn)定運(yùn)行[1]。電力牽引供電系統(tǒng)是指從電力系統(tǒng)或一次供電系統(tǒng)接受電能，通過變壓、變相或換流后，向電力機(jī)車負(fù)載提供所需電流制式的電能，并完成牽引電能傳輸、配電等全部功能的完整系統(tǒng)。牽引供電系統(tǒng)的性能直接影響列車牽引功率的發(fā)揮和牽引傳動(dòng)控制系統(tǒng)的性能[2]。

逆變器是一種電能轉(zhuǎn)換和優(yōu)化的電氣裝置，現(xiàn)已被廣泛地應(yīng)用于家電、汽車、交通等直流供電系統(tǒng)中。然而，隨著高壓大功率電力電子裝置的發(fā)展，逆變器從最初的兩電平向三電平以上的多電平持續(xù)發(fā)展.三電平逆變器是多電平逆變器中結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單、使用最廣泛的一種電路，相對(duì)于傳統(tǒng)的兩電平逆變器，三電平逆變器主要優(yōu)點(diǎn)在于：開關(guān)管承受電壓小，僅為直流母線電壓的一半；逆變器輸出端電流諧波含量低；器件具有很強(qiáng)的正向阻斷電壓能力；系統(tǒng)損耗小、轉(zhuǎn)換效率高等[3]。牽引變流器是列車關(guān)鍵部件之一，安裝在列車動(dòng)車底部，其主要功能是轉(zhuǎn)換直流制和交流制間的電能量，把來自接觸網(wǎng)上的1500V直流電轉(zhuǎn)換為0～1150V的三相交流電，通過調(diào)壓調(diào)頻控制實(shí)現(xiàn)對(duì)交流牽引電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、制動(dòng)、調(diào)速控制。本文使用MATLAB2017a/Simulink對(duì)三電平逆變器進(jìn)行仿真，以定性的分析三電平逆變器在地鐵牽引供電系統(tǒng)中的應(yīng)用。

2 三電平逆變器工作原理及算法設(shè)計(jì)

2.1 原理

三電平逆變器主電路現(xiàn)在采用的是比較實(shí)用的二極管中點(diǎn)嵌位電路，通過一對(duì)中點(diǎn)箱位二極管分別與上下橋臂串聯(lián)的二極管相。所謂三電平是指逆變器交流側(cè)每相輸出電壓相對(duì)于直流側(cè)有三種取值，正端電壓（+Vdc/2）、負(fù)端電壓（-Vdc/2）、中點(diǎn)零電壓（0）。二極管箱位型三電平逆變器主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。逆變器每一相需要4個(gè)IGBT開關(guān)管、4個(gè)續(xù)流二極管、2個(gè)箱位二極管；整個(gè)三相逆變器直流側(cè)由兩個(gè)電容C1、C2串聯(lián)起來來支撐并均衡直流側(cè)電壓，C1=C2。通過一定的開關(guān)邏輯控制，交流側(cè)產(chǎn)生三種電平的相電壓，在輸出端合成正弦波[4-6]。

以A相為例，A相輸出與相關(guān)開關(guān)狀態(tài)關(guān)系如表1所示。值得注意的是，逆變器A相輸出可在狀態(tài)間變化，正電平狀態(tài)和負(fù)電平狀態(tài)需經(jīng)零電平狀態(tài)過渡。

2.2 SVPWM算法

SVPWM是近年發(fā)展的一種比較新穎的控制方法，是由三相功率逆變器的六個(gè)功率開關(guān)元件組成的特定開關(guān)模式產(chǎn)生的脈寬調(diào)制波，能夠使輸出電流波形盡可能接近于理想的正弦波形?？臻g電壓矢量PWM與傳統(tǒng)的正弦PWM不同，它是從三相輸出電壓的整體效果出發(fā)，著眼于如何使電機(jī)獲得理想圓形磁鏈軌跡。SVPWM技術(shù)與SPWM相比較，繞組電流波形的諧波成分小，使得電機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)降低，旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)更逼近圓形，而且使直流母線電壓的利用率有了很大提高，且更易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化[7-8]。

3 基于MATLAB的三電平逆變器仿真

本文使用MATLAB2017a/Simulink對(duì)三電平逆變器進(jìn)行仿真，為符合實(shí)際要求，本文選用母線電壓輸入為DCV1500V，各元器件選取參量一致，對(duì)三電平SVPWM控制方法下研究系統(tǒng)的50Hz頻率輸出、輸出電壓以及不同負(fù)載輸出電流進(jìn)行仿真研究，仿真結(jié)果見圖3所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

如圖3所示，逆變器母線電壓選取DCV1500V和DCV1000V時(shí)，逆變器三相輸出電壓為標(biāo)準(zhǔn)三相電壓，負(fù)載電壓可趨向與標(biāo)準(zhǔn)三相電，各段輸出電壓具有一定“毛刺”，造成這種結(jié)果的原因可能是負(fù)載組選取參數(shù)的原因，當(dāng)負(fù)載電感參數(shù)提高時(shí)，負(fù)載端電壓“毛刺”較為凸顯。為模擬電力供電系統(tǒng)供牽拉電組發(fā)生階躍式故障，如短路、短路、對(duì)地漏電等，本文將母線電壓發(fā)生間越跳轉(zhuǎn)，即從DC1500V直接跳轉(zhuǎn)到DC1000V，再?gòu)腄C1000V跳轉(zhuǎn)到DC1500V，輸出三相電壓也會(huì)發(fā)生階躍式變化，有電壓脈沖現(xiàn)象產(chǎn)生。當(dāng)對(duì)輸出電壓進(jìn)行低通濾波時(shí)，可有效的規(guī)避階躍式故障、帶來的電壓脈沖現(xiàn)象，此時(shí)，輸出電壓趨向于平滑。本文主要通過分析二極管箝位型三電平逆變器的組成及控制原理，以及SVPWM控制方法，并使用MATLAB/Simulink對(duì)由SVPWM方法為控制核心的二極管箝位型三電平逆變器各性能進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示三電平逆變器的輸出電壓經(jīng)濾波后波形近似于正弦波，SVPWM算法可有效地使用于三電平逆變器中，該方法的正確性和可行性，能夠較好地滿足工程需要。

參考文獻(xiàn)：

[1]黎云富.地鐵直流牽引網(wǎng)故障測(cè)距[D].西南交通大學(xué)，2016.

[2]劉敏軍，宋平崗，許期英.軌道交通車輛電力牽引控制系統(tǒng)[M].清華大學(xué)出版社，2014，07.

[3]周鑫，張華偉，徐路釗，等.三電平逆變器簡(jiǎn)化SVPWM算法仿真與實(shí)現(xiàn)[J].鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2015，5/6（30）：117-120.

[4]柳明.單相三電平H橋多模塊級(jí)聯(lián)變換器的SVPWM算法研究[D].西南交通大學(xué)，2017.

[5]方輝.三相逆變（整流）器調(diào)制與模型預(yù)測(cè)控制算法研究[D].西南交通大學(xué)，2016.

[6]張志剛，黃守道，胡存剛，等.三電平SHEPWM與SVPWM混合控制策略及其矢量平滑切換方法的研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，30（14）：342-349.

[7]方輝，吳瑕杰，宋文勝，等.過調(diào)制區(qū)內(nèi)三電平SVPWM與CBPWM算法的統(tǒng)一性研究[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2015，35（08）：1993-2001.

[8]宋文勝，馮曉云.一種單相三電平SVPWM調(diào)制與載波SPWM內(nèi)在聯(lián)系[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2012，27（06）：131-138.