二電平和三電平網側變流器控制及諧波比較*

宋術全

（1 中國鐵道科學研究院集團有限公司 機車車輛研究所，北京100081；2 北京縱橫機電科技有限公司，北京100094）

在我國鐵路牽引領域二電平變流器和三電平變流器均有采用［1］，二電平變流器在機車和動車組上均有應用，而三電平變流器則主要應用于動車組上。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動車組網側變流器為三電平，而逆變器仍為二電平，就變流器的構成而言，相比于二電平變流器，三電平變流器主電路的結構自然比較復雜，但是也具備一定的優(yōu)點［2-3］：首先，單個開關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，因此相同的開關器件可以應用于更高電壓、更大容量變流器；其次，三電平變流器的單個橋臂有4個開關器件，通過不同器件的導通和關斷可以獲得4種開關狀態(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。

將基于坐標旋轉變換的空間矢量解耦控制算法用于網側變流器的控制，該控制方法在控制原理上可適用于二電平和三電平網側變流器，兩者之間的主要區(qū)別在于脈寬調制環(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側變流器分別進行仿真計算，對兩者的諧波情況進行了比較，指出兩者的區(qū)別以及不同的應用范圍。

1 網側變流器及控制

二電平網側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繞組漏感和電阻；us為網側變流器的輸入電壓；Cd為變流器中間直流環(huán)節(jié)支撐電容。三電平網側變流器主回路原理圖如圖2所示，與圖1中二電平網側變流器的主要區(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側變流器，如果在交流輸入側只考慮調制波電壓us的基波矢量S1，那么兩者交流側主電路均可以等效的電路圖如圖3所示。

圖1 二電平網側變流器主回路原理圖

圖2 三電平網側變流器主回路原理圖

圖3 交流電源側等效電路圖

為了方便對網側變流器進行分析，采用基于坐標旋轉變換的矢量思想進行模型建立［6-8］。

通常單相系統(tǒng)網壓表示為式（1）：

式中：Up為網壓幅值；ω為電壓角頻率；?u為網壓初始相角。

通過構造網壓的正交分量，可將式（1）表示為旋轉坐標系α-β下的矢量為式（2）：

同理可以得到網流在旋轉坐標系α-β下的矢量為式（3）：

式中：Ip為網流幅值；ω為電流角頻率；?i為網流初始相角。

針對圖3網側變流器的電源側等效電路，根據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）：

當以網壓向量作為D-Q坐標系的參考基準時?=?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對網側電流的無功分量影響較大；而根據式（11）可見，輸入電流in的D軸分量inD主要受usQ的控制，即usQ對網側電流的有功分量影響較大。根據式（10）和式（11）得到變流器在靜止坐標系D-Q下的輸入電壓向量后，將其乘以ej(ωt+?)進行反變換，即可得到在旋轉坐標系α-β下的對應向量，其實部即為控制所需要的與三角載波進行比較即可得到開關器件動作所需的脈寬調制信號。基于坐標旋轉的網側變流器矢量控制原理如圖4所示。

圖4 基于坐標旋轉的矢量控制原理

2 脈寬調制方法比較

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

圖5 二電平脈寬調制原理

三電平變流器脈寬調制波形如圖6所示，其與二電平變流器的主要區(qū)別在于載波，由于三電平開關器件比二電平多一倍，通常采用正負半周2個載波的調制方式，因此對應調制信號的正負半周僅有1個橋臂的上半部分或下半部分動作，導致同樣器件開關頻率對應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 三電平脈寬調制原理

3 仿真結果及比較

3.1 仿真系統(tǒng)概述

為了對2種網側變流器進行比較，文中仿真時對二電平變流器采用兩相兩重方式進行仿真，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，調制方法則利用上節(jié)介紹的二電平和三電平脈寬調制原理。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)功率和器件開關頻率相同，而三電平系統(tǒng)由于只有1個繞組輸入，相當于二電平系統(tǒng)2個繞組并聯，因此其繞組漏感和內阻等效為二電平繞組相應參數的一半，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)中網側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°，此時在網側形成的等效諧波電流最??；系統(tǒng)的負載通過在中間支流環(huán)節(jié)投入電阻模擬；網側電流按單位功率因數控制；主要外部參數見表1。

表1 仿真系統(tǒng)的基本參數

3.3 仿真結果

二電平網側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側所形成的諧波與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，兩相兩重二電平網側變流器與1個三電平是等效的，二電平變流器要求開關器件有較高的耐壓，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 結論

文中將基于坐標旋轉變換的矢量解耦算法應用于二電平和三電平網側變流器，針對2種變流器采用不同的調制方式分別進行控制。通過仿真分別對二電平系統(tǒng)和三電平系統(tǒng)進行了相同技術參數下的模擬計算，仿真結果表明文中的矢量解耦控制算法可以同時應用于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、功率容量以及技術成熟度等因素決定采用二電平或三電平變流器。