電力電子變壓器集成變流器系統(tǒng)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(tǒng)應(yīng)用于軌道交通車輛，其輸入直接連接牽引網(wǎng)，輸出連接牽引電機(jī)和輔助供電負(fù)載，能量雙向流動(dòng)，單位功率因數(shù)運(yùn)行。該文首先分析單相單級PWM整流控制策略，給出在旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的PI控制器參數(shù)設(shè)計(jì)方法，并將該單級整流控制策略應(yīng)用于52級級聯(lián)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(dòng)瞬態(tài)過程；最后分析三相級聯(lián)DC/AC輸出電壓THD特性。結(jié)果表明，該系統(tǒng)輸入電流總諧波畸變率（THD）低于1%，功率因數(shù)大于0.99，輸出電壓THD低于3.50%。

關(guān)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(xiàn)標(biāo)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(fā)展著重考慮速度、效益、節(jié)能環(huán)保和經(jīng)濟(jì)性等技術(shù)指標(biāo)的綜合提升，更高速度與智能化是我國高鐵未來發(fā)展的2大主要方向。牽引傳動(dòng)技術(shù)是鐵路機(jī)車車輛核心技術(shù)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(fù)興號動(dòng)車組牽引變壓器達(dá)到6.4 t[1]。鐵路機(jī)車車輛急需采用新技術(shù)促進(jìn)牽引傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)牽引系統(tǒng)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(shù)及高頻變壓器實(shí)現(xiàn)的具有但不限于傳統(tǒng)工頻交流變壓器功能的新型電力電子設(shè)備[2-3]。與常規(guī)的牽引變壓器相比，通過應(yīng)用電力電子技術(shù)將工頻交流電變?yōu)橹蓄l（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(yīng)用于中、高壓大功率的場合，可以替代傳統(tǒng)的工頻變壓器。電力電子變壓器應(yīng)用目前主要集中在電力機(jī)車牽引用的車載變流器系統(tǒng)、智能電網(wǎng)/能源互聯(lián)網(wǎng)和分布式可再生能源發(fā)電并網(wǎng)系統(tǒng)[4-6]。

本文以一種應(yīng)用于軌道交通車輛的電子電力變壓器集成變流器系統(tǒng)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(zhuǎn)坐標(biāo)系下的PI控制器參數(shù)設(shè)計(jì)方法方法，并將該單級整流控制策略應(yīng)用于52級級聯(lián)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(dòng)瞬態(tài)過程；最后分析了三相級聯(lián)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(tǒng)分析

電力電子變壓器集成變流器系統(tǒng)如圖1所示，包含52個(gè)相同的基本功率子單元。該一體化變流器系統(tǒng)可獨(dú)立驅(qū)動(dòng)4臺牽引電機(jī)，同時(shí)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(tǒng)基本功率子單元如圖2所示，該功率子單元包含啟動(dòng)限流單元和直流母線過電壓防護(hù)單元。中間級DC/DC變換器實(shí)現(xiàn)牽引網(wǎng)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(tǒng)控制策略仿真

2.1" 前級級聯(lián)整流仿真

本節(jié)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(yīng)用于52級級聯(lián)單相AC/DC變換器。單相單級整流器dq電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)結(jié)構(gòu)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(huán)控制帶寬可設(shè)置為3 kHz，阻尼系數(shù)0.7，則電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)Kpc=0.002 73，Tic=0.000 47。假定電壓環(huán)控制帶寬為100 Hz，阻尼系數(shù)為0.7，整流器直流電容C=1.5 mF，負(fù)載等效電阻10 Ω（63.25 kW），則電流環(huán)PI調(diào)節(jié)器參數(shù)Kpv=0.258 8，Tiv=0.007 3。

單相PWM整流器旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系PI控制仿真結(jié)果如圖5所示，其中開關(guān)頻率10 kHz，網(wǎng)壓480 V，直流電壓800±85 V，功率63.25 kW。此時(shí)網(wǎng)流總諧波畸變率（THD）為3.35%，輸入功率因數(shù)0.99。

單相52級級聯(lián)PWM整流器仿真結(jié)果如圖6所示，網(wǎng)壓25 kV，直流電壓41.60±4.25 kV，功率3.25 MW。此時(shí)網(wǎng)流總諧波畸變率（THD）為0.22%，輸入功率因數(shù)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(shí)現(xiàn)開通軟開關(guān)（ZVS），工作于高開關(guān)頻率（150 kHz），從而降低諧振單元體積重量。本設(shè)計(jì)CLLC諧振變換器開關(guān)頻率固定于諧振頻率，通過調(diào)節(jié)前級AC/DC變換器的輸出電壓適應(yīng)后級DC/AC逆變器的需求。

為降低額定負(fù)載下啟動(dòng)瞬態(tài)過電流，CLLC諧振變換器在啟動(dòng)時(shí)開關(guān)頻率設(shè)置為300 kHz，在50 ms內(nèi)線性降低至額定開關(guān)頻率150 kHz。啟動(dòng)瞬態(tài)過程中輸出電壓仿真結(jié)果如圖7（a）所示，諧振單元內(nèi)部諧振電流仿真結(jié)果如圖7（b）所示，在啟動(dòng)過程輸出電壓和內(nèi)部諧振電流無過沖。

2.3" 后級三相級聯(lián)逆變仿真

集成變流器系統(tǒng)共有48個(gè)功率單元用于驅(qū)動(dòng)4臺電機(jī)，每臺電機(jī)可利用12個(gè)逆變單元，每相使用4個(gè)逆變單元組成4級級聯(lián)逆變。逆變單元輸出配置濾波電容器，與逆變單元內(nèi)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(diào)制方式，如圖8所示，開關(guān)頻率15 kHz。三相級聯(lián)逆變輸出電壓仿真結(jié)果如圖9所示。此時(shí)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(guān)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(jié)論

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

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基金項(xiàng)目：山東省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃（重大科技創(chuàng)新工程）（2020CXGC010202）

*通信作者：曲建真（1990-），男，博士，工程師。研究方向?yàn)榇鸥恳╇娂夹g(shù)。