高速動車組輔助變流器并聯運行的脈寬調制技術

馬穎濤，宋術全，李 紅

（中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所，北京100081）

高速動車組技術是多項復雜技術的總成，輔助電源系統是其中的重要組成部分［1］。它作為一個三相交流供電系統，為眾多的車載設備供電，因此輔助電源的穩定可靠運行是列車牽引控制系統穩定工作的前提，同時輔助電源也直接關系到列車的乘坐舒適度。因此輔助電源系統是高速動車組技術的重要組成部分。

而脈寬調制技術（Pulse Width Modulation，PWM）是變流器控制中最底層，最基礎的部分［2-3］。其作用就是將電壓給定值，通過特定的算法計算開關管的開關時刻，準確地控制變流器主電路的開關管，從而將給定電壓值進行實現。調制方法種類繁多，不同的脈沖生成算法的原理不同，調制出的方波電壓的諧波分布也不同。因此調制方法對于變流器IGBT、電抗器、變壓器的發熱也有著非常直接的影響。

調制方法與變流器閉環控制相對獨立。相同的閉環控制算法可以采用多種調制方法。動車組輔助電源系統是一個多輔助變流器（Auxiliary Converter Unit，ACU）并聯運行的結構，各變流器并聯運行需要非常復雜的控制才能實現無互聯線的自然均流［4-6］。但是調制方法是產生開關管開關脈沖的環節，因此性能較差的調制方法可能會導致變流器之間有著巨大的諧波環流，這些諧波環流可能通過AD采樣又進入變流器的閉環控制，因此調制方法對于變流器的并聯運行有著至關重要的意義。

高速動車組輔助電源系統的功率等級比較大，為十萬千瓦級。大功率變流器的開關頻率受制于器件和散熱，一般選取的比較低。而變流器輸出正弦濾波器受制于體積和質量的限制，其截止頻率不能設計的太低。因此逆變器輸出濾波電感的紋波電流較大，輸出電壓的諧波含量比較可觀。這就對調制方法提出了更高的要求。

為了保證變流器輸出電壓質量，針對動車組輔助變流器獨特的應用需求，通過設計性能優良的調制方法，有效的降低了三相交流輸出電壓的諧波含量。

針對該不利因素，為了保證變流器輸出三相交流電壓的電源質量，本文提出了一種新改進的調制方法。有效的降低了變流器輸出交流電壓諧波含量。成功的應用在國產化輔助變流器中，與現有輔助變流器的并聯中，實現了很低的諧波環流水平。

1 輔助變流器的結構

輔助變流器的主電路結構如圖1所示。它的功能是將輸出直流母線電壓，逆變成為三相正弦交流電。它包括3部分，直流母線支撐電容、6個IGBT構成的三相橋、正弦波濾波器。其中正弦波濾波器中包含了濾波電感、濾波電容和一個隔離變壓器。

三相橋輸出的方波線電壓經正弦波濾波器濾波后得到的正弦交流電壓。

圖1 ACU的電路結構示意圖

2 輔助變流器的脈寬調制方法

2.1 載波比

受變流器發熱設計的限制，開關頻率較低，PWM波的生成方式對電壓諧波的分布有很大影響：（1）三角載波與正弦調制波的相位關系（三角波的起點與調制波的過零點的位置關系，會導致偶次諧波的明顯變化。這在開關頻率較高的場合下不明顯）；（2）調制若為異步調制，載波比會不恒定（開關頻率恒定，基波周期不恒定），會導致產生三相電壓的不對稱和偶次諧波。通常三相系統為保證三相之間的對稱性，取載波比為3的整倍數。為了抑制偶次諧波，載波比為奇數。

2.2 調制波的諧波注入

為了提高逆變器的直流電壓利用率，為調制波注入1／6基波幅值的三次諧波，如圖2所示。這樣就可以有效的削弱調制波的峰值。由于三次諧波為零序量，所以它并不會體現在負載線電壓上。

圖2 正弦調制波中注入三次諧波示意圖

2.3 采樣方法

三相正弦調制波與連續增減的三角載波進行比較產生6路開關波形。對于數字控制器而言，通常采用規則采樣方法。其原理就是用三角波每個周期對正弦波進行采樣得到方波。方波與三角波載波進行比較，交點時刻即對應開關管的通斷，從而實現了脈寬調制。采樣時刻可以選取三角載波的零點或者頂點，或者在零點和頂點都進行采樣。當正弦調制波在一個開關周期采樣一次（如三角載波的零點），那么脈沖該開關周期內是相對三角波的中線對稱的，那么該方法稱之為規則采樣，如圖3所示。若在三角波的頂點和零點都進行采樣，那么在一個開關周期內脈沖通常不是沿三角波中線對稱的，因此這種方法稱之為非對稱規則采樣。

對兩種采樣方法進行仿真，在開關頻率1kHz，主電路參數一致，即可以對兩種采樣方法的性能進行比較。如圖4所示，Vab為三相橋輸出的方波線電壓，Uab為正弦濾波器濾波后的交流線電壓。從仿真結果圖4（a）和圖4（c）可以看出，非對稱規則采樣下，線電壓Vab的偶次諧波含量明顯小于對稱規則采樣。由圖4（b）和圖4（d）可以看出，非對稱規則采樣時，正弦電壓中的偶次諧波含量明顯低于對稱規則采樣。非對稱規則采樣下正弦電壓總諧波畸變率（Total Harmonics Distortion，THD）約為0.77%，對稱規則采樣時的THD為1.41%。非對稱規則采樣的性能明顯優于對稱規則采樣。

圖3 采樣方法示意圖

可以看出，在不提高開關頻率的前提下，只需要將調制方法由通常的對稱規則采樣改為非對稱規則采樣，就可以很顯著的降低變流器輸出交流電壓的諧波含量。

綜上所述，本文采用的調制方式為注入1／6基波幅值三次諧波的非對稱規則采樣的SPWM。

3 試驗驗證

3.1 單機試驗

在國產化機組上，試驗該調制方法。在開環的測試中，獲得一組試驗波形。

圖5中，CH1為輔助變流器三相橋的輸出線電壓Uab，CH2為Ia相橋臂輸出電流，Math通道為PWM1減去PWM3，為三相橋輸出線電壓Uab的指令值。可以看出，Math通道與直接測量的線電壓波形一致。對線電壓進行FFT分析，結果如圖6所示。其偶次諧波含量很低，低次諧波含量很低。其他諧波主要集中在開關頻率整數倍附近。試驗結果與仿真結果一致。

3.2 并聯試驗

當逆變器輸出并聯之后，就會因為各臺逆變器輸出電壓中的諧波成分導致逆變器之間出現較大的諧波環流。該諧波環流不僅占用了逆變器的容量，增大損耗和發熱，而且列車上的逆變器之間距離較遠，若交流母線上流過大量的諧波電流，會大大惡化動車組上的電磁環境。通過對逆變器的調制方法和控制算法上進行集成設計，固定逆變器輸出電壓的諧波幅值分布和相位分布，從而抑制逆變器之間的諧波環流。

圖4 兩種采樣方法的電壓波形及FFT分析

圖5 國產化控制器在輔助變流器中試驗波形

采用“注入1／6 3次諧波的不對稱規則采樣的PWM”的國產ACU與既有ACU進行并聯，分別得到空載和64kW負載工況的波形，如圖7所示。

圖7中通道CH3和CH4分別為國產和原型車的輔助變流器輸出ab線電壓，由于其并聯在一起，因此波形重合。CH5和CH6分別為國產和原型車ACU的a相輸出電流。

圖7（a）為空載并聯。由ACU輸出電流接近于0可以看出其空載環流非常小。圖7（b）為兩機并聯帶64 kW負載。Math1通道為CH5與CH6之差，兩個電流之差有效值為9.4A。可以看出，其諧波環流非常小，兩臺機組輸出電流波形基本一致。因此，變流器并聯的諧波環流得到了很好的抑制。

圖6 國產輔助變流器輸出線電壓波形FFT分析

圖7 國產ACU采用新調制方法與原型車ACU并聯

5 結束語

通過對既有輔助變流器的脈沖波形和方波線電壓波形的分析，本文設計了“注入1／6三次諧波的不對稱規則采樣的PWM”的方法。通過仿真驗證，單機試驗，在國產化控制器中實現了該調制方法。通過對其脈沖波形的分析，其諧波分布和波形特征與既有輔助變流器的脈沖特征一致。國產化輔助變流器和既有機組并聯，采用了新的調制方法，試驗結果驗證了其能夠實現很低的諧波環流。

因此，新方法符合國產化控制器的需求，既能夠實現較低的輸出電壓諧波含量，消除偶次諧波，也能夠在并聯運行中，實現很低的諧波環流，具有較好的均流特性。

［1］張文斌，宮衛南.淺析動車組的輔助供電系統［J］.鐵道機車車輛.2011，31（2）：21-23.

［2］李永東.脈寬調制（PWM）技術——回顧、現狀、及展望［J］.電氣傳動，1996，26（3）：2-12.

［3］劉志剛，葉 斌，梁 暉.電力電子學［M］.北京：北京交通大學出版社，2004.

［4］U.Borup，F.Blaabjerg，P.N.Enjeti.Sharing of nonlinear load in parallel-connected three-phase converters［J］.IEEE Trans.Ind.Applicat.，Nov／Dec.2001，37（6）：1 817-1 823.

［5］Guerrero J M，Vicuna L G，Matas J，et al.A wireless controller to enhance dynamic performance of parallel inverters in distributed generation systems［J］.IEEE Transactions Electronics，2004，19（5）：1 205-1 213.

［6］W.Yao，M.Chen，J.Matas，J.M.Guerrero，Z.M.Qian，Design and Analysis of the Droop Control Method for Parallel Inverters Considering the Impact of the Complex Impedance on the Power Sharing［J］.IEEE Trans.Ind.Electron.，Feb.2010，58（99）：576-588.