CRH2型动车组牵引整流器的研究

摘要： CRH2型动车组整流部分采用三电平PWM型拓扑结构，本文分析了该结构的工作原理和控制策略，并针对中点电位不平衡问题提出具有一定可行性的解决方案。最后，通过Simulink仿真验证了分析的正确性。

关键字：三电平 动车组 中点电位 仿真

0前言

随着技术的日臻完善，高速动车组技术也越来越完备的被我国掌握。“和谐号”系列动车组在我国铁路运输在中国的交通运输蓝图上扮演着关键重要的角色。作为动车组国产化进程中的关键技术之一，牵引整流部分一直倍受关注。和谐号CRH1、CRH3和CRH5均采用两电平PWM整流技术，而和谐号CRH2则采用基于三电平的PWM整流结构以实现能量的双向流动和前级的功率因数校正，保证电网侧具有很好的电能质量。和一般的两电平整流器比较，该结构具有容量大、输出电压和电流的谐波小、谐波失真THD低等优点，同时，还能保证在开关频率很低的时，输入侧电流依然具有较好的正弦度。

1单相三电平整流器拓扑结构

单相三电平整流器拓扑结果如图1所示。主电路由两组桥臂共8个IGBT构成，并在每一个桥臂中有2个箝位二极管用来防止电容C1和C2因开关操作而引起直通。图中电感Ls用来传递能量和平衡输出电压，电阻Rs为网侧漏电阻，其值比较小可忽略不计，直流电容C1和C2为两个支撑电容用来稳定输出直流电压，RL为直流负载。

当机车处于牵引工况时，通过主变压器副边绕组的电压为AC1500V/50Hz，通过控制电路的的调节输出直流侧的电压范围为DC2500―3000V（根据不同的负载情况而定）；当机车出再生制动工况时，控制电路在交流侧输出电压、电流相位相反的AC1500/50Hz的交流电，此时，直流侧中间支撑电容的电压为DC3000V，由后级逆变控制器提供。

2电路工作原理

根据前文分析，为更加直观反映电路工作特点，将以上三电平四象限整流器用下图开关等效电路代替。其中， Sa和Sb为理想开关。

式子（2-1）中1，0，-1分别对应表2-1中的状态P，O，N。比如Sx=1表示开关状态为P，即电路中某一相上桥臂的开关全部导通。包括以下九种工作状态，这里不予详述。电路任意时刻只能工作于表1中的某一种状态，工作过程符合boost升压斩波电路原理。

单相三电平整流器交流侧等效电路如图3所示：

式中Us为二次侧牵引绕组电压相量，is为二次侧牵引绕组的电流基波分量，Un为桥臂交流侧PWM波Uab的基波分量，Uab是控制电路所得到的控制电压与三角载波比较得到的PWM脉冲。故由上式可知在电网电压一定的前提下，其电流的基波分量is的幅值和相位只由输入端的电压Uab的幅值和其与电网电压的相位差决定，因此只需改变Uab的幅值和相位便可得到Us与is的相位差为任意角度，故此变流器可工作在四象限状态下。

3 控制策略

对于交流传动电力机车上所用的单相三电平四象限整流器而言，其控制一般采用瞬时电流控制方案。在各种控制方案中，根据整流器交流侧和直流侧功率平衡原理，通过PI电压调节器来保持直流母线电容电压的稳定。同时为了改善调节器的动态响应性能，通过中间电流来计算交流侧电流的给定值。

由式(1)可知，假定变压器二次侧电压Us和电感Ls已知的话，故只通过控制Un的相位和幅值来控制is的相位和幅值。因此利用此原理可得出瞬态电流控制的基本思路，其控制方程如下：

图4中瞬态电流控制原理为，中间直流环节电压的给定值Uref与电路中直流电压的反馈值Udc进行比较，当Uref=Udc时，此时其误差为0，这时PI电压调节器的输出为恒定值，这就意味着三电平整流器的交流侧和直流侧的功率相等，当Uref>Udc时，其差值>0，那么此时电压调节器所输出的i*s将增加，三电平整流器输入电流将增加，那么将输出更大的功率，所以PI调节器的输出i*s反映了所要求的功率的变化。

4 中点电位平衡问题的解决方法

对于单相三电平整流器而言，中点电位平衡是一个必须面对的问题。如果不对中点电位进行控制，那么其输入电流的谐波含量将显著增加。对中点电位的控制可分为硬件控制和软件控制两种方法，出于硬件成本的考虑，本文采用软件控制的方法来对中点电位进行控制。

此软件控制方法通过电压滞环比较得出上下电容电压之差，即中点电位偏差，然后根据采样的中点电流来判断此时的PWM脉冲对中点电位的影响，然后根据规则重新分配PWM脉冲组合来改善中点电位的不平衡。

设直流侧上下两层电容电压差为u，u= uC1- uC2，设i0为中点电流，取流入直流侧的电流方向为正。则当u与i0同向时，此时PWM组合有利于中点电位平衡，可以保持脉冲不变。反之，当u与i0反向时，则此时脉冲对中点电压平衡产生不利影响，需要重新分配，重新分配的脉冲表如下表2所示：

5仿真参数与波形

综合前文所述，建立系统仿真拓扑。仿真参数为：交流侧电压为1500V，交流侧电感1mH，电阻0.1Ω，直流侧上下层电容均为4mF，负载电阻为10Ω，开关频率选择1800Hz。

图6中输出电压维持在2500左右，电压波动范围在50V以内，波动范围正常。图7为输出端电感L前的电压波形，从图中可以看出电压呈阶梯状变化。

参考文献:

[1]蔡政英,邹云屏.一款单相三电平整流电源研究[J].兵工学报,2007,28(4):499-502.

[2]许,邹云屏,刘雄,王成智.单相三电平PWM整流器双环控制系统的研究[J].电力电子技术,2008,42(9):1-3.

[3]宋文胜,冯晓云,蒋威.一种单相三电平中点箝位整流器SVPWM控制方法[J].电工技术学报,2007,22(7):69-73.

[4]Zou ding-kai,Cai Yun-ping, Zheng-ying,et al.A novel single phase asymmetric 5-level inverter[J].Proceeding of the CSEE 2004,24(11):116-120