摘  要 针对城市轨道交通辅助变流器的国产化问题进行深入研究。对比国内外辅助变流器的先进结构，在此基础上提出双 DC/DC 模块化串联加静止逆变器的结构，并针对这种结构研究控制方法。为验证控制方法的可行性，采取仿真手段对其进行分析，通过实验波形和实物照片，充分说明这种结构和控制方法的正确。

关键词 城市轨道交通; 辅助变流器; DC/DC; 模块化;逆变器

 

      辅助逆变器是地铁车辆上一个必不可少的电气部件，主要用于向车辆通风机、空调设备、空气压缩机等三相负载和照明及控制系统设备供电。目前，发达国家城轨交通车辆上大都采用先进的静止辅助逆变器，而国内部分城市的地铁车辆上基本采用进口的静止辅助电源。因此，开发和研制地铁车辆静止式辅助逆变电源，实现国产化，是发展我国城市轨道交通的必然趋势。

      目前，国际上常见的辅助变流器结构主要有两种。一种是采用直接逆变方式，即直接从接触网上取电逆变，这种方法结构简单，主要的部分只有逆变器和工频变压器，在 DC 1500 V 情况下，逆变器只能选择 3 300 V左右的开关管。另一种为先斩波后逆变的方式，即先通过 DC/DC，将接触网的高压直流电变换到一个合理的等级，以提供给逆变器逆变，这种方法相对于第一种方法可以省却工频变压器，但是增加的 DC/DC 模块也增加了系统的复杂性和不稳定性。综合以上两种结构，提出了模块化的解决办法，并针对此结构提出了控制方法，最后通过仿真和实验进行了验证。

 

      图 1 所示为地铁高频辅助变流器拓扑，本系统DC 1 500 V 供电，AC 380 V 输出。从拓扑图可以看出，本系统采用二级结构，第一级为高频 DC/DC 隔离变换器。这一级的作用是将 DC 1 500 V 降压至静止逆变器( static inverter，SIV) 所需的电压等级，并采用高频变压器，使输入与输出在电气上实现隔离。

      为了解决 DC 1 500 V 条件下对 IGBT 耐压的要求，还利用了模块化原理，将两个 DC/DC 模块串联进行分压。单路 DC/DC 结构如图 2 所示。

      当接触网上有列车在牵引或制动时，会造成网压波动，这个波动范围根据牵引制动能量的不同而不同，如果牵引或制动的能量很大( 同时多辆列车在牵引或制动) ，会造成网压波动很大。DC/DC 模块的另一个作用，就是将一个波动频繁且范围大的直流量，转化为一个稳定可控的直流量。

      对于如图 2 所示的全桥结构，在全波整流输出处因为寄生参数的存在会产生谐振，如果不加处理甚至会将整流二极管烧坏。因此，在此处加入了 RCD 钳位电路，如图 3 所示。

      根据电阻位置的不同，RCD 钳位电路分成 3 种电路。电路( a) 中的电阻 R_r接到电感之前，导致 C_r放电较慢，影响了其吸收效果。电路( b) 中的电阻 R_r接到电容 C₂上，因为电容 C₂同时作为逆变器的支撑电容，所以其上电压维持不变，这样就导致 C_r并不是对零电位放电，影响放电速度。电路( c) 上电阻 R_r对地放电，速度最快，吸收效果最好。因此，本设计选择电路( c)所示吸收电路。

      经过 DC/DC 的隔离和稳压之后，将输入 DC 1 500 V的电压转化成 DC 640 V 的电压，用来进行逆变。逆变器的拓扑如图 4 所示。

      图 4 所示的分裂电容式逆变器，输出通过分裂电容中点与输出滤波电容中点相连形成中性点，以提供单相电压。逆变器采用 SVPWM( PWM，空间矢量 space vector pulse width modulation) 调制策略，输出通过 LC进行滤波，以得到正弦波。

 

      通过以上分析可知，地铁高频辅助变流器分立元件多、结构复杂，因此对于控制系统的设计一定要充分考虑前后级的关系，以及整个系统的稳定性。

      图 5 为 DC/DC 模块控制框图。首先，检测输入电压，经过一个斜坡函数得到输出电压指令，再根据此电压指令对输出电压做 PI 控制，得到占空比指令。这个占空比指令是 DC/DC 全桥变换器斜对角 IGBT的导通时间。考虑到高频变压器可能产生偏磁现象，引入了偏磁控制，其作用是保证变压器输入输出的动态均流。检测所得的偏磁指令通过 PI 调节后，叠加到占空比信号上，调节 2 个斜对角 IGBT 的占空比，实现实时控制。

      逆变器的控制需要分裂电容的电压相等，如果两路 DC/DC 的输出电压不均衡，会造成功率分配不均( 因为串联结构，两路 DC/DC 电流相等) ，长时间运行很有可能造成功率大的那路器件先损坏。因此，必须引入两路 DC/DC 均压控制。

      均压控制的基本原理是: 通过增大占空比，将输入电压高的那一路能量更多地抽走; 通过减小占空比，减少输入电压低的那一路能量的流失，这样就达到了均压效果，其控制如图 6所示。首先得到输入电压差值，再通过一个 PI 调节就得到了占空比的调节值，将这个值叠加到占空比信号上即可。

      在逆变器的控制上，本设计采用了电压电流双闭环的控制策略，其基本原理是利用电流内环补偿电感压降，并提高了负载波动的动态响应。

      取三相中的一相进行建模，如图 7 所示。

      取电容电压 U_o和电感电流 I₁作为状态变量，可得系统状态方程为

      根据式( 1) ，可得逆变器的双闭环控制策略，见图 8。

      为了验证本系统的可行性，在 Simulink 下搭建了一个 70 kW 的地铁高频辅助逆变器系统，输入为 DC1 500 V，输出 AC 380 V。

      如图 9 所示，U_o为 DC/DC 输出电压，I_o为 DC/DC输出电流，启动后电压维持在 640 V 恒定，U_oc为整流桥输出电压，谐振尖峰得到了抑制。

      如图 10 所示，U_ab为变压器原边电压，I_p为变压器原边电流，可以看出输入实现了均压，证明控制策略有效。图11 ～ 图12 分别为逆变器相关的电压和电流，可以看出逆变器输出相电压含有三次谐波，但是线电压没有三次谐波，这一点在电容、电流上也可以看出。

      本设计搭建了一台 70 kW 的高频辅助变流器，输入 DC 1 500 V，输出 AC 380 V，以下为实验波形( 见图 13 ～ 图 14) 以及实物照片( 见图 15) 。

      图13 中的 CH₁为输出线电压，500 V/div。CH₂为输出电流，50 A/div。图14 中的 CH₁为整流桥输出电压，即 U_oc，200 V/div。CH₂为原边电流，即 I_p，50 A/div，CH₃为中间直流电压，250 V/div。