高速动车组辅助变流器并联运行的脉宽调制技术

马颖涛，宋术全，李 红

（中国铁道科学研究院 机车车辆研究所，北京100081）

高速动车组技术是多项复杂技术的总成，辅助电源系统是其中的重要组成部分［1］。它作为一个三相交流供电系统，为众多的车载设备供电，因此辅助电源的稳定可靠运行是列车牵引控制系统稳定工作的前提，同时辅助电源也直接关系到列车的乘坐舒适度。因此辅助电源系统是高速动车组技术的重要组成部分。

而脉宽调制技术（Pulse Width Modulation，PWM）是变流器控制中最底层，最基础的部分［2-3］。其作用就是将电压给定值，通过特定的算法计算开关管的开关时刻，准确地控制变流器主电路的开关管，从而将给定电压值进行实现。调制方法种类繁多，不同的脉冲生成算法的原理不同，调制出的方波电压的谐波分布也不同。因此调制方法对于变流器IGBT、电抗器、变压器的发热也有着非常直接的影响。

调制方法与变流器闭环控制相对独立。相同的闭环控制算法可以采用多种调制方法。动车组辅助电源系统是一个多辅助变流器（Auxiliary Converter Unit，ACU）并联运行的结构，各变流器并联运行需要非常复杂的控制才能实现无互联线的自然均流［4-6］。但是调制方法是产生开关管开关脉冲的环节，因此性能较差的调制方法可能会导致变流器之间有着巨大的谐波环流，这些谐波环流可能通过AD采样又进入变流器的闭环控制，因此调制方法对于变流器的并联运行有着至关重要的意义。

高速动车组辅助电源系统的功率等级比较大，为十万千瓦级。大功率变流器的开关频率受制于器件和散热，一般选取的比较低。而变流器输出正弦滤波器受制于体积和质量的限制，其截止频率不能设计的太低。因此逆变器输出滤波电感的纹波电流较大，输出电压的谐波含量比较可观。这就对调制方法提出了更高的要求。

为了保证变流器输出电压质量，针对动车组辅助变流器独特的应用需求，通过设计性能优良的调制方法，有效的降低了三相交流输出电压的谐波含量。

针对该不利因素，为了保证变流器输出三相交流电压的电源质量，本文提出了一种新改进的调制方法。有效的降低了变流器输出交流电压谐波含量。成功的应用在国产化辅助变流器中，与现有辅助变流器的并联中，实现了很低的谐波环流水平。

1 辅助变流器的结构

辅助变流器的主电路结构如图1所示。它的功能是将输出直流母线电压，逆变成为三相正弦交流电。它包括3部分，直流母线支撑电容、6个IGBT构成的三相桥、正弦波滤波器。其中正弦波滤波器中包含了滤波电感、滤波电容和一个隔离变压器。

三相桥输出的方波线电压经正弦波滤波器滤波后得到的正弦交流电压。

图1 ACU的电路结构示意图

2 辅助变流器的脉宽调制方法

2.1 载波比

受变流器发热设计的限制，开关频率较低，PWM波的生成方式对电压谐波的分布有很大影响：（1）三角载波与正弦调制波的相位关系（三角波的起点与调制波的过零点的位置关系，会导致偶次谐波的明显变化。这在开关频率较高的场合下不明显）；（2）调制若为异步调制，载波比会不恒定（开关频率恒定，基波周期不恒定），会导致产生三相电压的不对称和偶次谐波。通常三相系统为保证三相之间的对称性，取载波比为3的整倍数。为了抑制偶次谐波，载波比为奇数。

2.2 调制波的谐波注入

为了提高逆变器的直流电压利用率，为调制波注入1／6基波幅值的三次谐波，如图2所示。这样就可以有效的削弱调制波的峰值。由于三次谐波为零序量，所以它并不会体现在负载线电压上。

图2 正弦调制波中注入三次谐波示意图

2.3 采样方法

三相正弦调制波与连续增减的三角载波进行比较产生6路开关波形。对于数字控制器而言，通常采用规则采样方法。其原理就是用三角波每个周期对正弦波进行采样得到方波。方波与三角波载波进行比较，交点时刻即对应开关管的通断，从而实现了脉宽调制。采样时刻可以选取三角载波的零点或者顶点，或者在零点和顶点都进行采样。当正弦调制波在一个开关周期采样一次（如三角载波的零点），那么脉冲该开关周期内是相对三角波的中线对称的，那么该方法称之为规则采样，如图3所示。若在三角波的顶点和零点都进行采样，那么在一个开关周期内脉冲通常不是沿三角波中线对称的，因此这种方法称之为非对称规则采样。

对两种采样方法进行仿真，在开关频率1kHz，主电路参数一致，即可以对两种采样方法的性能进行比较。如图4所示，Vab为三相桥输出的方波线电压，Uab为正弦滤波器滤波后的交流线电压。从仿真结果图4（a）和图4（c）可以看出，非对称规则采样下，线电压Vab的偶次谐波含量明显小于对称规则采样。由图4（b）和图4（d）可以看出，非对称规则采样时，正弦电压中的偶次谐波含量明显低于对称规则采样。非对称规则采样下正弦电压总谐波畸变率（Total Harmonics Distortion，THD）约为0.77%，对称规则采样时的THD为1.41%。非对称规则采样的性能明显优于对称规则采样。

图3 采样方法示意图

可以看出，在不提高开关频率的前提下，只需要将调制方法由通常的对称规则采样改为非对称规则采样，就可以很显著的降低变流器输出交流电压的谐波含量。

综上所述，本文采用的调制方式为注入1／6基波幅值三次谐波的非对称规则采样的SPWM。

3 试验验证

3.1 单机试验

在国产化机组上，试验该调制方法。在开环的测试中，获得一组试验波形。

图5中，CH1为辅助变流器三相桥的输出线电压Uab，CH2为Ia相桥臂输出电流，Math通道为PWM1减去PWM3，为三相桥输出线电压Uab的指令值。可以看出，Math通道与直接测量的线电压波形一致。对线电压进行FFT分析，结果如图6所示。其偶次谐波含量很低，低次谐波含量很低。其他谐波主要集中在开关频率整数倍附近。试验结果与仿真结果一致。

3.2 并联试验

当逆变器输出并联之后，就会因为各台逆变器输出电压中的谐波成分导致逆变器之间出现较大的谐波环流。该谐波环流不仅占用了逆变器的容量，增大损耗和发热，而且列车上的逆变器之间距离较远，若交流母线上流过大量的谐波电流，会大大恶化动车组上的电磁环境。通过对逆变器的调制方法和控制算法上进行集成设计，固定逆变器输出电压的谐波幅值分布和相位分布，从而抑制逆变器之间的谐波环流。

图4 两种采样方法的电压波形及FFT分析

图5 国产化控制器在辅助变流器中试验波形

采用“注入1／6 3次谐波的不对称规则采样的PWM”的国产ACU与既有ACU进行并联，分别得到空载和64kW负载工况的波形，如图7所示。

图7中通道CH3和CH4分别为国产和原型车的辅助变流器输出ab线电压，由于其并联在一起，因此波形重合。CH5和CH6分别为国产和原型车ACU的a相输出电流。

图7（a）为空载并联。由ACU输出电流接近于0可以看出其空载环流非常小。图7（b）为两机并联带64 kW负载。Math1通道为CH5与CH6之差，两个电流之差有效值为9.4A。可以看出，其谐波环流非常小，两台机组输出电流波形基本一致。因此，变流器并联的谐波环流得到了很好的抑制。

图6 国产辅助变流器输出线电压波形FFT分析

图7 国产ACU采用新调制方法与原型车ACU并联

5 结束语

通过对既有辅助变流器的脉冲波形和方波线电压波形的分析，本文设计了“注入1／6三次谐波的不对称规则采样的PWM”的方法。通过仿真验证，单机试验，在国产化控制器中实现了该调制方法。通过对其脉冲波形的分析，其谐波分布和波形特征与既有辅助变流器的脉冲特征一致。国产化辅助变流器和既有机组并联，采用了新的调制方法，试验结果验证了其能够实现很低的谐波环流。

因此，新方法符合国产化控制器的需求，既能够实现较低的输出电压谐波含量，消除偶次谐波，也能够在并联运行中，实现很低的谐波环流，具有较好的均流特性。

［1］张文斌，宫卫南.浅析动车组的辅助供电系统［J］.铁道机车车辆.2011，31（2）：21-23.

［2］李永东.脉宽调制（PWM）技术——回顾、现状、及展望［J］.电气传动，1996，26（3）：2-12.

［3］刘志刚，叶 斌，梁 晖.电力电子学［M］.北京：北京交通大学出版社，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.