面向地铁车辆的辅助逆变系统设计

牛伟亮，李 超，王 磊，杜会卿，刘志刚

（北京交通大学 电气工程学院 北京市轨道交通电气工程技术研究中心，北京 100044）

辅助逆变系统是地铁车辆上不可或缺的电气组成部分，负责为空调机组、风机、空气压缩机等交流负载提供稳定的三相四线制380 V交流电源。同时，地铁车辆要求辅助逆变器具备一定的负载突变能力[1]，即在空调压缩机、风机等负载在启动和切除过程中，其输出电压的瞬时变化不能超过规定值并能够在规定时间内恢复稳态。本文首先阐述了双级功率变换高频辅助逆变系统的主电路结构和开关器件的选型方法；其次，介绍了逆变系统的调制策略；最后，通过模型仿真和实验验证，证明了该设计方案的可行性。

1 辅助逆变系统主电路设计

1.1 主电路结构设计

地铁高频辅助逆变系统的结构如图1所示，主要包括预充电电路、网侧LC低通滤波电路、全桥DC/AC逆变器、高频变压器、二极管全桥整流电路、直流输出滤波电路、三相DC/AC逆变桥、三相LC低通滤波电路以及中线电抗器等。

预充电电路主要由主接触器K1，预充电电阻R1和晶闸管Q1组成[2]。在系统启动后，检测网压至正常值，延时一段时间后闭合Q1，对电容充电，R1起到限流作用。电容充电饱和后闭合主接触器K1，再断开Q1进行切换，从而减小对支撑电容的电压冲击[3]。

中间直流滤波器由滤波电感L2和支撑电容 C1、C2组成。其中支撑电容的作用是滤除变流器输入端的纹波电压，缓冲能量，保持直流侧电压稳定，而滤波电感则主要用于抑制直流侧电流突变。网侧使用滤波电容C1、C2和均压电阻R2、R3均分电压，两个DC/AC全桥逆变器串联连接，变压器副边二极管桥式整流输出串联连接，串联结构有助于降低各开关器件的电压应力和额定功率，既能延长开关器件的使用寿命，又能增加系统开关频率，减小系统体积。通过均压电阻R4和相应的控制策略，保证电容均压，并自动实现均流。三相LC滤波电路保证了输出电压及电流纹波在允许的范围内。

1.2 主电路功率器件选型设计

在系统刚开始启动时，晶闸管Q1两端电压最大，约为1 500 V，考虑2倍裕量[4]，选取额定电压为3 300 V。晶闸管Q1在软启动过程中电流会逐渐变小，在额定工况下，输入电压为1 500 V，系统功率为77 KVA，功率因数为0.85，所以

图1 辅助逆变器结构图Fig.1 Auxiliary inverter structure chart

考虑1.5～2倍的裕量，选取额定电流为100 A。

根据以上计算所得的选型电压和电流，应选取耐压等级为3 300 V，额定电流为100 A的晶闸管。

DC/DC全桥变换器包含4个IGBT桥臂，在工作过程中每个IGBT承受的反向电压为网压的一半即750 V。IGBT的选型主要考虑额定电压、额定电流及散热效果。本文选型参考公式如下：

其中Uin为750 V；K1为电网电压波动系数，一般取1.15；K2为中间直流回路有反馈时的泵升电压系数，一般取1.2；K3为必要的电压安全系数，一般取1.3～1.5[5]。 代入式（2），得

系统额定功率为77 kVA，功率因数为0.85，直流侧的额定电压为1 500 V，在额定工作状态下网侧输入电流的有效值为：

考虑过载系数1.5，纹波系数1.2，则流过IGBT的最大电流如下式所示：

根据以上计算所得的选型电压和电流，采用耐压等级为1 700 V，额定电流为300 A的IGBT。

三相DC/AC逆变桥采用大容量的智能功率模块IPM，驱动及保护电路齐全，具有短路保护、过温保护等功能。在额定工作状态下，IPM输入电压为640 V，考虑一定的裕量，选择耐压等级为1 200 V。

系统额定功率为77 kVA，输出单相电压有效值为AC220 V，在额定工作状态下每相输出电流的有效值为：

考虑过载系数1.5，纹波系数1.2，则流过每相IGBT的最大电流如下式所示：

根据以上计算所得的选型电压和电流，采用型号为PM450CLA120的IPM，其耐压等级为1 200 V，额定电流为450 A。

1.3 控制系统结构

本文设计的地铁辅助逆变控制系统采用DSP+FPGA的基本构架。其中DSP采用TI公司的TMS320F2812用以完成占空比控制算法、数据采集/转换、485通信和以太网通信；FPGA采用ALTERA公司的Cyclone EP1C12Q24017，作为并行处理芯片既完成PWM脉冲发生的功能，又可以在接收到有关保护信号时，迅速封锁脉冲，实现硬件保护功能。

2 控制策略

本文采用三维空间矢量脉宽调制（TDSVPWM）技术，该技术尤其适用于三相四线制电压型逆变系统，可以有效地控制中线零序分量和抑制输出电压谐波的产生[6]，使系统不仅能够应对负载突变状况，并且在不平衡负载状况下也能够获得良好的输出性能。

该调制策略的序列分解图如图2所示，三相电压信号首先经过低通滤波器，得到相差90°的两个向量，然后对这两个向量进行Park变换，得到基于dq坐标系的电压矢量。之后对基于dq坐标系的电压矢量进行对称分量分解，得到正、负和零序电压矢量。对得到的各序分量进行逆Park变换就可以得到基于αβγ坐标系的电压矢量。最后对基于αβγ坐标系下的电压矢量通过式（8）到式（10）的变换公式就能得到对逆变器进行TDSVPWM调制所需的电压矢量[7]。

图2 序列分解图Fig.2 Sequence decomposition chart

控制框图如图3所示，首先对检测到的三相电压信号进行如图2所示的序列分解，得到正、负、零序电压分量，然后对其进行PI调节得到电流指令。再对检测到的电流信号进行如图2所示的序列分解，然后通过PI调节得到电压指令。最后这个电压指令经过iPark变换和式（8）到式（10）所示的变换得到 TDSVPWM 所需的 Vα、Vβ、Vγ。

图3 控制框图Fig.3 The control diagram

3 模型仿真

在MATLAB中搭建仿真模型，系统输入直流侧电压为1 500 V，前级与后级变换器开关频率均设置为为5 kHz。

图4为负载以50%→100%→50%变化时，逆变器三相输出线电压与三相输出相电流的仿真波形，由图可见在负载投切过程中线电压波形正弦度保持良好，峰值稳定在540 V。

4 实验验证

根据上文构建的辅助逆变系统，搭建实验平台。直流侧输入电压为1 500 V，IGBT与IPM开关频率均为5 kHz。

4.1 模拟25%负载→75%负载→50%负载情况

如图5、图6所示，负载在投入、切除过程中，输出电压波动变化较小，工作稳定 （示波器通道：CH5--网侧电压，CH6—中间直流电压，CH7—输出负载侧线电压，CH8—输出相电流）。

图4 三相输出电压、电流波形Fig.4 The waveform of the three-phase voltage and current

图5 投入电阻负载时电压、电流波形Fig.5 The waveform of the voltage and current when the resistance load is switched on

4.2 模拟75%负载→0%负载情况

如图7所示，突然断开全部负载后输出电流瞬间降至0 A，输出电压缓慢降至0 V，期间电压波形变化平缓，系统工作稳定 （示波器通道：CH5--网侧电压，CH6—中间直流电压，CH7—输出负载侧线电压，CH8—输出相电流）。

5 结束语

图6 断开风机1负载时电压、电流波形Fig.6 The waveform of the voltage and current when the Fan load is switched off

图7 断开全部负载时电压、电流波形Fig.7 The waveform of the voltage and current when all the load are switched off

本文主要从地铁辅助逆变系统的主电路结构、开关器件选型和控制策略三方面介绍了面向地铁车辆的车载辅助逆变系统设计方案。结合理论计算和仿真模型确定了实际器件的各项参数。仿真和实验结果表明该系统工作稳定，并且在应对负载突变时工作性能良好，证明了该设计方案的正确性和合理性。

[1]王少林.地铁辅助逆变系统研究[D].北京:北京交通大学，2009.

[2]陈广泰.机车牵引变流器预充电电阻的参数设计与仿真[J].内燃机车，2009（12）:18-20.CHEN Guang-tai.The parameter design and simulation of the pre-charge resistance in the locomotive traction inverter[J].DIesel Locomotives，2009（12）:18-20.

[3]王彬，裴冰，马连凤.大功率牵引变流器用预充电电阻的仿真计算分析[J].铁道技术监督，2010，38（6）:40-43.WANGBin，PEIBing，MA Lian-feng.The simulation calculation analysis for pre-charge resistance of high power traction converter[J].Railway Quality Control，2010，38（6）:40-43.

[4]刘志刚.电力电子学[M].北京:清华大学出版社，2004．

[5]仝鑫.管轨运输系统直线电机牵引变流器研究 [D].北京:北京交通大学，2011.

[6]范心明，程小华.三维空间矢量脉宽调制方法的研究[J].防爆电机，2007，42（2）:21-24.FAN Xin-ming，CHENG Xiao-hua.Study on method of the three-Dimensional space vector PWM[J].Explosion-proof Electric Machine，2007，42（2）:21-24.

[7]贾波.地铁辅助变流器的设计研究[D].北京:北京交通大学，2011.