地铁辅助逆变电源的研究

罗仕维，龙永红，李军军

（湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南 株洲 412007）

地铁辅助逆变电源的研究

罗仕维，龙永红，李军军

（湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南 株洲 412007）

机车辅助逆变电源是机车上不可缺少的构成器件，地铁车辆稳定安全的运行依靠于其工作的可靠性。本文对比判辨了地铁静止辅助逆变电源的各类型拓扑优劣，针对两电平逆变的地铁静止辅助电源进行探究，该系统采用了双闭环的调节方式，为系统提供可靠的交流输出电压，用来满足不同负载的需求。在此基础上搭建了MATLAB仿真模型，仿真结果表明，辅助逆变系统的输出符合指标要求，验证了方案的可行性。

地铁辅助电源；两电平逆变；SVPWM

0 引言

地铁辅助逆变系统是地铁车辆上的重要组成部分，随着供电网电压等级的提高（600V、750V 逐步发展成 1500 V电压），用电器件的需求也随着供电方式的进步达到新层次的高度。

地铁的通风系统、动力照明器件、车辆空调及一系列交流使用负载所需要的交流电源都由地铁逆变辅助电源供给，当中需求最大的用电器件是空调机组。现运营地铁中大多采用定频空调，但变频空调对于温度调节能力，舒适性等方面较定频空调有着更好的性能，另外由于新型电机，如永磁同步电机的应用，在节能方面较传统电机有着更大优势，当尚无大规模应用。但随着绿色，环保理念深入与推广，变频空调必将成为未来更佳选择。在确保机车辅助电源工作时安全、稳定、可靠的前提下，同时又能满足新型空调设备的需求，本文以变频空调作为具体负载，对变频空调用辅助电源进行了研究与设计。

机车辅助电源首先接收从接触网或者第三轨导入的直流电源，具体结构如图1。两大工作单位构成整个地铁辅助电源，辅助电源的关键组成是输出的380V/50Hz 的工频电压。此外，系统输出还有 110V和24V两种等级。列车上的低压直流元件，例如机车蓄电池，雨刮器，应急照明等都由AC110V供给电能；24V主要是为列车的控制系统供电。

机车辅助电源首先接收从接触网或者第三轨导入的直流电源，具体结构如图1。两大工作单位构成整个地铁辅助电源，辅助电源的关键组成是输出的380V/50Hz 的工频电压。此外，系统输出还有 110V 和24V两种等级。列车上的低压直流元件，例如机车蓄电池，雨刮器，应急照明等都由AC110V供给电能；24V主要是为列车的控制系统供电[1]。

图1 地铁辅助电源结构Fig. 1 Principle of auxiliary power supply

DC1500V输入首先流过前置滤波后再经三相逆变可以得到交流电压。变压器接着对交流电压实现隔离降压后经交流电容元件再次滤波得到稳定的三相380V/50HZ正弦电压。

1 逆变器的设计

1.1 逆变器拓扑结构选择

当今静止辅助逆变电源存在很多类型的拓扑主电路，按照其配置的隔离变压器方案，分为两个方式：第一种方式首先将DC1500V输入电压流经电抗器通过前置滤波后送入逆变元件进行逆变，再经过工频变压器隔离、输出滤波后提供给负载使用。第二种方式首先将DC1500V输入电压完成直直变换，使其降压，然后再对将其送入高频变压器实行电气隔离，最后送入逆变器。这两种方式如表1所示[2]。

分析比对以上拓扑类型，两电平电路采取△/Y型变压器，给予中线且组成开关元部件较少，而且核心技术比较成熟，控制原理比较而言更为简单，稳定性好。并且此方案已逐步应用于国内各大城市地铁车辆上，因此本文优先考虑此拓扑结构[3]。如图2所示：

表1 拓扑结构对比Tab. 1 Comparison of topology

图2 两电平加工频拓扑Fig. 2 Two level auxiliary power supply topology

1.2 逆变电路技术参数的设计

IGBT的功能是通过其易于调控的开关方式，使其遵循设定频率地开通和断开让直流电压逆变为正负替换的方型电压。因此，IGBT在任何逆变电源器件中的功能都极为关键。想使辅助电源高效，可靠地工作，一定要使其指标设定在正向偏置安全领域，不然会导致IGBT烧毁进而影响工作[4]。

逆变电源在额定工况下，可以计算出IGBT元件承受电流为：

同时考虑到在2倍过载工况下，我们计算出逆变器最大输出时IGBT元件承受电流为：

我们默认选定IGBT所承受电流的安全等级为最大值电流的1.25倍，取IGBT的Ic=633A。

我们将峰值网侧电压定为2100V（输入过电压保护值），关断过电压定为400V并且考虑1.2倍的电压保护范围，计算出每个标称电压VCE=（2100+400）×1.2=3000V，因此选用3300V/800A的IGBT元件。

因为逆变器的输出电压中含有很多谐波，所以为了让静止辅助电源的输出有更好的质量，必须使其谐波小于5%，通过漏磁变压器和滤波电容组成的LC型低通滤波器实现滤波来达到消除谐波的目的。

变压器参数计算：

通过参考谐波注入控制指标，由此可以计算得出输出基波有效值（线电压）峰值为

式中Udc为地铁辅助电源系统的输入电压

假设最小输入时的工况，Udc=1000V，那么U1=680V变压器的短路电压降为13%，可以算出在三相电抗器上的相电压压ΔV=U1×13%÷1.732=51.04 V。

根据公式ΔV=2πf×L×IC则折算到变压器一次侧的漏电感L=ΔV/（2πf×Ic）=0.709 mH取变压器空载电压比为680：423，折算到二次侧的漏电感为0.274 mH。

输出滤波电容的指标计算

输出端的滤波电容元件为三角形连接方式，考虑它的单相电容是C，取C=200μF，则3C=600μF，LC交流滤波电路的截止频率：

2 控制系统设计

2.1 双闭环控制参数设计

为保证输出端满足辅助电源要求，本文选用电流内环并用电压外环的双环调节原理。采用滤波电感电流内环，让其变得可控，让控制环节的可靠性大大增加。此外，内环结构可以有效的控制环内的干扰因素，让整个控制环节的稳定性得到很大提高。

下图为d轴下滤波电流内环作用于连续域的控制结构图。

图3 电流内环结构框图Fig. 3 Current inner loop structure diagram

Ts表示的是滤波电流内环中电流采集和反馈信号所用的惯性时间常数，Kpwm表示的是内环中的PWM的在相同情况的增益；0.5Ts表示的是开关转换元件的惯性常数，Ki表示的是电流环PI调节元件的比例系数，τi表示的是同元件积分时间常数。

把常数0.5Ts和Ts统一，能够使电流内环模型更加简单，因此把PI调节元件的零点用于消除电流作用目标传递函数的极点构建经典的Ⅰ型结构，

比对之后传递函数如下所示

参考经典Ⅰ型结构指标整定比例，可以计算阻尼比ξ=0.707，得

假设开关频率达到某参考值，换言之TS非常小的时候，电流闭环能够化为

从公式4推算出电流环近似一阶惯性结构，下图为d轴电压外环模型

图4 电压外环结构框图Fig. 4 Voltage outer loop structure diagram

电压外环的功能是保持三相交流测电压不变，因此设计控制结构整定方面，更多的注重其抵抗干扰特点。依据典型Ⅱ型结构构建电压PI调节器，通过图4能够计算出传递函数为：

由此，得电压环中宽频hv，为

通过典型Ⅱ型控制结构指标整定计算出

对电压控制结构的抵抗干扰和跟随特点进行全面的分析后，得出hV=5，因此

通过联合公式（1）（3）（8）能够得到电流内环并电压外环的双PI调节指数。

2.2 解耦控制策略

此种控制结构不仅输入电压ud、uq能够直接控制 d-q轴的输出电流 id、iq，而且受耦合电压Lωiq、-Lωid和逆变后的输出电压 usd、usq同样会对id、iq进行作用，这样就使其对系统的可靠性造成干扰。所以本文利用前馈解耦控制，此外增添电网电压前馈的方式用以抵消电网电压畸变对调节稳定性造成的不利后果，从而得到 usd、usq在 d-q 坐标系下的控制方程

将式（9）代入式（10），可得：

上式中，KiP、KiI为电流内环PI控制结构的比例、积分参数，i*d、i*q分别为有功和无功电流参考值。

其中，

解耦控制结构所搭建数学模型如公式（11）所示，从以上方程式能够清楚的知道，此结构完成了对d-q 轴电流的解耦。由瞬时无功功率原理可知，作用d-q轴的参考电流值i*d、i*q能够完成单独完成对有功、无功功率的调节。所以凭借公式（11）可以构建出解耦系统的控制框图[6]，如图5 所示。

3 仿真实验

根据地铁辅助逆变电源的特性、控制方法和机车辅助电源的各项技术指标，在MATLAB/ Simulink模块下构建额定输入电压1500V，逆变电源输出按单位功率因素调节的静止辅助逆变电源模型，仿真主电路如图6[7-8]。

基于额定输入电压1500V，同时每相都为阻性的工况条件，输出端线电压的基波幅值为379.5V，电压波动低，如图7所示。输出电流如图8所示。THD为2.79%，低于5%，如图9所示。输出有功，无功电流如图10-11，可分别实现调节。输出功率如图12所示，输出容量为190kW，无功基本为零，符合辅助电源要求。功率因素如图13所示，0.98以上，达到设计要求[9-10]。

4 结论

从仿真结果来看，辅助电压逆变系统的参数设计以及引入的双环控制策略还是正确及很有效的，系统可以稳定的运行。输出380V/50HZ的三相交流电压、电流对称性、正弦性都较理想，电流谐波含量满足要求；并且输出的无功、有功电流与功率可以分别调节，可以满足不同负载的需求，此方案在理论上是可行的，具有一定的实际应用价值。

图5 解耦控制框图Fig. 5 Decoupling control block diagram

图6 静止辅助电源仿真电路图Fig. 6 Auxiliary inverter circuit simulation main circuit

图7 额定负载工况电压Fig. 7 Voltage waveforms at rated load

图8 额定负载工况电流Fig. 8 Current waveform at rated load

图9 额定负载谐波分析图Fig. 9 Harmonic analysis at rated load

图10 额定负载输出有功电流Fig. 10 Active current waveform at rated load

图11 额定负载输出无功电流Fig. 11 Reactive current waveform at rated load

图12 额定负载输出功率Fig. 12 Output power at rated load

图13 额定负载输出功率因素Fig. 13 Output power factor at rated load

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Research of Subway Auxiliary Power

LUO Shi-wei, LONG Yong-hong, LI Jun-jun
(School of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou Hunan 412007, China)

Auxiliary inverter system was important component, which operation reliability had a great impact on the whole stable and reliable vehicle system. In this paper, a comparative analysis of the topology of the metro auxiliary inverter system was carried out, and the two level metro auxiliary inverter was studied, This system was applied a double closed-loop control strategy, which guarantee the stability of the AC output side voltage and meet the needs of different loads. On this basis, the MATLAB simulation model was built, and the simulation results show that the auxiliary inverter output meets performance demands， and the feasibility of the scheme is verified.

Metro Auxiliary Power Supply；Two level inverter；SVPWM

10.3969/j.issn.2095-6649.2016.02.008

LUO Shi-wei, LONG Yong-hong, LI Jun-jun. Research of Subway Auxiliary Power[J]. The Journal of New Industrialization， 2016， 6（2）: 46-52.

罗仕维（1990-），男，硕士研究生，研究方向为电力电子；龙永红（1968-），男，硕士生导师，湖南工业大学电气与信息工程

学院副院长，从事汽车、机车、控制理论与应用研究；李军军（1980-），男，硕士生导师，研究方向为电力系统自动化

本文引用格式：罗仕维，龙永红，李军军. 地铁辅助逆变电源的研究［J］. 新型工业化，2016，6（2）：46-52.