三电平地铁车辆能馈逆变器控制方法研究

沈石秀，向超群，张璐琳，李卓鑫，成庶

三电平地铁车辆能馈逆变器控制方法研究

沈石秀，向超群，张璐琳，李卓鑫，成庶

(中南大学 交通运输工程学院，湖南 长沙 410075)

地铁车辆制动能量巨大，可以利用三电平逆变器使其回馈至电网以重新利用。但三电平逆变器却一直存在中点电位不平衡的问题，为了解决这一问题，提出一种新的改进型算法，可以很好地改善中点电位不平衡。在分析传统VSVPWM算法的基础上，引入了反馈量中点不平衡因子，并提出在同一小扇区可以使用不同的小矢量分别进行调节的理论。对提出的理论进行仿真验证，结果表明，使用改进型算法可以更好地实现对中点电位的控制。

三电平逆变器；中点电位控制；虚拟电压空间矢量调制

地铁车辆设站间距小，行车密度高，起制动频繁，当车辆再生制动时，产生的电能可高达牵引电能的40%，这部分能量通过牵引变流器向接触网回馈能量[1−2]。大部分再生制动能量被相邻车辆吸收，但是仍有20%以上的能量无法回收，这部分能量将导致接触网电压升高，传统方法采用电阻消耗多余的能量，不符合环保要求而且存在安全隐患[3]。随着大功率电力电子技术的应用与发展，逆变回馈型再生制动装置发展迅速[4]。与二电平相比，三电平每个开关器件只需承受一半的母线电压，输出电平数更多，可以获得更好的输出特性，因此被广泛应用于中高压大功率领域。但是，由于器件参数不能完全一致，导致支撑电容中点电位出现偏移。中点电位平衡控制的方法主要有2类，一类是增加额外的硬件设备，比如独立电源。一类是改变调制方法，这种方法只需改变软件算法，节省成本，优势明显。三电平的调制方法可以归纳为载波脉宽调制(carrier-base PWM,CBPWM)和空间矢量脉宽调制(space vector pulse width modulation, SVPWM)。这2种调制方法中点电位都存在3倍输出频率的波动。为了克服这一缺点，国内外学者做了诸多研究。针对CBPWM调制方法，Pou等[5]提出一种基于载波调制的三电平NPC变流器的零序电压注入方法。不需要增加其他的控制就可以保持中点电位平衡，减小开关频率，但是在低调制度时，无法完全消除波动。此外，基于载波的PWM策略不能在全调制度范围内实现中点电位波动控制。Maheshwri等[6−7]提出一种基于双载波的PWM策略，即利用中点电流和2个电容电压的差值来产生偏移，使电容器保持平衡。然而，比例积分控制器高度依赖于参数的设定。想要得到精确的比例增益时，同样需要电容器的精确值。但是，电容值会随着使用时间的增加而改变，从而导致比例增益的不精确。针对SVPWM调制方法，JIAO等[8]中提出一种减小中点电压波动和开关损耗的方法。利用滞环平衡方案切换小矢量的状态，消除了中点电位波动。通过选择合适的小矢量状态切换顺序，可以减小开关损耗。然而在中点电位不平衡时成对的小矢量不相等，小三角形区域需要重新分区，因此会使计算结果不准确。陈仲等[9]通过改变流入中点的电量调节电容电压平衡，但是在计算电量时没有考虑电流的初始相位角以及负载电流方向。Busquets-Monge等[10]提出一种虚拟的电压空间矢量(VSVPWM)，在全调制度和功率因数下都能有效消除中点电压波动。Choudhury等[11−12]利用冗余电压矢量合成了新的虚拟矢量。即使在负载和速度突变时，新的电压矢量也能保持中点平衡。但是，在平衡的过程中需要不断计算划分小扇区和占空比。HU等[13]提出一种改进的虚拟空间矢量调制方法。新的虚拟中矢量在每一个小区域都包含了2对成对小矢量。依据中点充放电和脉冲序列最优的原则，选择不同的成对小矢量，取得了中点电压平衡、减小开关频率和抑制共模电压的效果。但是该方法也没有考虑中点电压不平衡时，成对矢量大小不等。杨利强[14]通过改变小矢量的占空比，达到调节中点电位的目的，但是没有考虑中矢量和小矢量对中点电位的影响，不能精确控制中点电位。本文提出一种具有闭环反馈功能的中点电位平衡控制方法。在VSVPWM算法的基础上，考虑偏移后的矢量大小，引入中点不平衡因子作为反馈量，根据不平衡度分配小矢量作用时间，重新计算划分扇区，保证精确合成参考矢量。

1 地铁能量回馈装置

地铁能量回馈装置框图如图1所示。

图1 地铁能量回馈装置

当地铁车辆制动产生的能量不能被相邻车辆所吸收时，直流接触网电压升高，当超过设定值1 500 V时，地铁能量回馈装置开始启用，线路接通预充接触器ZK-KM2，电流经过预充电阻ZK-R1和充放电电阻ZK-R2对电容进行充电，充电完毕后，接触器ZK-KM2断开，ZK-KM1闭合，三电平逆变器投入运行，将未吸收的能量通过地铁能量回馈装置回馈至电网；当接触网电压恢复正常后，需将充放电电容中储存的能量释放出去，此时电路接通放电接触器ZK-KM3和线路接触器ZK-KM1，电流经过充放电电阻ZK-R2将电容中储存的能量释放出去，此时电网的能量通过整流器传送至牵引电网供地铁车辆使用。

这种逆变回馈型的地铁再生制动能量处理方式，较之储能型和电阻吸收型的处理方式，不用增加储能元件和吸收电阻，直接反馈回电网，不仅能够节约资源，还可以提高利用率[15]。

2 VSVPWM原理介绍

图1后侧部分为三电平中点钳位(Neutral Point Clamped，NPC)逆变器拓扑结构图。三电平逆变器每相有4个功率管，分别为S1，S2，S3和S4。当S1和S2导通时，a相与电源正极相连，输出电平为1；S2和S3导通时，a相被二极管钳位至中点电压，输出电平为0；S3和S4导通时，a相与电源负极相连，输出电平为-1。开关状态与输出电平、电压之间的关系，如表1所示。

表1 开关状态与输出电平关系

2.1 传统VSVPWM

在一个控制周期内，如果保持1N,1P作用时间相等，在1个周期内流过的电流为a+(−a)=0，因此，可以构造出虚拟小矢量。

同理，可以构造出虚拟中矢量。

若以扇区A为例，大扇区A被划分为5个小扇区(A1~A5)，如图2所示。0为0矢量，1N，1P，4N和4P均为小矢量，2为中矢量，3和5为大矢量。1N，1P，4N，4P和2对应的中点电流分别为a，−a，−c，c和b。

图2 传统VSVPWM

当参考电压矢量ref位于A3扇区时，由最近三矢量原则可知，

参考电压矢量ref可以保持在1个周期内中点电流为0。然而，当扰动出现导致中点电压波动时，由于没有引入中点电压反馈进行控制，系统自然恢复平衡的速度十分缓慢。图3为VSVPWM控制方法在不同负载条件下的自然恢复过程。引入干扰后，中点电压不平衡，成对的小矢量大小不相等，在1个周期内流过中点的电流不为0，中点电压不能维持初始设置电压，将向平衡方向发展。但是由于成对小矢量相互抵消的作用，使得有利于中点平衡的电流减小，因此恢复平衡的过程十分缓慢，而且，从仿真结果可以看出，随着负载电感值的增大，电流变化减小，恢复平衡的时间也随之增大。

图3 VSVPWM自然恢复过程

因此，传统VSVPWM在全调制度和全功率因数范围内可以维持中点电压平衡，但是存在输出电压谐波增加和抗干扰能力差的特点。

3 基于不平衡度的VSVPWM

和传统VSVPWM一样引入虚拟中矢量

此时再引入不平衡因子：

式中：C2是支撑电容C2上的电压；DC是直流侧母线电压。当小于硬件允许偏差值，即中点电压在允许的范围之内波动时，采用VSVPWM；当超出该范围，引入时间调节因子，=()。

以A扇区为例，假设中点电压偏移后合成ref需要增加1N作用时间，则可以表达为：

(7)

图4 偏移对扇区的影响

表2 偏移后小矢量的坐标

根据偏移后的虚拟小矢量的坐标，可计算出包围各个小扇区的线段所在的直线表达式。由此可得ref若在A11小扇区，应满足如下条件：(其中，式(8)~(14)中的为ref在A扇区内与大矢量3所在直线的夹角。)

ref若在A12小扇区，应满足如下条件：

ref若在A21小扇区，应满足如下条件：

(a) A11，A21和A3扇区划分；(b) A12，A22和A5扇区划分

ref若在A22小扇区，应满足如下条件：

ref若在A3小扇区，应满足如下条件：

ref若在A4小扇区，应满足如下条件：

ref若在A5小扇区，应满足如下条件：

在改进型算法进行扇区重新划分后，可根据小扇区所在区域选择增加或者减小小矢量的作用时间，以此保证合成电压矢量的准确性。

4 仿真实验讨论

由于试验条件限制，无法进行大功率牵引电机现场试验，为了对新方法进行验证，进行了仿真实验。在仿真实验中，采用3种不同实现方法的对比试验，电路的所有参数均保持一致，具体参数见 表3。

表3 仿真实验参数

其中，RL负载电路代替地铁能量回馈装置并网部分，为了突出显示不同算法对出现中点偏移的处理能力，特在=0.2 s时加入扰动，使支撑电容C2放电，在=0.4 s时撤去这一扰动。通过对比不同调制算法下负载部分的线电压、相电流和电容电压来探究SVPWM算法、VSVPWM算法和本文所提出的改进型VSVPWM算法对这一扰动的处理能力，以此突出改进型VSVPWM的优势。

具体的波形及其相关数据如图6~14。图6~8是在SVPWM算法、VSVPWM算法和改进型算法下支撑电容的电压C1和C2。没有外界干扰时，电容电压约等于750 V。在=0.2 s加入扰动后，SVPWM算法和VSVPWM算法下的电容电压均呈现发散趋势，不能稳定在750 V左右。而在改进型算法下的两电容电压却可以很好地稳定在750 V附近。=0.4 s撤去扰动，3种算法下的电容电压都将向中点电位恢复，将=0.42 s时的仿真数据记录在表4中(其中Δ=C1−750 V)。从表中数据和仿真结果可以发现，VSVPWM算法的恢复速度最慢，需要较长时间才能恢复至扰动前的状态；其次是SVPWM算法，大约0.11 s能恢复至扰动前的状态；恢复速度最快的为本文提出的改进型VSVPWM算法，在扰动撤去的极短时间内就恢复至了扰动前的状态。

图6 SVPWM下的电容电压

图7 VSVPWM下的电容电压

图8 改进型算法下的电容电压

表4 t=0.42 s时的电容电压值

出现这种情况是由于SVPWM算法和VSVPWM算法均没有引入中点电压反馈。在= 0.2 s扰动出现时，电容C2会对其并联的电阻进行放电，致使中点电位出现波动，C2减小，C1增大。在=0.4 s撤去扰动后，由于使用的是RL负载，系统会缓慢地自然恢复平衡。然而不同算法的恢复速度又有很大的差异，在改进型算法中由于引入了不平衡度因子，可以实时反馈中点电压偏移程度，当扰动出现时，通过改变相应小矢量作用时间，维持中点电压平衡。

图9~11分别是SVPWM算法、VSVPWM算法和改进型算法的线电压ab，图中虚线为750 V刻度线。从图9和图10可以发现，在加入扰动后，线电压不能稳定在750 V，出现了很大的偏差，出现这种现象的原因与前面电容电压发散的原因一致，2个支撑电容上的电压不等。中点电位不平衡导致每相桥臂上的开关器件要承受额外的电压应力，对器件的寿命十分不利，同时对其性能提出了更高的要求。在0.4 s撤去扰动后，线电压才缓慢恢复至750 V附近。在图11中可以看到，改进型算法的线电压十分稳定，没有偏差。

图9 SVPWM下的线电压

图10 VSVPWM下的线电压

图11 改进型算法下的线电压

图12 SVPWM下的相电流

图12~14是在SVPWM算法、VSVPWM算法和改进型算法下的相电流a。从实验结果的对比中可以发现，在传统的SVPWM算法和VSVPWM算法下的电流脉动相对较大，主要原因是阻感负载可以减小电流脉动，使之更加平缓。

图13 VSVPWM下的相电流

图14 改进型算法下的相电流

5 结论

1) 对传统VSVPWM原理进行介绍与分析，传统方法存在抗干扰能力差的缺点，当扰动出现时恢复速度缓慢，不适合地铁能量回馈装置。

2) 为了克服传统SVPWM算法中点不平衡的缺陷，本文提出一种引入不平衡因子的VSVPWM方法，在全调制度全功率因数范围内能够维持中点电位平衡，并且具有很强的鲁棒性。

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Neutral point balance control of energy feedback inverter for metro vehicle

SHEN Shixiu, XIANG Chaoqun, ZHANG Lulin, LI Zhuoxin, CHENG Shu

(School of Traffic and Transportation Engineering, Central South University, Changsha 410075, China)

The braking energy of metro vehicles is huge. Three-level inverters can be used to feed them back to the power grid for reuse. However, the neutral-point potential imbalance has always existed in three-level inverters. To solve this problem, a new algorithm was proposed, which can improve the neutral-point potential imbalance very well. Based on the analysis of the traditional VSVPWM algorithm, the feedback-neutral unbalance factor was introduced, and the theory that different small vectors can be used to adjust in the same small sector is proposed. The simulation results show that the improved algorithm can better control the neutral point potential.

three-level inverter; neutral potential control; virtual space vector pulse width modulation

TM464

A

1672 − 7029(2019)11− 2843 − 09

10.19713/j.cnki.43−1423/u.2019.11.025

2019−02−18

国家重点研发计划项目(2017YFB1200801-12，2017YFB1200902-11)

成庶(1981−)，男，湖南长沙人，副教授，博士，从事电力牵引及传动控制研究；E−mail：6409020@qq.com

(编辑 阳丽霞)