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基于固态变压器的新型牵引驱动系统及控制
摘要：一种新型的牵引传动系统固态牵引变压器（SSTT），逆变器单元，辅助逆变器牵引电动机和其他关键组件的制造是为了适应开发高效，轻便，功率密度高的下一代电力牵引系统的需求。为了减小系统体积和重量并提高效率和电网侧电能质量，提出了一种高效的SSTT 优化拓扑，该拓扑结合了高压级联整流器和大功率高频 LLC 谐振转换器。在此基础上，提出了一种基于同步旋转参考系的集成控制策略，以实现对基本有功，无功和谐波分量的统一控制。提出了载波交错相移调制策略，以提高级联整流器的谐波性能。针对单相系统中存在二次脉动的问题，建立了二次功率传递的数学模型，揭示了产生LLC 谐振变换器脉动频率的脉动电压机理，从而设计出系统参数的最佳匹配。仿真和实验结果证明，本文提出的牵引系统和控制方案是合理且优越的，并且能够满足未来轨道交通的应用要求。
关键词： 固态牵引 变压器高压级联整流器 LLC 谐振变换器 同步旋转参考系 载波交织相移控制 二次脉动电压拍频
1 介绍
随着我国电气化铁路的建设，大功率电力机车，高铁的应用，极大地促进了经济的发展。基于功率转换和交流（AC）电动机调速的电力牵引技术是电力机车和高速电力多单元的关键技术之一。到目前为止，它们中的大多数已经成熟应用。中国已经开始研究下一代电动牵引系统，以达到更高的速度和更大的运输能力，从而有效地降低能耗并实现节能减排。下一代高速火车牵引系统的主要目标是减小系统的体积和重量并提高效率。在电力分散的电力多单元中，将不再集中安装牵引系统。相反，它们将分布在火车的每个车厢中。巨大的牵引设备将限制乘客的容量，并使火车的结构设计更加困难；另外，牵引设备的重量将直接影响火车的加速和制动性能，从而影响火车的安全运行和乘客的舒适度。在牵引系统中，主牵引变压器约占整个设备的 1/3 。学者们提出了采用高频器（HFT）的多种拓扑结构，以减小火车牵引主变压器的体积和重量，并提高牵引系统的可靠性和灵活性。这种拓扑的思想是通过电力电子转换器转换单相线频交流电变成中高频交流电然后通过高频降压隔离变压器将它们连接到高频整流器和牵引逆变器。这种采用高压多级整流器和高频隔离的新型转换器拓扑结构称为固态变压器，当在轨道牵引系统中使用也称为固态牵引变压器。针对此类转换器的各个方面，已经进行了许多研究。在 SSTT 的众多拓扑中，最吸引人的是结合了高压级联逆变器和 DC-DC（直流）转换器的拓扑。本文在先前研究人员的基础上， 提出了一种基于SSTT的新型电力牵引系统。对于此拓扑，首先使用 H桥级联整流器将牵引电网的高压 AC 转换为多个分布式 DC 母线；随后，分别使用包括 HFT的LLC 隔离型 DC-DC 转换器来降低所有 DC 母线的电压。向牵引逆变器和辅助逆变器提供直流电压，同时所有直流母线相互隔离。在此拓扑结构的基础上，提出了一种基于同步旋转参考系的改进的四象限综合控制策略和一种载波相移控制策略，以提高系统的响应速度，控制精度，电网侧电能质量和抗干扰能力。系统。针对单相系统固有的二次脉动，推导了二次脉动对 LLC 谐振变换器的影响机理，并通过系统优化来抑制二次脉动的影响。
2 新型牵引驱动系统
基于 SSTT 的牵引驱动系统的主要电路拓扑如图 1 所示，分为高压级联整流器，LLC 谐振变换器，牵引逆变器和辅助逆变器。它们的功能和特点如下。
2.1高压级联整流器
高压级联整流器由多个串联的 H 桥单元组成，它们通过输入电感 Ls 连接到 25 kV 高压牵引电网中。每个 H桥单元均经过整流，然后以不同的电位输出多个分布式 DC 电压。级联整流器的主要功能是保持电网侧的单位功率因数，保持输入电流为正弦波，并保持分布式直流电压的稳定和平衡。交流侧电压的等效开关频率等于 2N（N 是串联连接的 H 桥单元的数量）乘以 H 桥单元开关频率。通常，单个 H 桥单元的开关频率选择为数百 Hz，以提高设备的效率。因此，整流器数量输出电平大（最大电平数为 2N 1），波形更像正弦波。与传统的四象限整流器相比，级联整流器在控制电网侧电压谐波和电流谐波方面具有无与伦比的优势。此外，由于交流侧电压波形的等效开关频率较高，因此注入牵引电网的高次谐波电压较小，这有利于抑制列车电网的谐振。为了提高牵引系统的可靠性和可维护性，级联整流器的 H 桥单元通常采用模块化设计，并具有自动旁路功能。如果任何 H 桥单元发生故障，则可以自动隔离故障单元，并且该设备仍可以全功率运行，并且无需降低列车速度。
2.2 LLC 谐振转换器
LLC 谐振转换器将高压级联整流器输出的处于不同电势的多个 DC 电压转换为高频方波，然后通过高频隔离变压器耦合到次级侧，然后整流为低压 DC 输出。电压转换完成，高电位和低电位隔离。一次侧转换器和二次侧转换器均采用 H 桥，可以根据牵引力和制动条件实现双向能量流。为了提高牵引系统的效率，LLC 谐振转换器的初级侧使用了谐振元件，以在整个负载范围内实现零电压开关（ZVS）和较小的关断电流。并在次级侧实现零电流开关（ZCS）。通常，为了减小设备的体积和重量，将谐振电感集成在 HFT 中（包括漏电感和磁电感），但这将对 HFT 的技术水平提出更高的要求。
2.3 牵引逆变器和电动机
牵引逆变器根据系统命令控制电动机输出相应的扭矩，以实现牵引，制动和惰性操作，并满足系统对牵引扭矩进行精确控制的需求。牵引逆变器的最大开关频率受散热系统的限制，而一般高速电气多单元和重载机车的牵引逆变器的最大开关频率仅为几百赫兹。电力机车牵引驱动系统的特点是高电压，大电流，大功率。同时，由于机车在较宽的速度范围内运行，牵引逆变器的调制比变化范围非常大。在低开关频率下工作时，调制比的降低会使输出电压和电流中的谐波含量大大增加，这导致电动机损耗增加，发热量大和噪声增大。在基于 SSTT 的新型牵引驱动系统中，由于 SSTT 的直流电压输出范围较宽，因此当牵引逆变器的输出电压较低时，可以通过相应的控制策略降低 SSTT 的输出 DC 电压，即牵引逆变器的输入电压，从而有效提高牵引逆变器的调制比，降低输出谐波含量和噪声。
2.4 辅助变频器
辅助逆变器的主要功能是将直流电压转换为标准的三相电压输出，以此牵引电机风扇，牵引逆变器水泵，空调压缩机和对其他三相交流负载供电。辅助逆变器连接到 SSTT 的公共 DC 母线，与传统的牵引系统相比，传统的牵引系统需要提供单独的辅助逆变器绕组，该辅助逆变器更有利于整个牵引系统的功率平衡。
SSTT 级联整流器的控制目标是控制电网侧电流的波形和相角以及中间直流电压的大小，与现有的电力牵引系统的四象限整流器之间没有本质区别。因此，从理论上讲，适用于传统四象限整流器的所有控制方法都适用于 SSTT 级联整流器。但是，由于 SSTT 是垂直悬挂在牵引电网上并连接到 LLC 辅音转换器的单相高压大功率级联整流器，因此，增加控制系统响应速度的控制策略需要大量工作在控制级联整流器电压的不平衡度方面，必须完成 SSTT 的控制精度和控制。
由于 SSTT 级联整流器的单相特性，直流电压中必须存在次级电压脉动。如图 1 所示，通过 LLC 谐振转 换器对级联整流器的直流电压进行调制后，谐振电流中会出现由类似电动机控制的拍频，这将大大减小软开关的范围并影响变频器的安全运行。同时，LLC 谐振变换器的直流电压中也存在次级电压脉动，这将给牵引逆变器的控制带来很大麻烦。因此，有必要根据系统设计和控制策略来控制次级脉动电压对牵引逆变器的影响。
3 高压级联整流器控制策略
3.1 SSTT 级联整流器的基波控制
SSTT 级联基本电流控制的思想基于同步旋转参考系[26]的整流器：通过同步旋转参考系的转换，将单相整流器的物理量反映在 dq 轴上，然后分别控制 dq 轴的直流物理量。通过同步旋转参考系的变换，将交流电流信号变换为直流信号，并由比例积分调节器（PI）进行控制，从而控制电流的有功分量和无功分量而没有稳态误差。基本电流的控制原理如图 2所示。
图 2 基于同步旋转参考系的基本电流控制原理。BPF：带通滤波器；PLL：锁相环
3.1.1 基于瞬时的外部电压环路设计
SSTT 级联整流器的等效电路图如图 3 所示。级联输出电压如图 1 所示的 H 桥分别是 Uc1，Uc2，UcN，N 是级联功率单元的数量。串联所有电源输出相位电压为Uc。Uc与电网电压之间的电位差会叠加在连接上电抗Ls，从而产生电流ic。DC-DC转换器，牵引逆变器和电机（M1，M2）可等效为时变电阻RL，电容电流为icap，直流侧的等效电压为Udc和直流电流为idc。
如图 3 所示，如果不考虑连接电感和负载的损耗和H 桥模块，则电网侧等于直流侧的有功功率。
在 dq 参考系统下，电网侧的有功功率可以表示为
其中，ic d和ic q是ic电流的d-q分量，以及在选择同步参考系的轴 d 与电网电压 Us 同步时 Usq 为 0，因此
直流侧的电源为
等式（4）可以表示
根据等式计算（1），（3）和（5）
然后，引入 PI 控制器进行计算，
结果，基于外部电压环路的设计思想瞬时功率平衡是收集级联拓扑的所有 H 桥单元的 DC侧电压；计算这些电压的总和并求和。求出直流电压参考值之和与平方和之差。进行 PI 调整并获得电容功率。加上负载功率以获得直流侧的总功率，然后将直流侧的总功率转换为电流 idref 的参考量。同时，要防止通过将二次谐波引入控制器，可以计算快速移动平均滤波器（ FMAF ） 和直流电压和负载电流的均方根l:（RMS），以过滤和消除二次谐波和其他偶次谐波。由于外部电压环路的设计思想是直接调节整流器的功率并引入电网的电压分量进行计算，因此基于瞬时功率平衡的外部电压环路（如图 4 所示）具有很强的抗干扰能力。负载变化且电网电压波动；此外，外部电压环路的响应速度非常快。
图 3 SSTT 级联整流器的等效电路图
图 4 基于瞬时功率平衡的电压环路
3.1.2 内环电流控制
d 和 q 平面上的级联整流器的等效电路图如图 5 所示，根据图 5，级联整流器的电网侧数学模型是多变量耦合和线性化模型
它以状态方程的形式表示：
其中icd和icq是状态变量，Usd和Usq是电网电压d-q变量Us，Ucd和Ucq是级联输出整流电压d-q变量Uc。根据上面的方程，有一个耦合在d轴和q轴的变量之间 数学模型。采用前馈解耦考虑引入电压耦合的策略补偿项Licd和Licq，以及牵引电网电压前馈项目 Usd和 Usq。当PI采用解耦控制，由基波控制的电压指令Ucdref和Ucqref是
图 5 在d 和q 平面上的级联整流器的等效电路图
3.2低阶谐波自抑制技术
由于 SSTT 的目标是减小体积和重量，因此级联整流器采用高压大功率模块。高压大功率模块的停滞时间长，支撑电容小；而且，直流侧的二次谐波产生波动将变得更大，并且在级联的整流器电流 i 中将产生大量的低阶谐波，包括三阶，五阶和七阶谐波。因此，有必要设计 SSTT 级联整流器控制策略的谐波抑制算法，以抑制级联整流器产生的低阶谐波。压制特定阶次谐波的分析，快速准确地分析指定阶次谐波是控制的先决条件。从准确性和实时性能出发控制的研究，一种基于数字带通和多次同步的谐波检测方法介绍了旋转参考系统。
图 6 表示了特定阶次谐波的检测原理。带通滤波器（BPF）的截止频率设置为 n 次谐波（nsup3;1）的频率，例如，对于 5 次谐波，将 BPF 的频率设置为 250 Hz。从电流 ic 的谐波分量获得电流的 n 次谐波分量 icn;通过电网电压 Us 的锁相环获得基波相位信息的正弦和余弦（sinomega;t，cosomega;t）。然后采用倍频算法获得电网电压 n 次谐波的相位信息。如第 3.1 节所述，对北谐波分量 icn 进行同步旋转 dq 变换，以计算 dq 参考系中 icn 的有功和无功分量的瞬时值 i 光盘；利用 iq对电流的去耦控制，是利用北谐波下的连接电抗的电阻值 nomega;L 实现的，从而得到 dq 同步参考系统下的电压指令Ucdn 和Ucqn。再次，进行 dq 逆变换以获得电压指令 Un的n 次谐波，这将相等分配给所有级联模块以计算 Un。在图 6 中，当 n=1 时，即电流是基波，有功电流参考值 idref 是由直流侧电压控制器调节的基本电流的有功分量，而直流侧电压由控制流入逆变器电流的基波的有源分量。如果全满，则 i 参考为零对电网的无功电流进行补偿，以确保电网的无功功率为零。当 n1 时，有功电流参考值 idref 和无功电流参考值iqref参考均为零，以完全抵消 n 阶电流谐波。
如图 7 所示，获得电压命令 Un（n 是谐引波阶数，即抑 制 每 个 阶 次 谐 波 电 流 的 每个H桥单元 的 nfrac14;3,5,7,11...)电压指令应叠加以获得级联整流器某个模块的总参考电
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