- 頭條電力電子牽引變壓器的控制新策略，可實現功率雙向流動和平衡控制2020-09-17 作者：劉建強、趙楠、孫幫成、汪洋、齊洪峰 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語北京交通大學電氣工程學院、中車工業研究院有限公司技術研究部的研究人員劉建強、趙楠、孫幫成、汪洋、齊洪峰，在2019年第16期《電工技術學報》上撰文指出（論文標題為“基于LLC諧振變換器的電力電子牽引變壓器控制策略研究”），采用電力電子牽引變壓器取代傳統工頻變壓器可實現高速列車牽引變壓器小型化、輕量化的目標。 針對由級聯H橋變換器和LLC諧振變換器組成的電力電子牽引變壓器，首先研究級聯H橋變換器的電壓電流雙閉環控制策略，分析LLC諧振變換器功率反向流動的工作原理及變換器增益特性，提出采用變頻控制實現功率雙向流動的控制方法。為解決系統的功率平衡問題，提出一種基于LLC諧振變換器的功率平衡控制策略。 該方法前級級聯H橋變換器只進行基本控制，通過對后級LLC諧振變換器進行電壓平衡控制，從而實現系統的功率平衡。搭建電力電子牽引變壓器仿真模型和實驗樣機，仿真和實驗結果表明所提出的控制策略能夠實現功率雙向流動，且各功率單元的傳輸功率保持一致，實現了系統的功率平衡。
近年來，電力電子變壓器（Power Electronic Transformer, PET）由于具備體積小、質量輕、電壓電流高度可控等優勢，受到了廣泛關注，已成為國內外研究的熱點。將PET應用在軌道交通領域即電力電子牽引變壓器（Power Electronic Traction Transformer, PETT）能夠解決目前傳統工頻牽引變壓器功率密度和效率偏低的問題，PETT通過采用電力電子技術和高頻化技術，可以減小牽引變壓器的體積和質量，并且能夠實現對網側功率因數調節，改善網側電能質量。
由于電氣化鐵路牽引網電壓等級較高（我國為25kV/50Hz，歐洲為15kV/16.7Hz），現有的電力電子器件難以直接承受如此高的電壓，因此目前PETT裝置普遍在輸入側采用級聯形式。
- 西門子公司在2003年提出了基于級聯AC-AC模塊化多電平變換器的PETT拓撲結構，通過輸入側的AC-AC變換器提升電壓頻率，再經過中頻變壓器的耦合傳遞到變壓器二次側，供后級使用。
- 法國阿爾斯通公司研發了一套新的牽引傳動系統“e-Transformer”應用于低地板列車中，該裝置輸入側采用級聯H橋變換器，中間隔離級采用帶多繞組變壓器的DC-DC變換器，其質量相較于傳統工頻變壓器減輕了50%，整個裝置的體積也大為減小，且系統效率達到94%以上。
- 由于多繞組變壓器的制作工藝復雜，成本昂貴，ABB公司提出了輸入側為級聯H橋變換器，隔離級為帶獨立中高頻變壓器DC-DC變換器的PETT結構，如圖1所示。該拓撲結構控制簡單、模塊化程度高、可實現冗余控制，具有明顯的優勢。ABB公司研發了基于該結構的PETT實驗樣機并應用于調車機車中。本文所研究的PETT同樣采用該結構。
目前在級聯型PETT中比較常見的隔離型DC- DC變換器為雙有源橋式（Dual Active Bridge, DAB）變換器和LLC諧振變換器。對于DAB變換器，傳統的控制方法為單移相控制，通過移相控制來改變功率的大小和流向。LLC諧振變換器由于具備良好的軟開關性能，因此將其應用在PETT中能夠顯著提升系統的功率密度。而傳統的LLC諧振變換器的變壓器二次側開關器件通常為二極管，故功率只能單向流動，而在PETT的應用場合，需要能將列車的再生制動能量回饋到電網中，因此針對LLC諧振變換器的功率雙向流動控制進行研究。
有學者提出了采用全控器件作為開關器件的雙向CLLLC諧振變換器的拓撲結構，功率正向時控制一次側開關器件，二次側開關器件進行不控整流；功率反向時控制二次側開關器件，一次側開關器件進行不控整流。由于電路的對稱性，故變換器在功率正向和反向流動時均能保持恒定的電壓增益，但是由于在變壓器二次側引入諧振元件，將導致變換器的成本增加。
有學者提出了一種LLC諧振變換器的功率雙向流動控制策略，功率正向流動時采用變頻控制；功率反向流動時采用移相控制。這種方法雖然能實現功率雙向流動，但是由于功率反向時為移相控制，難以保證所有器件實現軟開關，無法實現LLC諧振變換器的軟開關性能。
圖1 采用級聯H橋和DC-DC變換器的PETT拓撲
由于PETT通常由多個功率單元共同組成，各功率單元之間電氣元件參數難以保持一致，這將導致各單元的功率不平衡，影響系統運行的可靠性。針對這一問題，目前主要采用的是兩級控制的功率平衡控制策略，即前級級聯H橋變換器進行電壓平衡控制，后級并聯輸出的DC-DC變換器進行均流控制，兩者互相配合，實現系統的功率平衡。但這種控制策略導致級聯H橋各單元調制波獨立，影響輸入電流品質，且在均流控制中需要使用電流傳感器，將造成系統成本進一步增加。
基于上述研究現狀，本文對采用級聯H橋變換器和LLC諧振變換器的PETT展開研究，其拓撲如圖2所示。級聯H橋變換器作為輸入級，輸出并聯的LLC諧振變換器作為輸出級。在輸入側采用級聯H橋變換器可以對交流側的功率因數進行調節并為后級的LLC諧振變換器提供穩定的直流電壓。隔離級LLC諧振變換器對中間直流側電壓進行變換和隔離最終得到系統輸出電壓，LLC諧振變換器具備良好的軟開關性能，將其應用在PETT中能夠有效提升系統的功率密度，發揮其優勢。
圖2 采用級聯H橋和LLC變換器的PETT拓撲
基于該拓撲結構，本文主要研究了級聯H橋電壓電流雙閉環控制策略，分析了LLC諧振變換器的功率雙向流動原理及增益特性，提出了采用變頻控制實現功率流向的自由切換方法。針對系統的功率平衡問題，提出一種基于LLC諧振變換器的PETT功率平衡控制策略，由LLC諧振變換器進行中間直流側電壓平衡控制進而保證各單元功率平衡。搭建了三單元PETT的仿真模型和實驗樣機，仿真和實驗結果驗證了所提出PETT控制策略的可行性和正確性。
圖22 三單元PETT實驗平臺
總結
本文研究了基于LLC諧振變換器的電力電子牽引變壓器，對LLC諧振變換器的功率雙向流動控制策略和系統的功率平衡控制策略進行了深入研究。分析了LLC諧振變換器的功率雙向流動工作原理，研究了變換器在不同功率流向下的電壓增益特性，通過改變變換器的開關頻率實現能量的雙向流動。分析了PETT的功率平衡原理，在各級聯H橋單元調制波相同的情況下，通過LLC諧振變換器進行中間直流側電壓平衡控制即可實現系統的功率平衡控制。
在理論研究的基礎上，搭建PETT的仿真模型和實驗樣機，對所研究的控制策略進行仿真和實驗，仿真和實驗結果表明所提出的控制策略效果良好，系統實現了功率雙向流動和功率平衡控制。
