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基于新型谐振控制器的辅助逆变器控制策略

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资料介绍

随着轨道交通在整个城市交通系统中的作用日益凸显,辅助逆变器的应用也越来越广.本文首先介绍辅助逆变器的几种常见结构,分析其各自优缺点.其次针对分裂电容式逆变器可能出现的中点电位偏移和不平衡负载问题,从本质上对其进行了探讨,提出了一种基于新型谐振控制器的解决方法并对这种控制器的特点和参数设计进行了详细分析.接着本文构建了基于S-Function的仿真模型,通过S-Function最大限度的模拟实际DSP系统的运算时序,验证控制策略的有效性.最后本文进行了中点电位偏移和不平衡负载实验,充分验证了新型谐振控制器在这两方面均具有优越的性能.

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V01．28 No．8

2013年8月

电工技术学报

OFCHINA ELECTROTECHNICAL

SOCIETY

第28卷第8期TRANSACTIONS

Aug．

基于新型谐振控制器的辅助逆变器控制策略

尧

刘志刚

陈杰

刁利军杜会卿

付

(北京交通大学电气工程学院北京

100044)

摘要随着轨道交通在整个城市交通系统中的作用日益凸显，辅助逆变器的应用也越来越广。

本文首先介绍辅助逆变器的几种常见结构，分析其各自优缺点。其次针对分裂电容式逆变器可能

出现的中点电位偏移和不平衡负载问题，从本质上对其进行了探讨，提出了一种基于新型谐振控

制器的解决方法并对这种控制器的特点和参数设计进行了详细分析。接着本文构建了基于

s—Function的仿真模型，通过S-Function最大限度的模拟实际DSP系统的运算时序，验证控制策

略的有效性。最后本文进行了中点电位偏移和不平衡负载实验，充分验证了新型谐振控制器在这

两方面均具有优越的性能。

关键词：城市轨道交通辅助变流器中点电位偏移不平衡负载谐振控制器

中图分类号：TM46

Basedon

Research of

Inverter Control

Strategy

NewResonant Controller

Auxiliary

Yao

Liu

ChenJie Diao

Lijun

Zhigang

00044 China)

Huiqing

(School ofElectric

University Beijing

Engineering，Beijing Jiaotong

role of rail

Abstract With

in the entire urban

increasingly prominent

transportation

transport

inverter

are

used．First

introduces

all，the

paper

system，auxiliary

applications

increasingly being

their

and

respective advantages

several common structures and

disadvantages．Secondly，the

analyzes

offset and unbalanced load in

inverter are discussed in essence．The

midpoint potential

split-capacitor

control

based on the new resonant

the characteristics

controller,and

paper presents

and

strategy

analyzes

constructs the simulation model

paper

of the new controller in

detail．Then，the

parameters design

based on S—Function andsimulates the

of actual DSP_system．andverifies the effectivenessof

sequence

the control

carries out

about

offset and

midpoint potential

system．Finally,the paper

experiment

unbalanced

demonstraes That thenew resonant controller has

superior performance ^{in these}

load，which

twoareas．

rail

Keywords：Urban

offset，unbalanced load，

transit，auxiliary inverter，midpoint potential

resonant contr01ler

辅助逆变器作为轨道交通车辆中不可缺少的部

分，也随着大量轨道交通项目的推进而日益引起人

们的重视。辅助逆变器的作用是将受电弓中

DCl500V(地铁)或DC750V(轻轨)转换成AC380V

以供给车载用电设备。

引言

随着中国城市化的推进，轨道交通在大中城市

交通体系中的作用日益凸显。因为轨道交通具有污

染小、运力大和安

全性高等突出优点，必将成为解

决城市交通瓶颈最有效的方法之一。

车载用电设备复杂多样，通常包括空调(变频

或不变频)、空气压缩机、照明、电热和计算机等。

通过对负载类型进行详细划分，可将其分成如下几

类：①不平衡负载(电热，或单相负载)；②非线性

国家”}|_一五”科技支撑计划(2006BAG02800，2007BAAl2807)

和北京交通大学基本科研业务专项(2012JBM099)资助项目。

收稿日期2012-05．1

改稿日期2013-01．14

万方数据

108

电工技术学报

2013年8月

负载(变频空调、计算机电源等电力电子器件参与

的负载)；③泵类负载(普通空调、空压机等)；

④敏感负载(接触器线圈、计算机等)；⑤普通负载

(照明等)。

对于中点电位偏移问题，通常采取电容电压检

测进行抑制：对于不平衡负载问题则采取对称分量

法进行控制【6，71，但是这两种控制方法均较复杂，特

别是对称分量法对零序电压的抑制效果并不好【8】。

本文提出一种基于新型谐振控制器的控制系统，这

种控制器对不平衡负载有非常强的抑制能力，并且

能有效抑制分裂电容的中点偏移。

从以上分类可以看出，辅助逆变器的负载几乎

涵盖了目前能遇到的各种负载类型，在如此复杂多

变的负载条件下，仍要求其能输出较高的电能质量，

否则会影响敏感负载工作。例如，对于接触器线圈，

如果输出电压存在较大直流偏置，将使接触器误动

作甚至烧毁。这就对逆变器控制提出了更高要求。

目前逆变器结构主要分为两大类：一类是四桥

臂逆变器【1'2】，这种逆变器对不平衡负载有非常好的

控制效果，然而增加的第四桥臂除了提高控制难度

外还增加成本；目前应用较多的是传统的三桥臂逆

变结构【3-5】，这种结构又可分为输出接变压器式(包

括A／YO变压器【3】和中点形成变压器NFTt4】)和分裂

电容式[51，A／YO变压器没有零序分量【3】，控制较简

单，但工频变压器的体积、重量和成本均较高因而

限制了这种结构的推广，目前应用较广的是输出接

中点形成变压器式和分裂电容式，如图l所示。西

门子公司在城市轨道交通车辆中采取中点形成变压

器的方式，ABB公司等则采取分裂电容的方式。分

裂电容逆变器的分裂电容既支撑电压，又提供零点

电位以流通不平衡电流，因此体积和重量较大。对

于目前常见5000h的铝电解电容，长时间的不平衡

电流易使其损毁：另外，这种结构需要采取特殊的

控制方式来防止中点电位偏移。NFT逆变器最明显

的优点是减小了滤波电容和支撑电容的压力，减小

逆变器的空载损耗(几乎只剩下变压器的励磁损耗)。

但是增加的NFT也增加了成本、体积和重量。可以

说，这两种方式互有优缺点，是目前轨道交通领域

应用较为广泛的两种拓扑。

控制目标

根据文献[9]的分析，单相半桥逆变器可建立如

图2所示模型，图2中G。(s)为电压控制器。三相分

裂电容式逆变器在采取三相独立控制时，也可建立

相同模型。

图2逆变器模型

The model ofthe inverter

Fig．2

根据图2可得

(1)

“。=G(s)u。f—Z(s)i。

(2)

G(s)2瓦再G恧v(Si)面

‘3’

酗2瓦再L万s+ri鬲

式中，Uref为电压指令；U。输出滤波电容电压(即

负载电压)；L、，．、c为滤波电抗器；为电抗器寄

生电阻；为滤波电容；i。为负载电流。

从图2及式(1)～式(3)可看出，如果要使

逆变器有最佳的控制效果，在理想情况下，可通过

控制G。(s)，使得

』G(s)一

lz(s)=0

(4)

(a)分裂电容逆变器

这样对于任何负载，逆变器都能实现无静差跟

踪。然而，实际却因为计算延时[11】，离散耦合‘12]

等情况使得式(4)只能近似满足。

控制策略

(b)NFT逆变器

本文提出一种新型谐振控制器。传统谐振控制

器的推导方法可参考文献[10]，传统谐振控制器的

推导过程较为繁琐，并且物理意义也并不清晰。本

图1 两种不同结构

Two different

topologies

Fig．1

万方数据

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