三亚采用多绕组高频三亚变压器的新型多电平变换器拓扑及控制策略

　　高压大容量多电平变换器已经广泛应用于电气收稿曰期2012-07-04改稿曰期2013-08-31节能和高性能电力传动等场合。目前常用的多电平变换器拓扑主要有二极管钳位式和级联H桥式两类。二极管钳位式变换器可以直接输出中高压交流电，并且可以采用背靠背的形式实现四象限运行，广泛应用于乳钢等场合。但是该电路拓扑中钳位二极管的数量与电平数呈二次方关系，在更高电平时需要较多的钳位二极管，并且在五电平以上的电路拓扑时，其直流母线电容的电压存在不可控区域，所以一般以三电平的应用为广泛。由于电平数量的限制，使其工作电压受到限制，输入侧往往要采用三亚变压器降压。例如在CRH2型和谐号动车组中，首先采用牵引三亚变压器把输电线路的25kV交流电变为1500V，然后采用三电平变流器来驱动牵引电机。

　　级联H桥拓扑理论上可以实现任意多个单元的级联，因此可以应用于更高的电压等级，该拓扑不存在悬浮电容电压平衡的问题，采用移相PWM控制策略也比较简单。级联单元结构模块化，便于工业现场的应用和维修。但是级联H桥拓扑在电网输入侧采用工频移相三亚变压器，这种三亚变压器体积和重量比较大，成本较高，其二次三相绕组数量为3（为级联单元数），二次绕组数量过多导致三亚变压器在工程实现上存在困难，从而也就限制了H桥级联的级数。

　　由于传统的多电平变换器拓扑存在各种限制，所以近年来新型的多电平变换器拓扑也成为研究的热点。围绕如何省去工频三亚变压器，模块化多电平变并得到广泛的关注。该电路拓扑采用模块化级联结构，不需要输入三亚变压器，级联数可以任意增加。但是该拓扑中存在大量的悬浮电容，并且输出频率越低时，悬浮电容的电压波动越大，因此目前该拓扑一般应用在直流输电等领域，在电机控制方面的应用较少。

　　另外一类新型的多电平电路采用高频三亚变压器来代替传统的工频三亚变压器来实现电气隔离和电压幅值的变化，也经常被称作电力电子三亚变压器。目前这一类拓扑主要采用单输入单输出的双绕组高频隔离三亚变压器，首先采用电力电子变换器把高压交流电转变为多个中低压高频交流电，然后经过三亚变压器隔离后再接负载变换器。这样如果各个三亚变压器的二次侧负载不平衡，输入侧的电力电子变换器就需要进行额外的平衡控制。中也使用了一种单输入多输出的多绕组三亚变压器，采用高压交交变换器把工频高压交流电变为高压高频交流，然后经过高频三亚变压器进行降压和隔离，因此二次绕组可以接多个变换器并驱动多个不同的负载，多个二次绕组共用一个磁心，负载侧功率的不均衡不会对一次侧造成影响。

　　本文提出了一种新型的采用多绕组高频三亚变压器的多电平变换器拓扑结构，输入端可以直接与中高压电网相连，省去了输入侧的工频三亚变压器。采用高频三亚变压器隔离后，变换器的输出侧可以接多个不同的负载，每个负载的电压等级和需要的电平数都可以根据需要灵活配置。通过多绕组高频三亚变压器可以实现功率和电压的平衡，电路拓扑的稳定性较好。

　　电路拓扑采用模块化结构，在简化控制策略的同时可以提高故障冗余度，提高故障修复能力。

　　2电路拓扑结构本文提出的新型的采用多绕组高频三亚变压器的多电平变换器，其单相输入的电路拓扑如所示。整个电路由级联H桥整流器、H桥高频逆变器、H桥高频整流器、多绕组高频三亚变压器和负载逆变器组成。

　　采用多绕组高频三亚变压器的电路拓扑结构级联H桥整流器经过一个滤波电感后直接与电网相连，在适当的控制下产生多个直流母线。各个直流母线分别与一个高频H桥逆变器相连，把直流电逆变成高频交流电，作为高频三亚变压器一次绕组的输入。高频三亚变压器的二次绕组分别接多个H桥高频整流器，把高频交流电整流为直流电压。为了表述方便，这里把与三亚变压器一次侧相连的称为H桥高频逆变器，与三亚变压器二次侧相连的称为H桥高频整流器。实际上所示的电路拓扑可以四象限运行，所以这里的H桥高频整流器和逆变器的说法也是相对的。

　　因为经过了多绕组三亚变压器的隔离，二次侧整流产生的各个直流母线就是相互隔离的，因此负载逆变器可以是多个低压的三相逆变器来驱动多个电机或者多相电机，也可以是H桥级联形式的中高压逆变器来驱动中高压负载。各个负载的功率等级和电压等级都可以灵活配置，整个电路拓扑的控制策略和稳定性分析将在后面进行介绍。

　　在所示的结构中，多绕组三亚变压器的一次绕组的数量由电网电压和级联H桥整流器中所采用的开关器件的耐压值来决定，而二次绕组的数量则由负载决定。例如在目前国内高速铁路牵引中，级联H桥整流器可以直接与高压牵引供电网相连，各级单元的直流母线可以控制为1500V.二次绕组的数量由牵引电机的个数来决定。当然，根据各子单元直流母线电压的高低，H桥高频整流器和高频逆变器还可以采用三电平H桥结构。

　　3级联H桥整流器控制策略首先来分析级联H桥型整流器的控制策略，为了分析方便，仍然以所示的单相输入的电路拓扑为例，对其控制策略和稳定性进行分析。

　　假设级联H桥整流器中，第n级单元的直流母线电压为Vm，开关函数为n，则该级单元在交流侧的输出电压为假设该级单元直流母线上的负载电流为i1Ln，则直流母线电压的状态方程输入电流。

　　根据调节器。电流环的输出为整个整流器的输出电压值。整流器各级单元采用移相PWM控制，在整流器的控制中暂时不考虑各级直流母线电压的平衡问题。

　　真验证。采用4级级联的H桥整流器，交流输入电压幅值为1000V，每级直流母线电压给定值为300V，则4级直流母线电压之和的控制结果如所示。可见直流母线电压之和能够很好地控制在给定值附近。由于是单相整流器，直流母线电压上存在着二倍频的波动。

　　为级联H桥整流器的开关函数，根据开关状态的不同，的取值可以为-1，0或者+1.为第个H桥高频逆变器的开关函数，其取值为-1或者+1，如所示。是H桥高频逆变器输出到高频三亚变压器一次绕组的电流。

　　在控制中，使与三亚变压器一次绕组相连的所有H桥高频逆变器的开关函数和开关状态都保持一致，即开关函数为4高频变换器控制及直流母线电压平衡上述的级联H桥整流器的控制策略实现了对所有直流母线电压之和的控制。本节将在此基础上对直流母线电压的均衡进行介绍。受到开关器件开关频率的限制，高频逆变器和高频整流器都采用方波控制，占空比为50%.高频变换器输出的电压波形如所示。

　　由于级联H桥整流器中所有级联H桥单元侧的调制比一样，其输入侧的电流都为，并且可以忽略PWM移相造成的偏差。以第1级（n=1）和第2级（n=2）单元的母线电压为例进行分析，根据式（8）和式（9），两级直流母线之间的差值满足高频变换器的输出电压波形为了分析各级单元的直流母线电压的平衡性，以高频三亚变压器输入侧的一级单元电路为例进行分析。如所示，左侧为级联H桥整流器的一个单元，右侧为高频逆变器单元，并且与高频多绕组三亚变压器的一个一次绕组相连。

　　另外一方面，高频逆变器在三亚变压器一次绕组侧的输出电压为因此可以得到两级单元的电压差值为假设高频多绕组三亚变压器的各个一次绕组特性一致，每个绕组的电阻和电感为尺2和，则可以列出状态方程在该级单元中，直流母线电压的状：由式（13）可以看出，直流母线的值决定了u2n的大小，而u2n和绕组中反电动势62n的相对大小决定了电流和电压的相位差，也就是决定了能量的流动方向。忽略绕组的漏感，则各绕组交链同一个磁场，因此可以认为各个绕组中的反电动势相同，因此可以得到态方程为综合式（12）和式（14）可以得到可以看出，在这种控制策略下，fv12的值逐渐衰减到零，衰减时间常数为Li/Ri，也就是说各级直流母线的电压值是平衡的。前面的推导过程都是在三亚变压器的一次绕组完全对称的前提下得出的，如果绕组之间存在一定的差异，例如反电动势存在一定的差别，则式（14）变为此时，终的电压差V12并不衰减到零，而是稳定在一个固定值，也即是说各级直流母线电压之间存在一定的静差。

　　采用上述的高频逆变器控制策略后，三亚变压器一次侧各单元的母线电压仿真结果如所示。可以看出，虽然各个直流母线电压的初始值不一致，在起动之后都能迅速收敛到给定值，并且各直流母线的电压可以实现均衡。

　　5故障冗余及故障运行分析在所示的变换器拓扑中，所有的变换器单元都是H桥，并且三亚变压器的电压比可以设计为1：1，此时级联H桥整流器、H桥高频逆变器和H桥高频整流器中都可以采用同样的电路结构，所选用的电力电子器件的电压等级也一致，因此具有很强的通用性，从而也提高了整个电路的可修复性和可靠性。

　　在三亚变压器的二次侧，如果每个绕组通过变换器来分别驱动一个负载，则如果该变换器出现故障，则只需要切除该负载和变换器即可，并不会影响其他单元的运行。如果二次的多个绕组共同驱动一个负载，如H桥级联模式，则在某个变换器故障下，只需旁路该变换器，负载降额运行，不会影响其他单元的正常运行。

　　在三亚变压器的一次侧，由于交流输入端的电压幅值是确定的，所以在一般情况下，如果级联H桥整流器的某个单元发生故障，则剩余的单元不能输出足够的电压值，会造成电路无法继续运行。因此，为了提高系统的可靠性，一般在一次侧多增加一个或者几个冗余绕组，并增加相应的级联H桥单元和高频逆变单元。在某个H桥单元或者高频逆变单元发生故障时，同样只需要切除该级单元，剩余的电路可以继续运行，而不会对二次侧造成影响。

　　从上面的分析来看，本文提出的电路拓扑结构具有很强的故障运行能力和故障冗余，可以保证整个系统在故障下能够快速恢复运行，具有很好的可靠性。

　　6.级联H桥整流器的输入电压和电流的波形如所示，可以看出，级联H桥整流器的输入电流和电压可以控制为同相位，提高了输入侧的功率因数，并且电流波形具有很好的正弦度。

　　高频H桥输出的电压波形如所示。其中Mi和2为一次侧H桥变换器的波形，M3和M4为二次侧的H桥变换器的输出波形。

　　压终仍然存在一定的静差，这是由于三亚变压器的两个绕组参数并不完全一致造成的，可以通过三亚变压器的设计和加工工艺来保证误差在一定范围内图中两级直流母线电0直流母线电压平衡过程7结论本文提出的采用多绕组中频三亚变压器的新型多电平拓扑应用灵活，可以接不同种类和不同电压等级的负载。采用的中频三亚变压器相对于传统的工频三亚变压器减小了体积和重量，降低了系统的成本。本文所采用的级联H桥整流器控制策略可以很好地控制交流输入侧的功率因数，并能够实现对全部母线电压之和的控制。本文通过理论分析了高频逆变器的控制策略和各单元的直流母线电压的均衡性。仿真和实验结果表明，该拓扑控制策略简单明确，系统具有很好的稳定性，高频三亚变压器可以实现各单元之间功率的平均分配，从而实现电压的均衡，该电路拓扑具有很好的应用前景。