基于DPWM,的动车辅助变流器仿真研究
时间：2023-02-23 11:00:07 来源：千叶帆 本文已影响人
王天博， 赵 芳
（中车永济电机有限公司， 陕西 西安 710016）
在电力电子领域中，电压空间矢量调制（SVPWM）以其独特优点，已经成为一种被广泛研究应用的脉宽调制技术[1]。SVPWM源于交流电机控制技术，通过一种特殊的开关触发顺序和脉宽大小的组合，输出三相互差120°电角度、失真较小的正弦波。由于该方式直流电压利用率高，且易于数字化实现，已被广泛运用到变流器控制中。
动车的辅助变流器是辅助系统中重要的环节，它主要为牵引冷却风机以及车厢内部设备供电，保证高速列车长时间的安全、稳定运行[2]。使用传统7 段式SVPWM调制策略时，需要6 次开关动作，随着开关频率的提高，功率半导体开关损耗逐渐增大，辅助变流器的散热负担加重，严重时将危害变流器的运行。
为解决变流器发热问题，本文介绍一种不连续空间矢量调制策略（DPWM），通过分析该策略的基本原理，提出扇区内的发波方式，并结合某型号动车辅助变流器进行仿真验证，通过与传统SVPWM方式的输出波形对比，体现出DPWM的优点。
1.1 电压空间矢量合成
动车辅助变流器一般采用三相桥式结构，图1 为辅助变流器的等效电路图，其中abc 为三相桥臂，LC为滤波器，N 为变压器中性点，U、V、W 为三相输出。定义a、b 和c 为1 时，表示该桥臂的上管导通；
为0时，表示该桥臂的下管导通。为防止桥臂短路，上下管不能同时导通。三相输出电压可使用旋转电压矢量Uout来表示：
辅助变流器有3 对桥臂开关管，共有8 种组合方式，即8 种空间矢量，分别是000、001、010、011、100、101、110 和111[2]，将这8 种状态命名为U0～U7，其中U0和U7为零矢量，该状态下无能量流动。
1.2 Clark 变换
由于式1 计算合成矢量较为复杂，通常使用Clark 变换，将三相电压从abc 静止坐标系转到αβ 静止坐标系中，计算合成矢量，变换如下：
将8 种组合的基本空间矢量映射至αβ 坐标系中，即可以得到如图2 所示的电压空间矢量图，其中有效的空间矢量将平面划分为6 个扇区。
2.1 矢量作用时间
DPWM调制与SVPWM的基本原理类似，均是在一个控制周期，选择与参考电压在空间上最接近的两个电压矢量作为基本矢量[3]，以减小开关损耗为目的，对电压矢量进行排序。
六个基本电压矢量围成正六边形平面，模长均为2/3Udc，参考电压矢量在正六边形内切圆内旋转，速度为调制波的角速度，该区域称为线性调制区，在此区域工作能够保证输出电压为正弦波。根据伏秒平衡原则，如图3 所示，利用扇区Ⅰ为例分析，得到下式：式中：TS为三角载波的周期；
T1、T2为两个基本矢量作用时间；
T0、U0对应零矢量作用时间和模长；
U6、U4为扇区Ⅰ的基本空间矢量。式3 表明了在TS周期内参考电压矢量的累积，与两个基本矢量在T1、T2时间内累积之和是等效的。
利用平行四边形法则，将基本空间矢量分别向α轴和β 轴做投影，图3 中T1、T2时间可由式（5）和式（6）计算：
2.2 发波方式
传统SVPWM 策略为了降低输出电压谐波，2 个零矢量均参与到扇区内的矢量合成，组成7 段式序列，DPWM策略在任意时刻都有某一相不进行开关动作，将7 段式降为5 段式序列，在一个载波周期内的切换次数也由6 次降低至4 次[4]，使得器件的损耗降低为SVPWM调制的2/3，将会增加一部分谐波含量。
根据插入零矢量的不同，DPWM可分为DPWMMAX、DPWMMIN、DPWM0～DPWM3，共六种。其中DPWMMAX、DPWMMIN在6 个扇区内仅使用U0矢量或U7矢量，为半周期调制，会导致逆变器的桥臂损耗分布不平衡，不适用于中高压大功率逆变器[5]。DPWM2、DPWM3对扇区进一步划分，每30°使用U0或U7矢量，该方法实现复杂，软件计算量较大。DPWM0、DPWM1将U0和U7轮流插入到6 个扇区中，每个扇区零矢量只使用一次，也称作60°调制，该方式控制简单易于实现，能够减少器件开关损耗且功耗分布均匀。
本文使用DPWM0调制，在Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ奇数扇区插入U0矢量，Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ偶数扇区插入U7矢量，脉冲时序如图4 所示。SA、SB、SC表示三个桥臂上管的开关状态，Ta、Tb、Tc为矢量切换时刻。对于扇区Ⅰ，为保证最少开关次数，按照U6-U4-U0-U4-U6的顺序组合基本矢量，SC保持为关断状态。对于扇区Ⅱ，按照U2-U6-U7-U6-U2的顺序组合基本矢量，SB保持为导通状态。可见无论在扇区内工作还是扇区间切换，都保证每次只有一个开关动作，并且是对称发波，这样能够减少逆变器输出纹波。其他扇区可按此方式发波。
6 个扇区内3 个桥臂的矢量切换时间如表1 所示：
表1 矢量切换时间
以某型号动车组的辅助变流器为参考，在MATLAB/Simulink 软件中进行建模仿真，使用阻感负载来模拟风机、水泵，为方便对比分析，对DPWM 调制和传统7 段式SVPWM调制均进行仿真。
3.1 逆变器输出电压分析
下页图5 为采用两种调制方式的逆变器输出电压对比，可见这两种方式的输出线电压约为380 Vrms，而且波形较为平滑，无严重畸变。
3.2 谐波分析
下页图6 为输出电压波形的FFT 分析，可见由于每个扇区内DPWM仅有1 个零矢量参与合成，使得某一相开关管保持与直流母线相连，产生了较为丰富的谐波，与SVPWM 相比谐波含量较大，但总谐波失真为1.57%，而设计指标为输出电压THD≤5%，因此，能够满足要求。
3.3 功耗对比
图7-1 为A 相上桥臂开关管的功耗波形，其中虚线采用DPWM 调制，实线采用SVPWM 调制。图7-2 为两种功耗的差值，以DPWM 为基值进行比较，由于DPWM调制减少了开关动作，功耗明显减小。
为降低辅助变流器的功耗，本文在传统SVPWM调制的基础上，通过重新分配每个扇区内的零矢量，组成5 段式DPWM调制。经过仿真验证，采用DPWM调制的逆变器输出电压波形好，能够满足设计要求，同时降低了开关管的损耗，适用于对散热较为敏感的场合。
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