电力电子牵引变压器优化控制策略探究

电力电子牵引变压器优化控制策略探究

李锐

（四川电力工程建设监理有限责任公司四川成都610056）

摘要：电力电子变压器（PET）属于一种将电子和传统工频进行结合的新型变压器，它的主要特点是体积小、质量轻、可靠性较高等，能够有效改善机车的运行状况。首先本文对电力电子牵引变压器（PETT）进行分析，提出多模块结构，通过对PETT进行分析，来说明其优化方式。

关键词：电力电子牵引变压器；双移项优化控制；均压均流控制

电力电子牵引变压器是通过高频转换的技术来提升变压器的频率，能够改善以往的变压器，实现变压器的小型化和轻质量化，处于中间位置的变压器主要是实现隔离和改变电压的作用。

一、电压电子变压器主电路拓扑

PETT其常见的拓扑结构有许多单元并联所组成[1]，每个单元中由中频变压器高压侧电路，中频变压器和中频变压器低压侧电路所组成，由于中频变压器高压侧变换器的设计不同，所以存在三种方法，第一种是通过周波变换器，将频率升高，但这种方法复杂，放弃这种方法,而第二种变换方案是通过中频变压器高压侧采用矩形变换器进行变换，将频率提升，但是这种方式无法对输入电流进行直接控制，电流的环动性能较差，其余的功能也不易实现，并且这种变换器的生产过程较为复杂，使用不方便，所以放弃[2]。第三种方案是中频变压器高压一侧使用直流环节的AC/DC/AC变化器来进行变换，在本文中将采用这套方案。

本文中PETT所采用的拓扑结构是由多个输入进行串联来实现的、并且输出并联的模块结构，在每一部分的模块结构中，中频变压器一侧使用AC/DC/AC的变压器来进行变换，这样便可以升高频率，中频变压器二次侧是脉冲整流器，可以把交流电源转变为直流，转换后的直流电能够通过三相逆变器来控制电机。

在前文中所使用的拓扑结构，相比其它结构具有以下几个方面的优势：

（一）该拓扑结构是将多个单元模块进行拼接组合而成，可以实现电流较低时列车的牵引，保证了输出功率，这种设计结构增加了列车安全性。

（二）这种拓扑结构能够实现冗余设计，当某一个模块出现问题无法正常运转时，可以将该模块隔离开，其余模块依然能够完成运转工作，这使得列车运输变得更加安全，一定程度上有规避危险的功能。

（三）这种拓扑结构是由变压器和IGBT联合形成的H桥结构，具有相当强的集成能力，方便在工业中批量生产，并且该技术较为成熟。

二、电力电子牵引变压器的控制方式

电力电子牵引变压器的控制方式是将每个模块之间的电压、电流和能量进行平衡控制，在下面文章中，将会分别从这两个方面来进行描述PETT的控制方式。

（一）单元模块的控制

单相脉冲整流器中的控制方法是双闭环控制方式，将电流环作为结构的内环，控制器为准PR控制器；电压环作为外环，使用PI作为整个结构的控制器。其控制框图如下图所示。

图1.PWM整流器控制框图

电压环使用PI控制器，能够将输出的电压迅速稳定在误差所允许的范围之内。电流环所采用的是PR控制器，该控制器和PI控制器相对比具有更强的空干扰能力，和PR相对比这种控制器能够减小输出电流对整个系统的影响。其传递函数所示：

G（s）=KP+(2KRωcs)/(S2+2ωcs+w02)

我们将PR控制器的参数作为选取目标其中KP=1，KR=20，ωC=62.8，ω0=314。由以上公式我们可以得出控制器的波特图，如下图所示。PR控制器在基波频率处辐射特性是A（ω0）=27dB，这种控制方式大体上能够达到零稳态误差，相角裕度则是无穷大。从仿真图2中我们也能够看出PR控制器有很好的稳定裕度和暂态性能，可以实现一定波动的电网频率偏移。

图中Udc1为DC/DC输出电压，Udc2是输出电压，I0是输出电流，K是变化器变比。如果单元模块的功率输出增大，则其电流也会相应增大，△θ会相应减小，从而使得输出功率减小，以达到平衡功率的目的。

四、结束语

随着我国高铁的不断发展，PETT技术必将得到更加广泛的应用。在本文中提出了一种能够在高铁上使用的电力电子牵引变压器的主拓扑结构，并且以这个作为基础分析控制策略，此外可以利用仿真实验来确定其是否具有可行性。

参考文献：

[1]刘红.高速铁路动车牵引变压器及用油分析[J].石油商技，2010，06（10）：10-15.

[2]张雪原，吴广宁，何常红，等.车载牵引变压器小型轻量化研究[J].机车电传动，2007，（4）：5-8.

[3]邓卫华，张波，胡宗波.电力电子变压器电路拓扑与控制策略研究[J].电力系统自动化，2013,27（20）：40-44.

[4]李立，赵葵银，徐昕远，等.单相PWM整流器比例谐振控制与前馈补偿控制[J].电力系统保护与控制，2010,09:75-95.

[5]武琳，刘志刚，洪祥.隔离式双向全桥DC-DC变换器的功率控制特性比较与分析[J].电工技术学报，2013,10:179-187.