CRH1与CRH2动车组牵引变流器性能比较与优化

朱琴跃，王俊哲，刘爱雷

同济大学电子与信息工程学院，上海 201804

CRH1与CRH2动车组牵引变流器性能比较与优化

朱琴跃，王俊哲，刘爱雷

同济大学电子与信息工程学院，上海 201804

1 引言

动车组是固定编组、动力分散、配备现代化服务设施的旅客列车单元，具有高速、平稳、舒适、节能等特点。我国从20世纪80年代开始对动车技术开展研究，在引进、消化和吸收国外动车先进技术的基础上，借鉴动车技术发达国家的设计和开发经验，迄今为止已自主研发、设计并生产了CRH1、CRH2、CRH3和CRH5四大系列高速动车组。作为时下国内使用率最高的CRH1和CRH2型动车组，其原型车分别是瑞典庞巴迪公司的Regina C2008和日本新干线E2-1000，多年来关于其关键部件及核心技术的国产化研究一直广受关注。目前高速动车组的电力牵引方式为交-直-交传动，其牵引变流器主要包括网侧变流器（LCM）、中间直流环节和电机侧变流器（MCM）[1]，这三个环节构成动车组牵引传动系统能量传递与转换的核心部件。

为此，本文以CRH1A和CRH2A型动车组的关键部件-牵引变流器为研究对象，对两种车型牵引变流器主电路及其控制策略分别进行仿真研究。通过比较分析两种主电路结构及其控制策略对各自变流系统网侧和负载侧电气性能影响的差异，同时结合对相应优化控制方法的仿真研究，提出相应的结论，以期为今后CRH1、CRH2等动车组牵引变流器的设计和优化提供一定的建议和指导。

2 CRH1A和CRH2A牵引变流器概述

CRH1A和CRH2A动车组的牵引变流器整体结构相似，但主电路拓扑及其对应的控制策略又有很大差异。

2.1 CRH1A和CRH2A动车组牵引变流器对比

我国铁路供电网为25 kV/50 Hz的单相交流电，CRH1A动车组牵引变流器采用两重两电平四象限脉冲整流器，将主变压器二次侧900 V交流电变为1 650 V直流电，再经过两电平三相逆变器变为可调压调频的三相交流电；而CRH2A动车组牵引变流器采用三电平四象限脉冲整流器，将1 500 V交流电转换为3 000 V直流电后，经过二极管钳位式三电平三相逆变器变为可调压调频的三相交流电。两种牵引变流器结构和电气参数对比如表1和表2所示。

表1 两种牵引变流器结构对比

表2 两种牵引变流器电气参数对比

2.2 CRH1A和CRH2A型动车组牵引变流器优缺点比较

2.2.1 网侧变流器

CRH1A动车组网侧变流器采用两重四象限脉冲整流器[2]，由两台二电平四象限整流器并联而成，其载波错开一定角度，整车五台网侧变流器的触发脉冲也依次相移一定角度，一方面抵消输入变流器的高次电流谐波，减小输出脉动；另一方面一台变流器失效时系统可继续运行，提高行车可靠性。但由于变流器为两电平，存在系统容差，低次谐波难以滤除，网侧必须设有谐波吸收环节以降低对电网的冲击性破坏，此外如果整车网侧变流器因故障部分切除运行，其高次谐波抑制能力也会大幅下降。

CRH2A动车组网侧变流器为三电平四象限脉冲整流器[3]，采用载波移相调制，网侧电流波形更接近于正弦波，输出谐波能量小；功率管个数增加一倍，其耐压能力也相应增强，输出效率高，网侧功率因数几乎为1。缺点在于其控制方式较为繁琐、主电路拓扑结构复杂、存在中点电压不平衡等问题。

2.2.2 中间直流环节

CRH1A动车组的中间直流环节包括由4个电容和1个电感串联而成的二次谐波滤波电路，用以平衡脉冲整流器输出电流的2倍网频脉动能量，提高输出直流电能的品质。除此之外还包括支撑电容、预充电电路和再生泄放回路等电路，与CRH2A的中间直流环节相似。不同的是，CRH2A动车组的中间直流环节没有二次谐波滤波电路，通过调整脉冲整流器的控制策略和设定适当的支撑电容参数来消除低次谐波，节省了车载设备的占用空间，减小列车故障检测和设备维护的规模[4]。

2.2.3 电机侧变流器

CRH1A动车组电机侧变流器为两电平三相逆变器，结构简单，易于实现变压变频控制（VVVF），进而调节负载电机的转矩和转速。再生制动时又可将电机产生的三相交流电整流后逆向传递给直流环节，最终实现功率回馈给电网。其缺点在于输出电压为两电平，脉动较大，谐波含量高，负载电流的正弦度较差，负载发生变化时对网侧电能影响更大。

CRH2A动车组电机侧变流器为三电平三相逆变器，输出电压为三电平，电能脉动小，基波能量高，负载电流正弦度好，输出电能受负载变化影响不明显，且桥式结构中每桥臂功率管个数多出一倍，相应承受的电压更小，延长了集成化功率模块（IPM）的使用寿命，再生制动时向直流侧传递的功率也更平稳。但其结构和控制方法相对复杂，每个桥臂脉冲序列要求有严格的逻辑关系和时序，功率管个数增加也给故障诊断和状态监测带来了一定的困难。

3 CRH1A和CRH2A牵引变流器的仿真研究

本文利用Matlab/Simulink软件分别搭建了CRH1A、CRH2A牵引变流器的仿真模型，根据系统运行结果对变流器的输入输出特性进行了分析和比较。为便于讨论，建模中不考虑负载电机的矢量控制环节，而采用三相对称阻感负载代替额定工作的电机负载。

3.1 脉冲整流器的瞬态电流控制法

CRH1A和CRH2A动车组的整流器控制方式均采用正弦脉宽调制（SPWM），调制波的产生采用瞬态电流控制法[5]，即PWM控制信号是由基于瞬态电流法而产生的调制电压信号与三角载波信号叠加而成[6]，瞬态电流法的基本工作原理如图1所示。

图1 瞬态电流法产生调制信号原理图

调制电压信号的计算如式（1）～式（4）。

其中，KP、Ki为PI调节器参数；Ud、Ιd、UN分别为直流侧电压、直流侧电流和网侧电压的有效值；Uref为中间直流电压给定值；uN(t)、iN(t)、us(t)分别为网侧电压、网侧电流和调制电压的瞬时值[7]。

3.2 CRH1A和CRH2A型动车组牵引变流器仿真建模

CRH1A型动车组牵引变流器模型主要包括以下三个部分：两重四象限脉冲整流器、中间直流环节、两电平三相逆变器[8]。若参数配置为：输入AC900 V/50 Hz，二次滤波电容7.06 mF、电感359 μH，支撑电容10 mF，调制方式为单极性三角载波调制，载波频率450 Hz，每台整流器载波错开90°相角，则基于Matlab/Simulink软件搭建的变流器仿真模型如图2所示。

CRH2A动车组牵引变流器模型也主要包括三部分：三电平四象限脉冲整流器、中间直流环节和三电平三相逆变器[9]。其中整流器和逆变器均采用二极管钳位式三电平桥式结构，且参数设置为：输入AC1 500 V/50 Hz，变压器二次侧漏感4.3 mH，支撑电容4.25 mF×2，调制方式为载波移相双极性调制，载波频率1 250 Hz[10]，则基于Matlab/Simulink软件搭建的变流器仿真模型如图3所示。

3.3 仿真结果与分析比较

3.3.1 中间直流电压波动

假设分别带载1 060 kW和1 200 kW情况下，CRH1A和CRH2A变流器仿真模型运行稳定后，其各自的中间直流电压及对应的局部放大波形对比如图4所示。由图可知：CRH1A变流器在牵引状态下整流器输出1 650 V直流电压，中间直流电压波动不超过±25 V，电压脉动比为1.52%； CRH2A变流器在牵引状态下整流器输出3 000 V直流电压，中间直流电压波动不超过±20 V，电压脉动比为0.67%。由此可见，CRH2A变流器中间直流电压更加稳定。

图2 CRH1A型动车变流器仿真模型

图3 CRH2A型动车变流器仿真模型

图4 CRH1A和CRH2A动车中间直流电压

3.3.2 整流器输入特性

虽然CRH1A和CRH2A变流器均采用四象限脉冲整流器，且都基于瞬态电流法产生调制信号，但由于两种变流器主电路结构和变换电平数不同，导致各自的输入特性存在很大差异。由图5所示的仿真结果可知，CRH2A的调制电压信号正弦度更好，与载波叠加后的脉冲序列更有利于SPWM控制方式。同时，由图6所示的仿真结果可知，CRH1A整流器的输入电压只有+Uab和-Uab两种电平，而CRH2A有±Uab、±Uab/2、0五种电平，使得其输出直流电压更稳定。

图5 CRH1A和CRH2A调制电压

图6 CRH1A和CRH2A整流器输入电压

观察图7中所示的网侧电流波形发现，CRH2A变流器稳定工作时网侧电流畸变程度更小。另外，从图8所示的网侧电流谐波分析中可知，在不考虑整车变流器组载波信号移相消除高次谐波的情况下，如果CRH1A的网侧不增加谐波吸收电路，其电流谐波畸变率超过40%，谐波能量集中在10倍网频，很容易引起电力公害；而单台CRH2A变流器的网侧电流谐波畸变率仅为8.84%，谐波能量主要集中在第3、5、7次，高次谐波含量很小。

图7 CRH1A和CRH2A网侧电流

图8 CRH1A和CRH2A网侧电流谐波分析

3.3.3 逆变器输出特性

由图3可知，由于CRH2A逆变器为三电平结构，每个桥臂有4个功率管，较CRH1A逆变器而言，其耐压能力得到提升，负载电压波形如图9所示；同时，在相同开关频率情况下，其脉冲序列数和负载相电压电平数更多，带感性负载时相电流更接近正弦波。分析比较图10所示的仿真结果后可以看出：CRH1A负载相电流谐波畸变率为6.14%，谐波能量集中在第8、10、12次；而CRH2A负载相电流谐波的畸变率为2.89%，2次谐波含量较高。由此可见，CRH2A逆变器输出的交流能量对负载影响更小，有利于减小负载电机的转矩脉动。

图9 CRH1A和CRH2A负载电压波形

图10 CRH1A和CRH2A负载电流谐波分析

对上述两类变流器模型变流性能的仿真结果进行分析和比较后可知，CRH2A变流器正常工作时对网侧冲击小，中间直流电压更平稳，负载侧输出电能谐波含量少，整流和逆变的交流输入、输出量频谱特性明显优于CRH1A。

很显然，主电路结构及其控制策略是决定变流器输入输出特性的关键因素。上述两类变流器中采用的SPWM调制方式虽然控制简单，易于实现，但由于存在死区时间和开关管损耗，随着变流器电平数的增加其输入输出谐波分量也相应增多。为此下文将对SVPWM控制方式在CRH2A变流器中的应用进行探究，以期弥补其性能方面存在的不足，为今后变流器的优化设计提供理论指导。

由此可见，随着对于类比推理研究的深入，对类比推理的定性的说明逐渐变成了定量的、精确的描述。而要对类比推理进行细致的刻画，需要从两个方面入手：一是要建立一种知识表达的体系，用于表示始源和目标中相关概念的内涵，分析概念之间的关系和概念系统的结构；二是要探讨类比推理的计算模型，使得类比推理在各个阶段都遵循相应规则而具有较高的可靠性。

4 基于SVPWM的CRH2A变流器仿真建模和分析

4.1 SVPWM基本原理

SVPWM技术是以三相异步电机定子理想磁链圆为参照，控制三相逆变器各桥臂开关模式作适当的切换，以实际磁链矢量来追踪定子准确磁链圆。与SPWM调制不同，SVPWM是将逆变器和电机看做一个整体作为控制对象，模型结构更简单，便于微处理器实时控制[11]。

对三电平桥式电路而言，其每个桥臂分别有Ud/2、0、-Ud/2三种输出结果，相应地，每种输出对应的开关状态分别表示为P、O、N。若假设各桥臂输出的开关状态对应的开关变量分别为Sa、Sb、Sc，则逆变器可输出27种电压组合状态[12]，其空间电压矢量可定义为：

空间电压矢量的合成原则是通过逆变器输出电平及其作用时间的有限组合，获得多边形的电压矢量轨迹，进而逼近圆形的旋转磁通[13]。由图11可知，在每个采样周期内空间电压矢量可由其所在区域端点的三个基本矢量合成，按照每周期内功率管开关变化次数最少原则确定每个基本矢量的作用顺序，再根据伏秒平衡方程计算每个基本矢量的作用时间，最终产生PWM逻辑信号序列，从而控制逆变器功率管的开断[14]。

图11 三电平空间电压矢量分布图

4.2 SVPWM脉冲发生器的仿真建模

根据前述原理，本文建立的SVPWM调制信号发生模型如图12所示。本模型分为5个子模块：扇区选择、空间电角度转换、小区选择、基本矢量作用时间计算和PWM脉冲发生模块。在每个采样周期内，首先根据矢量合成原则计算给定三相信号合成的空间电压矢量，判断其空间电角度theta和所在扇区N，然后将该矢量变换到α-β坐标系判断其在该扇区内的小区序号n，再确定基本矢量及其作用顺序，计算每个基本矢量的作用时间Ta、Tb、Tc，并将其对应到逆变器全桥的功率管组合状态，最终产生PWM序列[15]。

图12 SVPWM调制脉冲发生器仿真模型

4.3 基于SVPWM的CRH2A变流器仿真分析

在仿真参数及变流器主电路结构不变的前提下，现对图3所示的CRH2A变流器仿真模型改用SVPWM控制方式，经仿真运行后得到其中间直流电压及其局部放大波形如图13所示。从图中可以看出，采用SVPWM控制方式后，CRH2A变流器中间直流环节的电压波形更平稳，最大波动不超过±15 V，偏差率仅为0.50%。

图13 基于SVPWM的CRH2变流器中间直流电压

图14 基于SVPWM的变流器网侧和电机侧电流谐波分析

另外，为了进一步研究SVPWM控制方式对CRH2A变流器动态特性的影响，下面对变流器工作在网压不稳和负载突变两种情况下的中间直流电压输出特性进行了模拟仿真和对比。

在网压不稳的工作情况下，假设CRH2A变流器在运行过程中2.5 s时主变压器二次侧电压突降20%，3.4 s时再突升20%，其中间直流电压波形分别如图15所示。由图可知，当网侧电压出现波动时，CRH1A变流器中间环节输出响应较慢，直流电压恢复所需时间更长；同时，CRH2A变流器在SVPWM控制方式下中间直流电压恢复快，但其超调比SPWM控制方式高。

图15 网压不稳时中间直流电压对比

在负载突变的情况下，假设变流器工作在2 s时切除20%的负载，3 s时切除全部负载，电机进入空载状态，其相应的仿真结果如图16所示。由此可知，SVPWM控制方式下负载变化时对中间直流环节电压影响较高，恢复稳态后其波动相对于SPWM控制方式更小。

图16 负载突变时中间直流电压对比

综合以上仿真分析后可知：SVPWM控制方式在变流器进入稳定工作状态后对于变流器网侧和负载侧电量影响更小，电流正弦度更好，谐波含量低；在网压不稳和负载突变的情况下，SPWM控制方式对于中间直流侧电压变化影响更小，但动态响应较慢，恢复至稳定工作状态时，其直流电压波动仍高于SVPWM控制方式。

5 结论

牵引变流器的主电路拓扑结构对于其输入输出性能具有一定的影响，随着电平数的增加，网侧谐波能够得到有效的抑制，中间直流侧的电压纹波也更小，输出电压引起的负载转矩脉动减小，并且负载电流波形更接近正弦波。而采用不同的牵引变流器控制策略也能够提升其输入输出性能及动态特性，根据仿真结果，SVPWM调制法相比传统的SPWM调制法，变流器负载侧电气参数变化时对直流侧及供电网产生的扰动更小，系统响应及恢复更快。

综上所述，本文在对CRH1A和CRH2A型动车组牵引变流器分别进行仿真建模的基础上，对比分析了两种不同结构和控制方式的变流器输入输出特性，提出了各自的优势和不足。并基于此探究了空间矢量脉宽调制（SVPWM）控制策略在CRH2A型动车组变流器中的仿真应用，初步验证了该控制策略对改善变流器输入输出及动态性能的效果。本文的研究成果将对现有CRH1和CRH2型动车组变流器性能的改善和优化提供一定的方法，同时也为动车组核心部件及相关技术的国产化研究和优化设计提供理论参考。

[1]谢舸.高速列车牵引传动系统仿真分析[D].杭州：浙江大学，2011.

[2]李勇.CRH1型动车组牵引传动系统仿真研究[D].成都：西南交通大学，2012.

[3]江承武.CRH2三电平牵引整流器的控制研究[D].成都：西南交通大学，2011.

[4]邓学寿.CRH2型200 km/h动车组牵引传动系统[J].机车电传动，2008（4）：1-7.

[5]李晓翔.脉冲整流器在牵引变流器中的应用[D].成都：西南交通大学，2010.

[6]朱闻名，贺升学.四象限脉冲整流器的一种控制方法与仿真[J].北京电力高等专科学校学报，2011，28（1）.

[7]张子林，徐文娟，杨光.单相PWM整流器瞬态直接电流控制的仿真研究[J].变频器世界，2011（12）：67-71.

[8]李瑞荣，谭喜堂，许春生.CRH1型动车组牵引系统的仿真研究[J].城市轨道交通，2012，15（6）：78-83.

[9]何国军，王旭峰.CRH2动车组三电平PWM整流器仿真及谐波分析[J].电力学报，2010，25（6）：455-457.

[10]许韵武，邓小军，鄢桂珍，等.CRH2型200 km/h动车组[J].机车电传动，2007（3）：39-44.

[11]金永顺.三电平逆变器SVPWM方法的分析与研究[D].长沙：湖南大学，2010.

[12]蒲思培，杨美传，陆强.某型动车组用SVPWM三电平逆变器仿真[J].机车电传动，2011（5）：17-20.

[13]鹿水，陈其工，江明.基于MAΤLAB的三电平逆变器SVPWM仿真研究[J].安徽工程大学学报，2012，27（1）：46-49.

[14]肖永涛，朱理.基于SVPWM控制的三相三电平逆变器仿真研究[J].机械与电子，2010（15）：77-79.

[15]葛兴来，冯晓云.动车组牵引传动三电平逆变器SVPWM控制[J].西南交通大学学报，2008，43（5）：566-572.

[16]Bose B K.Modern power electronics and AC drives[M].北京：机械工业出版社，2006：39-156.

ZHU Qinyue,WANG Junzhe,LIU Ailei

School of Electronics and Information Engineering,Τongji University,Shanghai 201804,China

Τhe performance of EMU traction converter is one of the most important factors for evaluating EMU’s operation safety and efficiency.Τhis paper takes CRH1A and CRH2A EMU converters as research objects,and carries out research on two converters’performance analysis and optimization based on Matlab/Simulink software.Τhis paper accords to actual design parameter of two converters’main circuits and builds up simulation models separately,then makes a comparison and analysis of the effects on system’s in-out performance imposed by main circuits’structures and their control methods.Based on this,this paper researches into SVPWM control method’s effect on improving converter in-out characteristics and dynamic performance applied to CRH2A EMU converter.Τhe conclusion is preliminarily verified by simulation modeling.Τhe results and data are basically consistent with expecting objectives.

traction converter;4 Quadrant Converter（QC）rectifier;inverter;Sinusoidal Pulse Width Modulation（SPWM）; Space Vector Pulse Width Modulation（SVPWM）;harmonic analysis

动车组牵引变流器的性能是评估动车组安全高效运行的重要指标之一。以CRH1A和CRH2A型动车组牵引变流器为对象，基于Matlab/Simulink仿真软件对两种变流器的性能及其优化进行了研究。根据两种变流器主电路实际设计参数分别建立了各自的仿真模型，比较和分析了相应主电路结构及其对应的控制策略对系统输入输出性能的影响。在此基础上，探究了空间矢量脉宽调制SVPWM控制策略应用在CRH2A型动车组变流器中对改善变流器输入输出特性及动态性能的效果，通过仿真建模初步验证了该结论。仿真结果和数据基本符合预期目标。

牵引变流器；四象限整流器；逆变器；正弦脉宽调制（SPWM）；空间矢量脉宽调制（SVPWM）；谐波分析

A

ΤP391

10.3778/j.issn.1002-8331.1304-0299

ZHU Qinyue,WANG Junzhe,LIU Ailei.Research on performance comparison and optimization of traction converter for CRH1&CRH2 EMU.Computer Engineering and Applications,2013,49（21）：255-261.

朱琴跃（1970—），女，博士，副教授，研究领域为电气设备检测和故障诊断技术，车载设备与控制；王俊哲（1988—），男，硕士研究生，研究领域为电气设备检测和故障诊断技术；刘爱雷（1988—），男，硕士研究生，研究领域为电力系统继电保护和故障诊断。E-mail：zqymelisa@tongji.edu.cn

2013-04-22

2013-07-23

1002-8331（2013）21-0255-07