基于MATLAB的地铁牵引三电平逆变器仿真

高杰 徐斌

摘 要：目的：定性的分析三电平逆变器在地铁牵引供电系统中的应用。方法：分析了逆变器在地铁牵引系统中的作用，介绍了基于SVPWM算法的二极管中点嵌位式三电平逆变器的工作原理及相对应的算法，并使用MATLAB2017a/Simulink对三电平逆变器进行仿真。结果：逆变器三相输出电压为标准三相电压，负载电压可趋向于标准三相电，通过低通滤波可使输出相电压趋向于平滑。结论：基于SVPWM算法的二极管中点嵌位式三电平逆变器具有一定的可靠性，能够较好地满足电力牵引工程需要。

关键词：三电平逆变器；牵引供电系统；SVPWM算法；Simulink

中图分类号：TM922.3 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）13-0018-02

Abstract： Objective： to qualitatively analyze the application of three-level inverter in metro traction power supply system. Methods： the function of inverter in metro traction system is analyzed. The principle and algorithm of diode neutral spot embedded three-level inverter based on SVPWM algorithm are introduced. The three-level inverter is simulated by MATLAB2017a/Simulink. Results： the output voltage of inverter is standard three-phase voltage， the load voltage can tend to standard three-phase voltage， and the output phase voltage can be smoothed by low-pass filter. Conclusion： the three-level inverter based on SVPWM algorithm has certain reliability and can meet the needs of electric traction engineering.

Keywords： three-level inverter； traction power supply system； SVPWM algorithm； Simulink

1 概述

地铁作为一种安全绿色的城市轨道交通方式，不仅解决了大中型城市交通拥堵问题，而且为人们出行带来了极大便利。伴随着全国各大城市对地铁需求的不断增加，其可靠性、安全性要求也越来越高。地铁牵引供电系统，作为向城轨车辆提供牵引电能的关键组成部分，其安全可靠性直接关系到整个地铁电力机车的稳定运行[1]。电力牵引供电系统是指从电力系统或一次供电系统接受电能，通过变压、变相或换流后，向电力机车负载提供所需电流制式的电能，并完成牵引电能传输、配电等全部功能的完整系统。牵引供电系统的性能直接影响列车牵引功率的发挥和牵引传动控制系统的性能[2]。

逆变器是一种电能转换和优化的电气装置，现已被广泛地应用于家电、汽车、交通等直流供电系统中。然而，随着高压大功率电力电子装置的发展，逆变器从最初的两电平向三电平以上的多电平持续发展.三電平逆变器是多电平逆变器中结构最简单、使用最广泛的一种电路，相对于传统的两电平逆变器，三电平逆变器主要优点在于：开关管承受电压小，仅为直流母线电压的一半；逆变器输出端电流谐波含量低；器件具有很强的正向阻断电压能力；系统损耗小、转换效率高等[3]。牵引变流器是列车关键部件之一，安装在列车动车底部，其主要功能是转换直流制和交流制间的电能量，把来自接触网上的1500V直流电转换为0～1150V的三相交流电，通过调压调频控制实现对交流牵引电动机起动、制动、调速控制。本文使用MATLAB2017a/Simulink对三电平逆变器进行仿真，以定性的分析三电平逆变器在地铁牵引供电系统中的应用。

2 三电平逆变器工作原理及算法设计

2.1 原理

三电平逆变器主电路现在采用的是比较实用的二极管中点嵌位电路，通过一对中点箱位二极管分别与上下桥臂串联的二极管相。所谓三电平是指逆变器交流侧每相输出电压相对于直流侧有三种取值，正端电压（+Vdc/2）、负端电压（-Vdc/2）、中点零电压（0）。二极管箱位型三电平逆变器主电路结构如图1所示。逆变器每一相需要4个IGBT开关管、4个续流二极管、2个箱位二极管；整个三相逆变器直流侧由两个电容C1、C2串联起来来支撑并均衡直流侧电压，C1=C2。通过一定的开关逻辑控制，交流侧产生三种电平的相电压，在输出端合成正弦波[4-6]。

以A相为例，A相输出与相关开关状态关系如表1所示。值得注意的是，逆变器A相输出可在状态间变化，正电平状态和负电平状态需经零电平状态过渡。

2.2 SVPWM算法

SVPWM是近年发展的一种比较新颖的控制方法，是由三相功率逆变器的六个功率开关元件组成的特定开关模式产生的脉宽调制波，能够使输出电流波形尽可能接近于理想的正弦波形。空间电压矢量PWM与传统的正弦PWM不同，它是从三相输出电压的整体效果出发，着眼于如何使电机获得理想圆形磁链轨迹。SVPWM技术与SPWM相比较，绕组电流波形的谐波成分小，使得电机转矩脉动降低，旋转磁场更逼近圆形，而且使直流母线电压的利用率有了很大提高，且更易于实现数字化[7-8]。

3 基于MATLAB的三电平逆变器仿真

本文使用MATLAB2017a/Simulink对三电平逆变器进行仿真，为符合实际要求，本文选用母线电压输入为DCV1500V，各元器件选取参量一致，对三电平SVPWM控制方法下研究系统的50Hz频率输出、输出电压以及不同负载输出电流进行仿真研究，仿真结果见图3所示。

4 结束语

如图3所示，逆变器母线电压选取DCV1500V和DCV1000V时，逆变器三相输出电压为标准三相电压，负载电压可趋向与标准三相电，各段输出电压具有一定“毛刺”，造成这种结果的原因可能是负载组选取参数的原因，当负载电感参数提高时，负载端电压“毛刺”较为凸显。为模拟电力供电系统供牵拉电组发生阶跃式故障，如短路、短路、对地漏电等，本文将母线电压发生间越跳转，即从DC1500V直接跳转到DC1000V，再从DC1000V跳转到DC1500V，输出三相电压也会发生阶跃式变化，有电压脉冲现象产生。当对输出电压进行低通滤波时，可有效的规避阶跃式故障、带来的电压脉冲现象，此时，输出电压趋向于平滑。本文主要通过分析二极管箝位型三电平逆变器的组成及控制原理，以及SVPWM控制方法，并使用MATLAB/Simulink对由SVPWM方法为控制核心的二极管箝位型三电平逆变器各性能进行了仿真实验，实验结果显示三电平逆变器的输出电压经滤波后波形近似于正弦波，SVPWM算法可有效地使用于三电平逆变器中，该方法的正确性和可行性，能够较好地满足工程需要。

参考文献：

[1]黎云富.地铁直流牵引网故障测距[D].西南交通大学，2016.

[2]刘敏军，宋平岗，许期英.轨道交通车辆电力牵引控制系统[M].清华大学出版社，2014，07.

[3]周鑫，张华伟，徐路钊，等.三电平逆变器简化SVPWM算法仿真与实现[J].郑州轻工业学院学报（自然科学版），2015，5/6（30）：117-120.

[4]柳明.单相三电平H桥多模块级联变换器的SVPWM算法研究[D].西南交通大学，2017.

[5]方辉.三相逆变（整流）器调制与模型预测控制算法研究[D].西南交通大学，2016.

[6]张志刚，黄守道，胡存刚，等.三电平SHEPWM与SVPWM混合控制策略及其矢量平滑切换方法的研究[J].电工技术学报，2015，30（14）：342-349.

[7]方辉，吴瑕杰，宋文胜，等.过调制区内三电平SVPWM与CBPWM算法的统一性研究[J].中国电机工程学报，2015，35（08）：1993-2001.

[8]宋文胜，冯晓云.一种单相三电平SVPWM调制与载波SPWM内在联系[J].电工技術学报，2012，27（06）：131-138.