机车牵引电力电子变压器谐波研究

毕敬宇 徐玮宏  方坤荣 闫东旭  薛倩 王振宇

中车大连机车车辆有限公司    辽宁大连   116022

摘要： 随着半导体技术发展 ，电力电子变压器PET（Power Electronic Transformer）成为研究热点，相较于传统工频机车牵引变压器，它不但具有体积小、能量密度大、重量轻，而且可以调节变压器原、副边电压、电流和功率。针对电力电子变压器变流器是非线性元件，会产生谐波，为消除谐波对输入电压的影响，需进行滤波处理。

关键词：电力电子变压器；滤波；中高频变压器：固态变压器     

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机车牵引变压器，主要由线圈、铁心、引线、油箱钢结构及其它附件组成。电力电子变压器由源边电感滤波器、高压变流器、中高频变压器组成。由于PET含有整流器、逆变器，成为非线性环节，是个谐波源，为抑制输入机车电压波动，需要对输入电压进行滤波。

1.工频牵引变压器与电力电子变压器

电力机车的电力牵引传动主要采取交-直-交传动方式，工作原理是：机车从接触网受流，经过机车牵引变压器降压，变压器输出单相交流电并由脉冲整流器变换成直流电，经中间直流电路输出给牵引逆变器。工频牵引变压器具有简单、可靠和成本低的特点，但其体积较大、重量重及空载损耗高。机车交-直-交牵引供电原理如图1所示。

             图1机车交-直-交牵引供电原理图

PET是一种包含电力电子连接及含有中频隔离级的装置。相对于传统工频牵引变压器，PET具有更高的功率密度和频率，能够减小机车牵引变压器的重量及体积。图2为电力电子变压器单元拓扑图。其工作过程为：单相工频输入交流电压经单相整流器变换为直流电压；再通过一个单相全桥逆变电路将调制成为高频方波后加载至高频电变压器，高频方波耦合至变压器副方，被还原为直流电压；最后，通过牵引逆变器为牵引电机提供所需的三相交流电。

图2 电力电子变压器单元拓扑图

中高频变压器作为电力电子变压器的一部分，是提供高频电压等级的变化、电气隔离及能量传输的设备。

中高频变压器与牵引变压器主要有以下差异：

（1）冷却方式不同：牵引变压器主要采取强迫导向油循环风冷。而电力电子变压器一般采取柜体内安装，冷却方式采用自然冷却、强迫风冷和液态冷却。

（2）工作频率不同：牵引变压器工作频率是50或60Hz，而中高频变压器工作频率较高，一般在400Hz～15kHz。

（3）铁心材料不同。牵引变压器的铁心主要采用冷轧硅钢片，而中高频变压器铁心材料采用坡莫合金、铁氧体、纳米晶合金等导磁材料。

2.电力电子变压器谐波分析

PET单相PWM整流器基本结构如图3所示。其中为网侧电压，为VSR交流输入电压，R为VSR的等效电阻与线路等效电阻之和，L为交流滤波电感，C为直流滤波电容，为直流电阻负载，S与D分别为主开关管和其对应的反并联二极管。

图3  单相PWM整流器等效电路图

在理想情况下，脉冲整流器从网侧吸收与网压同相位的正弦交流电流：

                   （1）

                 （2）

输入瞬时功率为：

                       （3）

将式（1）和式（2）代入（3）化简：

           （4）

采用平均状态等效模型，瞬时输出功率为：

               （5）

式中和分别为直流电压和负载电流的平均值，为直流电压的波动值。

忽略传输损耗，输入瞬时功率等于输出瞬时功率：

                    （6）

令输入有功功率等于输出有功功率，则得到：

    （7）

此时，实际整流器输出直流电压为：

               （8）

由上述分析可知实际输出的直流电流含有二次谐波分量，根据PWM原理：

               （9）

将式（8）代入式（9）可知此时调制波中含有一定的三次谐波分量。由图3所示电路可知，此时电感电压将产生三次谐波，将导致电网电流产生三次谐波分量。三次谐波电流通过整流器将导致电网电流产生五次谐波分量，以此类推，可知网侧电流中将含有奇数次谐波分量。

3.谐波分解抑制策略

经验模态分解法，小波包分解法，小波分解法，SSA奇异谱分析等可以对信号进行分解。牵引网输入机车电压低次谐波远多于高次谐波。为了抑制基频附近的低次谐波，需要在电压调节中加入滤波技术，可以过滤2次谐波，3次谐波和5次谐波，从而减小低次谐波的干扰。电子电子变压器由于输入端电感的存在，可以大幅度滤除高次谐波。二阶广义积分器(Second-Order Generalized Integrator，SOGI）可以过滤高次谐波，但不能完全消除基波附近低次谐波。延迟信号消除（Delayed Signal Cancellation,DSC）可以消除特定的低次谐波，但有延迟。SOGI与级联DSC相结合方式对输入机车电压进行滤波，既能达到滤波目的，又可以避免过多延时。

结束语

综上所述，由于PET能够提供更大的功率密度和效率，不仅减少了工频变压器所需的铁心和导线用量，而且具备电压或电流可控、断路器等功能，因此采用PET的机车牵引传动系统成为机车牵引领域的发展方向之一。但机车实际应用存在一定的问题，PET含有变流器，成为非线性环节，是个谐波源，会对机车和牵引网产生谐波，变压器线圈会产生额外的电阻损耗，铁损增加，采用滤波技术可以减少损耗，提高变压器效率。随着电力电子变换技术的发展和电力电子器件技术的进步，电力电子器件性能的提高、成本的降低，使之取代传统变压器成为可能。

参考文献

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[2]袁歆.电力机车电力电子变压器研究[D].湖南大学，2016.

[3]毛承雄，王丹，等.电力电子变压器[M].北京：中国电力出版社，2010.

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