近年來(lái)，電力電子變壓器（Power Electronic Transformer, PET）由于具備體積小、質(zhì)量輕、電壓電流高度可控等優(yōu)勢(shì)，受到了廣泛關(guān)注，已成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。將PET應(yīng)用在軌道交通領(lǐng)域即電力電子牽引變壓器（Power Electronic Traction Transformer, PETT）能夠解決目前傳統(tǒng)工頻牽引變壓器功率密度和效率偏低的問(wèn)題，PETT通過(guò)采用電力電子技術(shù)和高頻化技術(shù)，可以減小牽引變壓器的體積和質(zhì)量，并且能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)調(diào)節(jié)，改善網(wǎng)側(cè)電能質(zhì)量。

由于電氣化鐵路牽引網(wǎng)電壓等級(jí)較高（我國(guó)為25kV/50Hz，歐洲為15kV/16.7Hz），現(xiàn)有的電力電子器件難以直接承受如此高的電壓，因此目前PETT裝置普遍在輸入側(cè)采用級(jí)聯(lián)形式。

• 西門子公司在2003年提出了基于級(jí)聯(lián)AC-AC模塊化多電平變換器的PETT拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)輸入側(cè)的AC-AC變換器提升電壓頻率，再經(jīng)過(guò)中頻變壓器的耦合傳遞到變壓器二次側(cè)，供后級(jí)使用。
• 法國(guó)阿爾斯通公司研發(fā)了一套新的牽引傳動(dòng)系統(tǒng)“e-Transformer”應(yīng)用于低地板列車中，該裝置輸入側(cè)采用級(jí)聯(lián)H橋變換器，中間隔離級(jí)采用帶多繞組變壓器的DC-DC變換器，其質(zhì)量相較于傳統(tǒng)工頻變壓器減輕了50%，整個(gè)裝置的體積也大為減小，且系統(tǒng)效率達(dá)到94%以上。
• 由于多繞組變壓器的制作工藝復(fù)雜，成本昂貴，ABB公司提出了輸入側(cè)為級(jí)聯(lián)H橋變換器，隔離級(jí)為帶獨(dú)立中高頻變壓器DC-DC變換器的PETT結(jié)構(gòu)，如圖1所示。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制簡(jiǎn)單、模塊化程度高、可實(shí)現(xiàn)冗余控制，具有明顯的優(yōu)勢(shì)。ABB公司研發(fā)了基于該結(jié)構(gòu)的PETT實(shí)驗(yàn)樣機(jī)并應(yīng)用于調(diào)車機(jī)車中。本文所研究的PETT同樣采用該結(jié)構(gòu)。

目前在級(jí)聯(lián)型PETT中比較常見的隔離型DC- DC變換器為雙有源橋式（Dual Active Bridge, DAB）變換器和LLC諧振變換器。對(duì)于DAB變換器，傳統(tǒng)的控制方法為單移相控制，通過(guò)移相控制來(lái)改變功率的大小和流向。LLC諧振變換器由于具備良好的軟開關(guān)性能，因此將其應(yīng)用在PETT中能夠顯著提升系統(tǒng)的功率密度。而傳統(tǒng)的LLC諧振變換器的變壓器二次側(cè)開關(guān)器件通常為二極管，故功率只能單向流動(dòng)，而在PETT的應(yīng)用場(chǎng)合，需要能將列車的再生制動(dòng)能量回饋到電網(wǎng)中，因此針對(duì)LLC諧振變換器的功率雙向流動(dòng)控制進(jìn)行研究。

有學(xué)者提出了采用全控器件作為開關(guān)器件的雙向CLLLC諧振變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，功率正向時(shí)控制一次側(cè)開關(guān)器件，二次側(cè)開關(guān)器件進(jìn)行不控整流；功率反向時(shí)控制二次側(cè)開關(guān)器件，一次側(cè)開關(guān)器件進(jìn)行不控整流。由于電路的對(duì)稱性，故變換器在功率正向和反向流動(dòng)時(shí)均能保持恒定的電壓增益，但是由于在變壓器二次側(cè)引入諧振元件，將導(dǎo)致變換器的成本增加。

有學(xué)者提出了一種LLC諧振變換器的功率雙向流動(dòng)控制策略，功率正向流動(dòng)時(shí)采用變頻控制；功率反向流動(dòng)時(shí)采用移相控制。這種方法雖然能實(shí)現(xiàn)功率雙向流動(dòng)，但是由于功率反向時(shí)為移相控制，難以保證所有器件實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)LLC諧振變換器的軟開關(guān)性能。

圖1 采用級(jí)聯(lián)H橋和DC-DC變換器的PETT拓?fù)?/p>

由于PETT通常由多個(gè)功率單元共同組成，各功率單元之間電氣元件參數(shù)難以保持一致，這將導(dǎo)致各單元的功率不平衡，影響系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。針對(duì)這一問(wèn)題，目前主要采用的是兩級(jí)控制的功率平衡控制策略，即前級(jí)級(jí)聯(lián)H橋變換器進(jìn)行電壓平衡控制，后級(jí)并聯(lián)輸出的DC-DC變換器進(jìn)行均流控制，兩者互相配合，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功率平衡。但這種控制策略導(dǎo)致級(jí)聯(lián)H橋各單元調(diào)制波獨(dú)立，影響輸入電流品質(zhì)，且在均流控制中需要使用電流傳感器，將造成系統(tǒng)成本進(jìn)一步增加。

基于上述研究現(xiàn)狀，本文對(duì)采用級(jí)聯(lián)H橋變換器和LLC諧振變換器的PETT展開研究，其拓?fù)淙鐖D2所示。級(jí)聯(lián)H橋變換器作為輸入級(jí)，輸出并聯(lián)的LLC諧振變換器作為輸出級(jí)。在輸入側(cè)采用級(jí)聯(lián)H橋變換器可以對(duì)交流側(cè)的功率因數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)并為后級(jí)的LLC諧振變換器提供穩(wěn)定的直流電壓。隔離級(jí)LLC諧振變換器對(duì)中間直流側(cè)電壓進(jìn)行變換和隔離最終得到系統(tǒng)輸出電壓，LLC諧振變換器具備良好的軟開關(guān)性能，將其應(yīng)用在PETT中能夠有效提升系統(tǒng)的功率密度，發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)。

圖2 采用級(jí)聯(lián)H橋和LLC變換器的PETT拓?fù)?/p>

基于該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本文主要研究了級(jí)聯(lián)H橋電壓電流雙閉環(huán)控制策略，分析了LLC諧振變換器的功率雙向流動(dòng)原理及增益特性，提出了采用變頻控制實(shí)現(xiàn)功率流向的自由切換方法。針對(duì)系統(tǒng)的功率平衡問(wèn)題，提出一種基于LLC諧振變換器的PETT功率平衡控制策略，由LLC諧振變換器進(jìn)行中間直流側(cè)電壓平衡控制進(jìn)而保證各單元功率平衡。搭建了三單元PETT的仿真模型和實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了所提出PETT控制策略的可行性和正確性。

圖22 三單元PETT實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

總結(jié)

本文研究了基于LLC諧振變換器的電力電子牽引變壓器，對(duì)LLC諧振變換器的功率雙向流動(dòng)控制策略和系統(tǒng)的功率平衡控制策略進(jìn)行了深入研究。分析了LLC諧振變換器的功率雙向流動(dòng)工作原理，研究了變換器在不同功率流向下的電壓增益特性，通過(guò)改變變換器的開關(guān)頻率實(shí)現(xiàn)能量的雙向流動(dòng)。分析了PETT的功率平衡原理，在各級(jí)聯(lián)H橋單元調(diào)制波相同的情況下，通過(guò)LLC諧振變換器進(jìn)行中間直流側(cè)電壓平衡控制即可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功率平衡控制。

在理論研究的基礎(chǔ)上，搭建PETT的仿真模型和實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，對(duì)所研究的控制策略進(jìn)行仿真和實(shí)驗(yàn)，仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所提出的控制策略效果良好，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了功率雙向流動(dòng)和功率平衡控制。