铁路车辆用电力电子变压器的技术发展策略分析

摘要：电力电子技术快速发展背景下，电力电子变压器应用功能愈发全面，除能量传输、电压变换、电气隔离等基础功能外，增加了谐波治理、电子互联、无功补偿、新能源并网等功能，在轨道交通牵引、电动汽车快充、飞机系统等领域，具有十分广泛的应用前景。本文基于多年个人电力车辆管理、维修，工机具维修等经验，针对铁路车辆用电力电子变压器的技术发展策略提出几点个人见解，以期为相关工作开展提供参考。

关键词：铁路车辆;电力电子变压器;电能变换;交换器;谐波

近些年，我国铁路事业发展迅猛，电力电子变压器作为电力电子变换器及高频变压器组成，具有交流电压、隔离电气功能的新型电能变化装置，是铁路电动车组不可或缺的关键设备^[1]。伴随电气化交通及新型能源互联网技术发展，电力电子变频器开始朝向小型轻量化发展。根据其工作原理，频率越低，变压器体积越大，重量越重，小型轻量化面临较多限制条件，然而，半导体技术的发展为目标实现提供可能，在该技术支撑下，变压器可随意变更工作频率，变压器体积和重量也明显降低。20世纪90年代，日本就将半导体技术融入电力电子变压器研发，利用隔离型DC-DC变化器进行辅助，随后欧洲也开发了用于主回路的电力电子变压器，为后续电力电子变压器技术发展提供借鉴。

1 电力电子变压器工作原理

电力电子变压器工作原理：通过电力电子变化技术实现变压器运转，可借助输入级电力电子整流器，将输入工频信号整流为直流电，再由逆变器转换为高频交流电压信号^[2]。信号通过高频隔离变压器后，耦合至副边，在经过一个电力电子整流器整流为直流电压信号，信号经过输出级逆变器输出为交流电压。在这一过程中，电力电子变压器由多个模块组成，当其用于主回路时，各模块回路结构有三级，即交流→直流（第一级）;直流→任意交流（第二级）;任意交流→直流（第三级）。

针对输入交流电是否变成直流，采用电力电压变压器回路结构类型存在差异，分别为：（1）直接型，变压器前级不借助直流;（2）间接型，变压器前级不借助直流，从直流环节开始，输出端与隔离DC-DC变换器形态相同。在第二级中，与驱动逆变器一致，都是借助脉宽调制（PMW）将直流变为任意交流;在第三级中，利用二极管将交流电整流为直流电，这也是DC-DC隔离变换系统应用基本形态^[3]。也可以利用变压器电感和电容器电容产生的谐振，降低开关损失。

2 铁路车辆用电力电子变压器的技术发展策略

2.1 隔离型DC-DC变换器。隔离型DC-DC变换器诞生于上世纪90年代日本，是输入与输出之间必不可少的隔离装备，其作用是辅助设备与主回路高压隔离开，且设备故障不会对主回路设备造成干扰。例如，日本近铁（21000）、名铁（1030）、营团（03）等特快及通勤列车，均使用该变换器，输出功率和容量分别为330V、330V、600V;70kW、80kW、130kW。根据调查，最早使用该变换器的是近铁，实践显示该装置能够将DC1500和DC1300回路完全隔离，发生故障时，也不会影响回路;安装变换器后，其他器件数量适当减少，便于实现小型轻量化。近些年，伴随技术发展，铁路开始使用SIV辅助电源装置，回路结构与主回路VVVF逆变器相同，例如，日本东芝公司，就采用高速开关元器件，变压器体积仅为原先的10%，工作承压能力明显增强，实现了装置小型轻量化。

2.2 主回路电力电子变压器。与日本普遍使用的隔离型DC-DC变换器不同，欧洲社会主要采用主回路电力电子变压器，这是因为欧洲社会普遍应用低频交流供电系统，变压器小型轻量化主要目标是，提高变压器承压能力，能够在高供电及高工作频率下长期运转。例如，2011年ABB 企业制造的电力电子变压器，变压器容量、频率和方式比分别为4.2MVA、1.75kHz、谐振，包括Flirt （快速轻量型城际/区域列车）、Ee933 型。其中，Ee933 型2011年推出，应用于瑞士日内瓦中央车站，承担调车作业的工作。采用变换器优势如下：关断电流最小化;功率输出均匀范围大;不需要依赖谐振频率负荷即可实现控制;在全负荷状态下，可零压切换，降低变压器一次侧开关损失。资料显示，该系统谐振频率为2.2kHz，2012年限定频率为1.75kHz，为验证该电力电子变压器实用性，设定控制目标为：功率因数1;维持正弦输入电流;直接中间电压保持不变;预防高次谐波流入架线系统。技术人员需要减少EMC和高次谐波，降低噪声，提高效率，并将变压器输出功率密度提高0.2～0.45kVA/kg。2012年CAF制造的变压器，容量、频率和匝数比分别为400kW、5kHz、4：1，采用谐振方式;同年，还设计制造一款采用脉宽调制方式的变压器，对比运营结果发现，仅调制频率存在差异，脉宽调制与谐振频率分别为1kHz、5kHz。

2.3 多电平直流链电力电子变压器。近年来，伴随高性能半导体器件、先进热管理技术、高效率磁性元件等发展，电力电子变压器成为工业界和学术界研究和发展热点。对此，有学者提出一种多电平直流链电力电子变压器控制策略，进一步提高系统控制稳定性。首先，建立多电平直流链电力电子变压器模型，有高压侧AC/DC、低压侧DC/AC、中间级DC/DC三级功率变换电路组成，以中间级DC/DC为主要研究对象，确定其拓扑结构。其次，明确直流链控制策略。HB控制目标是稳定总体直流链电压，建立电流内环及电压外环控制策略，合理设计电压、电流环PI系数，确保满足稳定性要求。在直流链电压中，由于开关及控制频率都较低，需要严格控制电压环穿越频率，约为50Hz，相位裕度为48°。然后，确定DAB控制策略。该控制器主要功能是稳定低压直流端口电压，实现直流链电压均压。技术人员可建立DAB小信号模型，依照波特图设计控制器，确定DAB均压环穿越频率和相位裕度，为75Hz、63°。最后，建立仿真模型，比对小信号模型及仿真波形，确定该控制模型具有较高精确度，可直接使用DAB控制器实现直流链均压，无需额外输入均流进行开工至，控制器结构得以简化，而且，在实践应用中，只需要在中压直流端口设置一个电流传感器即可，整体建设成本也随之降低。

结束语：综上所述，在铁路车辆应用系统中，电力电子变压器作为一种新型能换转化设备，具有良好能量交换、电压变化、谐波治理等优势，近些年受到广泛关注。为促进电子电力变压器技术在铁路交通领域进一步扩展，技术人员应当加强技术研究和实践应用，探究电力电子变压器技术控制策略，全方位提升设备性能，逐渐达成轻量化发展目标。

参考文献

[1]钱铭，宋永丰.我国铁路机车/动车组牵引技术现状及展望[J].铁道机车车辆，2019，39（06）：32-36+53.

[2]吕晓慧，徐永海，张雪垠，周廷冬.电动汽车接入的电力电子变压器低压直流侧拓扑[J].电力系统及其自动化学报，2019，31（05）：92-97.

[3]杨依睿. 光储充接入的电力电子变压器控制策略研究[D].华北电力大学（北京），2020.