摘要：多电平变换器应用于轨道交通牵引系统意义重大。其涵盖二极管箝位型、飞跨电容型、级联型结构。在该牵引系统中，多电平变换器可提升效率，减少功率损耗；能改善电能质量，抑制谐波；还可降低电磁干扰。这有助于牵引系统稳定、高效、可靠运行，对轨道交通的发展有着积极的推动作用，在节能与提高设备运行稳定性上表现突出。

关键词：多电平变换器；轨道交通牵引系统；性能提升

引言

轨道交通作为现代城市公共交通的重要组成部分，其牵引系统的性能直接影响着列车的运行效率、可靠性和乘坐舒适性。多电平变换器技术的发展为轨道交通牵引系统性能的提升带来了新的机遇。研究基于多电平变换器的轨道交通牵引系统性能提升具有重要的理论和现实意义。

1.轨道交通牵引系统概述

1.1基本结构

轨道交通牵引系统的基本结构包含多个关键部分。牵引变电所是系统的能量转换枢纽，它从外部电网接收高压交流电，通过降压、整流或逆变等操作，转化为列车适用的直流电或交流电。接触网（或第三轨）是电能传输的媒介，接触网高悬于列车上方，第三轨则位于轨道一侧，二者都将电能从牵引变电所传输到列车。牵引电机是列车的动力源，接受电能并转换为机械能推动列车。牵引控制系统如同大脑，实时监测列车速度、负载等状态，精准调整输入牵引电机的电压、电流和频率等参数，确保列车安全、高效运行。

1.2工作原理

牵引电机基于电磁感应原理工作，当定子绕组通入电流后，会产生旋转磁场，转子在磁场作用下切割磁力线，从而产生感应电动势和感应电流，进而受到电磁力的作用转动，将电能转化为机械能驱动列车。牵引控制系统在这个过程中起着关键作用。例如，列车启动时需要较大的扭矩，控制系统会提高输入电机的电压和电流；列车加速过程中，会根据速度的提升逐步调整频率等参数。然而传统牵引系统存在不足，电能质量方面，可能产生谐波等问题影响电网稳定性；效率上，电能在转换和传输中的损耗不可忽视。

2.多电平变换器的特点与优势

2.1多电平变换器的结构类型

2.1.1二极管箝位型多电平变换器

二极管箝位型多电平变换器的核心在于二极管箝位电路。在这种结构中，二极管起到了关键的电平箝位作用。例如，在三相系统中，通过合理设置二极管的连接方式，可以实现多个电平的输出。它的优点是电路结构相对简单，能够在不使用大量独立直流电源的情况下，产生多电平的输出电压。然而，随着电平数的增加，二极管的数量会迅速增多，这会导致电路的复杂度上升，并且二极管的电压应力分布不均匀，可能会影响整个变换器的可靠性和效率。

2.1.2飞跨电容型多电平变换器

飞跨电容型多电平变换器利用飞跨电容来平衡各电平之间的电压。这种类型的变换器中，飞跨电容的充电和放电过程是实现多电平输出的关键。在每个开关周期内，电容的能量状态会发生变化，通过精确控制开关器件的导通和关断，使得电容上的电压能够按照预定的方式进行调整，从而实现多个电平的输出。其优势在于可以通过电容的自平衡能力来实现电压均衡，不需要额外的复杂控制电路。

2.1.3级联型多电平变换器

级联型多电平变换器由多个功率单元级联而成。每个功率单元都可以独立地进行控制，这使得整个变换器的灵活性大大增加。例如，可以根据实际需求调整级联的功率单元数量，从而实现不同电平数的输出。这种结构的优点是模块化程度高，易于扩展，并且各个功率单元之间的电气隔离较好，提高了系统的可靠性。不过，级联型多电平变换器需要多个独立的直流电源，这在一些应用场景下可能会增加系统的成本和复杂度，同时，对各个功率单元的一致性要求较高，否则可能会影响整个变换器的性能。

2.2多电平变换器的优势

多电平变换器能够输出更多的电平，使得输出电压波形更接近正弦波，从而减少谐波含量。与传统的两电平变换器相比，多电平变换器可以显著降低电压和电流的总谐波畸变率（THD），提高电网侧和负载侧的电能质量。由于多电平变换器采用多个功率单元分担功率，每个功率单元的电压应力相对较低，开关频率可以适当降低。这有助于减少开关损耗，提高变换器的整体效率。此外，多电平变换器在部分负载情况下也能保持较高的效率。多电平变换器输出的阶梯波电压和电流变化较为平缓，其产生的电磁干扰频谱分布更分散，能量集中程度较低。这使得轨道交通牵引系统在运行过程中对周围电磁环境的影响更小，降低了对其他电子设备的干扰。

3.多电平变换器对轨道交通牵引系统性能的提升

3.1效率提升方面

在轨道交通牵引系统里，传统变换器的功率损耗包含多种类型。开关损耗源于开关器件的频繁导通与关断，导通损耗是电流通过器件时产生的热损耗，磁性元件损耗则与电感、变压器等磁性元件相关。多电平变换器具有独特优势，它降低开关频率，减少了开关过程中的能量损耗，并且每个功率单元电压应力的减小也有助于降低开关损耗。从结构上看，其能优化功率传输时的电流路径，使导通损耗降低。通过建立仿真模型对比传统两电平和多电平变换器效率，在列车运行的加速、减速、匀速等不同工况下，多电平变换器效率更高。实际测试数据也证实，采用多电平变换器的牵引系统长期运行可节省很多电能，这对于轨道交通的节能运行意义重大。

3.2电能质量改善方面

多电平变换器输出多电平电压波形依靠多个电平叠加。它通过精确控制每个电平的输出时间和幅度，能够合成近似正弦波的电压波形。从傅里叶分析角度出发，多电平输出时，高次谐波幅值会显著降低，从而实现对谐波的有效抑制。在轨道交通牵引系统中，牵引网的安全稳定运行高度依赖电能质量。多电平变换器降低谐波含量后，谐波电流在牵引网中的损耗随之减少，牵引网的发热风险也相应降低。此外，轨道交通牵引系统与通信设备、信号设备等共用电网，多电平变换器减少的谐波干扰提高了这些设备的运行可靠性，保障了整个轨道交通系统的稳定运行，避免因电能质量问题引发的设备故障等情况。

3.3电磁干扰降低方面

传统两电平变换器的电压变化率（dv/dt）较大，这使得其产生的电磁干扰能量集中在较高频率范围。这种集中的高频率电磁干扰能量较强，容易对周围电子设备造成干扰，如影响通信设备的信号传输、干扰信号设备的正常工作等。而多电平变换器输出电压呈阶梯状变化，这种特性使得dv/dt减小，进而降低了电磁干扰的强度。并且其频谱分布较为分散，相对于传统两电平变换器集中的频谱，分散的频谱使得电磁干扰更容易被屏蔽和抑制。通过实验测试，在相同运行条件下，采用多电平变换器的牵引系统周围电磁干扰强度明显低于传统变换器牵引系统，这有助于提高轨道交通系统周围电磁环境的兼容性。

结束语

多电平变换器在轨道交通牵引系统中的应用能够显著提升系统的性能。在效率提升方面，通过降低功率损耗提高了系统的运行效率；在电能质量改善方面，有效抑制了谐波，保障了牵引网和其他设备的安全稳定运行；在电磁干扰降低方面，减少了对周围电磁环境的影响。随着多电平变换器技术的不断发展和完善，其在轨道交通牵引系统中的应用前景将更加广阔，有望进一步推动轨道交通行业的发展，提高轨道交通的竞争力和可持续发展能力。

参考文献

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