列车辅助电源系统： 效率提升与调制策略

《列车辅助电源系统：效率提升与调制策略》是一本系统阐述列车辅助电源系统关键技术及创新方法的学术专著。本书内容涵盖辅助电源系统的技术发展、高频隔离直流变换模块的设计与控制、低感母线优化、T 型三电平逆变器拓扑重构与并联控制，以及DPWM 调制策略等关键议题。围绕“效率提升”与“调制策略”两大核心问题，深入剖析辅助电源系统的设计理论、优化方法及工程实践，旨在为轨道交通电气化领域的科研人员、工程技术人员及高校师生提供全面且前沿的参考。
本书兼具理论深度与实践价值，不仅适用于轨道交通电气工程、电力电子与电力传动等专业的教学与研究，还可为新能源车辆、航空航天等领域的电源系统设计提供借鉴。

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第1章 绪论 001
1.1 研究背景与意义 001
1.2 国内外相关研究现状 004
1.2.1 列车辅助电源  004
1.2.2 隔离直流变换器拓扑与结构 007
1.2.3 多模块串并联组合控制  009
1.2.4 低杂散电感叠层母排  011
1.2.5 列车多电平逆变电路拓扑  012
1.2.6 调制策略  013
1.3 列车辅助电源系统展望  015

第2章 高频隔离直流变换模块设计及组合控制 017
2.1 集成式高频隔离直流变换电路  017
2.1.1 集成式高频隔离直流变换拓扑  018
2.1.2 三电平Boost 变换电路拓扑与运行模式 020
2.1.3 三电平Boost 变换器大信号模型 023
2.1.4 三电平Boost 变换器小信号模型 024
2.2 三电平Boost 变换器控制环路 028
2.3 LLC 变换器工作模式分析与参数设计 029
2.3.1 电路拓扑与工作模式 029
2.3.2 等效模型与直流电压增益  034
2.3.3 参数设计  038
2.4 多模块串并联组合控制  041
2.4.1 两组Boost 模块电流纹波分析  041
2.4.2 多模块ISOP 组合控制 043
2.5 高频隔离直流变换模块结构布局  045
2.6 实验结果  047
2.6.1 仿真结果  047
2.6.2 样机实验  050
2.7 小结 055

第3章 直流功率模块低感母线的设计 056
3.1 两级式直流变换电路换流回路  056
3.2 叠层母排杂散电感  058
3.2.1 开关管电压应力与杂散电感 058
3.2.2 多母线电容并联模型 061
3.2.3 连接点间距与杂散电感 063
3.3 直流功率模块叠层母排结构设计优化 064
3.4 变换器损耗模型与效率  067
3.4.1 变换器损耗模型  067
3.4.2 变换器效率分析 069
3.5 实验结果  071
3.5.1 动态测试平台搭建  071
3.5.2 动态特性测试 072
3.6 小结 074

第4章 T 型三电平逆变器建模与控制 075
4.1 T 型三电平电路运行模式 075
4.2 T 型三电平逆变器建模与控制  078
4.2.1 三电平逆变器大信号模型  078
4.2.2 三电平逆变器小信号模型  083
4.2.3 三电平逆变器控制系统及环路 084
4.2.4 嵌入重复控制器 085
4.3 并联控制  088
4.3.1 虚拟阻抗  088
4.3.2 改进下垂控制 089
4.4 逆变器损耗模型与效率  092
4.4.1 逆变器损耗模型  092
4.4.2 逆变器效率分析 093
4.5 实验结果  095
4.5.1 仿真结果  095
4.5.2 实验结果  097
4.6 小结  101

第5章 功率因数自适应DPWM 调制策略 102
5.1 空间矢量调制统一化数学模型  102
5.2 两电平功率因数自适应DPWM 调制策略 105
5.3 不同类型DPWM 开关损耗 109
5.4 谐波畸变分析  111
5.5 三电平逆变器载波调制 113
5.6 三电平功率因数自适应DPWM 调制策略 118
5.6.1 开关损耗与谐波畸变 118
5.6.2 损耗模型与效率 123
5.7 实验结果  125
5.7.1 两电平仿真结果  125
5.7.2 三电平仿真结果 126
5.7.3 实验结果  128
5.8 小结 129

参考文献 130

城市轨道交通（简称城轨）作为大运量、集约化、低排放的现代化公共交通方式，凭借其效率高、安全可靠性强等显著优势，已成为全球城市化进程与低碳经济转型双重背景下的核心城市基础设施。其在缓解交通拥堵、重构城市出行体系、推动公共交通可持续发展等方面发挥着不可替代的作用。
作为城轨车辆的关键能源枢纽，辅助电源系统承担着为空调机组、照明设备、控制设备等车载用电设备供电的核心职能，其能耗占比达整车总能耗的15%~25%。系统内三相逆变器、充电DC/DC 变换器等关键电力电子装置的效能水平直接决定了车辆的运行安全性与能源经济性。随着系列化中国标准地铁列车项目的深入推进，辅助电源系统在功率密度提升、拓扑结构优化、控制策略创新等领域面临更为严苛的技术挑战。
然而，当前国内轨道交通领域尚缺乏系统阐述列车辅助电源系统优化理论与工程实践的专业著作。基于此，本书聚焦“效率提升”与“调制策略”两大技术主线，深入解析辅助电源系统的前沿技术演进与创新设计方法。全书兼顾学术前沿性与工程实践性，旨在为相关领域的研究与实践提供系统性参考。
本书以知识体系建构为导向，全面介绍列车辅助电源系统，尤其是高频辅助电源系统的关键技术。全书共分为5章：第1章为绪论，系统梳理列车辅助电源系统的技术发展脉络，揭示其在新型轨道装备中的战略定位；第2章重点介绍高频隔离直流变换模块设计及组合控制，涵盖三电平Boost 变换器设计及控制、LLC 谐振变换器设计、多模块ISOP（输入串联输出并联）组合控制策略，以及两组Boost 串联架构电流纹波分析与抑制；第3章为直流功率模块低感母线的设计，创新性提出高频隔离直流变换模块的结构布局优化方法，包括两级式直流变换电路换流回路分析、杂散电感分析及叠层母排结构优化等系统性解决方案；第4章针对T 型三电平逆变器开展拓扑优化与并联控制策略研究；第5章系统介绍空间矢量调制基本原理与模型，并深入探讨功率因数自适应的两电平及三电平DPWM 控制策略。
本书内容设计与编排充分兼顾理论深度、实践指导性与创新特色，可为新能源车辆、航空航天等领域的电源设计提供参考；还可作为高等院校轨道交通电气工程、电力电子与电力传动等专业的参考用书，也可作为行业技术人员的进阶培训用书。
本书编写工作得到了辽宁省自然科学基金（批准号2025-BS-0448）、辽宁省教育厅高校基本科研项目（批准号LJ212410150040）、辽宁省交通科技项目（批准号2024066）的资助，在此表示衷心的感谢！
本书由大连交通大学许明夏、徐莹莹、辛文凯、徐传芳编著。在本书的编撰过程中，广泛参考了国内外权威学术文献、技术标准及工程案例，在此向相关领域的专家学者致以诚挚谢意。限于笔者水平，书中难免存在疏漏之处，恳请读者批评指正。
希望本书能为推动列车辅助电源系统的技术进步与工程应用贡献绵薄之力。

作者
2025 年9 月