載波移相SPWM在貫通式同相供電系統(tǒng)中的應用

(烏魯木齊鐵路局供電處，新疆 烏魯木齊 830011)

0 引 言

牽引供電系統(tǒng)中因為電氣化鐵路的單相負載將產(chǎn)生特別差的電能質量，如無功電流、諧波、不平衡有功電流。由于牽引變電所的大功率性質，不良影響將擴大到電網(wǎng)。當基于脈寬調制(pulse-width modulation, PWM)變換器的機車被廣泛使用時，由無功功率和諧波引起的失真減少，但不平衡變得比以前更顯著[1]。傳統(tǒng)的牽引供電系統(tǒng)，為了平衡兩相負載，一個牽引變電所使用兩相供電臂的方案被廣泛采用。如果采用平衡變壓器，次邊的兩相電流平衡會造成原邊的三相電流平衡。現(xiàn)有的幾個平衡變壓器的接線方案，如變形伍德布里奇、斯科特和屋頂三角形變壓器[2]，作為饋電變壓器都有自己的特性和性能。但是如果兩相的電流是不平衡的，平衡變壓器就不能完全平衡三相電流。不幸的是，因為在兩相供電系統(tǒng)中機車的速度和負載條件經(jīng)常變化，兩相牽引供電系統(tǒng)中的饋線電流通常是不平衡的。此外，平衡變壓器對無功功率和諧波是沒有用的。

為了解決這些問題，在三相電網(wǎng)或兩相牽引網(wǎng)絡中采用了一些有源補償器。相對于無源補償技術來說，三相電網(wǎng)中使用的有源補償器，包括晶閘管控制電抗器、靜止同步補償器以及有源電力濾波器，它們有多個補償公用設施和良好的瞬態(tài)性能[3]。但它們不完全符合牽引供電系統(tǒng)的要求。

此外，傳統(tǒng)電氣化鐵路牽引變電所采用的供電方式是三相-兩相制，在分區(qū)所處設置分相絕緣器。但實際中因為牽引負荷的單相性和隨機性，系統(tǒng)中會產(chǎn)生大量的無功和諧波分量，此類電能質量問題加之電分相環(huán)節(jié)的存在，將會嚴重制約高速、重載鐵路的發(fā)展[4-6]。

目前已開展的有關同相供電技術的研究能很好地解決這一問題。文獻[7-10]提出的同相供電系統(tǒng)方案，可以在同一電網(wǎng)供電區(qū)間內取消電分相環(huán)節(jié)；但在不同電網(wǎng)的供電區(qū)段仍舊需要采用分相環(huán)節(jié)來隔離，因此存在供電缺陷。貫通式同相供電系統(tǒng)通過采用交-直-交變流器，實現(xiàn)全線范圍內的貫通供電，以達到徹底取消電分相環(huán)節(jié)和改善電能質量的目的。文獻[11-12]提出了一種基于雙PWM整流器的交-直-交變流器的設計方案，但該方法存在輸出波形畸變率大、電力電子器件承受電壓高的缺點。

載波移相SPWM技術能夠在器件開關頻率較低的情況下，實現(xiàn)較高的等效開關頻率，因此廣泛應用于大功率變流器場合[13-15]。這里提出采用載波移相技術，將單相逆變器級聯(lián)后輸出，以期改善輸出電壓波形，降低絕緣柵雙極晶體管(insulated gate bipolar transistor, IGBT)承受電壓。

1 貫通式同相供電系統(tǒng)結構

貫通式同相供電系統(tǒng)是針對同相供電系統(tǒng)中存在的供電缺陷提出的，能夠在全線范圍內的不同牽引變電所的供電區(qū)段上實現(xiàn)接觸網(wǎng)電壓相位相同，是線路上沒有電分相環(huán)節(jié)的牽引供電系統(tǒng)[16]。貫通式同相供電系統(tǒng)主要由三相降壓變壓器、交-直-交變流器和單相升壓變壓器組成，其結構如圖1所示。

圖1 貫通式同相供電系統(tǒng)結構圖

在這種結構下，牽引網(wǎng)取流需要經(jīng)過三相交流-直流-單相交流的全變換過程，使得每個牽引變電所均逆變出幅值和頻率相同的單相電壓，將全線上的所有牽引變電所互聯(lián)，形成一個獨立于上一級電網(wǎng)的牽引供電網(wǎng)絡，僅與三相電力系統(tǒng)交換有功功率，可以有效改善電能質量。

2 交-直-交變流器結構及原理

傳統(tǒng)的交-直-交變流器由1個三相整流器和1個單相逆變器組成，不能實現(xiàn)大功率轉換，且每個IGBT元件承受的峰值電壓高。為了取得更好的輸出波形，降低對電力電子開關器件耐壓等級的要求，文獻[17]提出依靠載波移相SPWM技術，將4個單相PWM逆變器級聯(lián)輸出電壓作為交-直-交換流器中送入單相升壓變壓器的輸入電壓，交-直-交變流器結構如圖2所示。

圖2 交-直-交變流器結構

3 交-直-交變流器控制策略

交-直-交變流器是貫通式同相供電系統(tǒng)中的核心器件，主要由三相整流環(huán)節(jié)、直流儲能環(huán)節(jié)和單相逆變環(huán)節(jié)組成。三相降壓變壓器將110 kV電壓降壓后輸入給三相PWM整流器，三相整流環(huán)節(jié)將三相交流電變換為直流電，并控制三相交流側的功率因數(shù)為1，兩PWM整流器通過直流環(huán)節(jié)的電容傳遞有功功率，然后由單相PWM逆變器將直流電逆變?yōu)榉岛皖l率穩(wěn)定的單相交流電后，輸入給單相升壓變壓器將電壓升至27.5 kV后輸送給負載。

3.1 三相整流環(huán)節(jié)控制策略

三相電壓型PWM整流器有很多控制方法，包括：直接功率控制、電流閉環(huán)控制、基于LCL濾波的控制等。這里采用的是電壓外環(huán)、電流內環(huán)的雙閉環(huán)控制方案，分別按照I型系統(tǒng)和II型系統(tǒng)特點來設計電流內環(huán)和電壓外環(huán)的比例積分(proportion integration, PI)控制器，用電壓外環(huán)來控制直流電壓輸出的穩(wěn)定性，用電流內環(huán)來控制交流側電流，提高網(wǎng)側功率因數(shù)[18]。三相整流器控制原理如圖3所示。

圖3 三相整流環(huán)節(jié)控制框圖

3.2 單相逆變環(huán)節(jié)控制策略

采用載波移相SPWM技術，將單相PWM逆變器的輸出通過串聯(lián)疊加，將4組逆變器的三角載波分別錯開一定相角[19]，則同樣的調制波與三角載波比較后會產(chǎn)生4種錯開一定角度的PWM波，分別用來控制每個逆變器，輸出側電壓經(jīng)過串聯(lián)疊加后即可得到正弦階梯波。每個PWM逆變器采用了電感電流內環(huán)加上輸出電壓外環(huán)的控制方案，單個逆變器的控制策略如圖4所示。

圖4 單個單相逆變器控制框圖

4 仿真驗證

在Matlab/Simulink中搭建了交-直-交變流器仿真模型，仿真參數(shù)如下：設定一套交-直-交變流器的額定容量為4 MVA，三相降壓變壓器變比為110 kV/2 kV，單相升壓變壓器變比為8 kV/27.5 kV，直流儲能電容為2 mF。仿真開始時，負載為4 800 kW純阻性負載，在0.1 s的時候突變?yōu)? 400 kW，仿真運行結果如圖5、圖6所示。

仿真結果表明，不管在負載突變前還是在負載突變后，電網(wǎng)側功率因數(shù)都能夠在交-直-交換流器的控制下基本達到1(以A相電流為例)。利用Matlab/Simulink中的FFT工具對三相交流側電流諧波含量進行分析，得到A相電流的THD含量為1.74%，表明采用交-直-交變流器的貫通式同相供電系統(tǒng)能夠有效改善牽引供電系統(tǒng)的電能質量。

圖5 電力系統(tǒng)側A相電壓、電流

圖6 級聯(lián)逆變器輸出電壓

圖7 牽引側電壓電流

在負載突變后，負載電壓能夠保持電壓幅值和頻率的穩(wěn)定性，并迅速從干擾中恢復到正常的工作狀態(tài)，表明系統(tǒng)具有良好的抗干擾性能。

對比非載波移相SPWM交-直-交變流器可知，在采用載波移相SPWM后，牽引側負載電壓的THD含量由以前的1.5%減少為0.78%，并且在交-直-交變流器容量相同的情況下，IGBT承受的峰值電壓減少為原來的1/4。

5 結 語

貫通式同相供電系統(tǒng)能夠有效解決在傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)中存在的電能質量和電分相問題。在貫通

式同相供電系統(tǒng)的基本結構和原理的基礎上，對交-直-交變流器展開了研究，得到以下結論：

1)采用載波移相SPWM的交-直-交變流器的貫通式同相供電系統(tǒng)能夠徹底取消分區(qū)所的電分相環(huán)節(jié)，改善了傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)中存在的電能質量問題，有利于高速鐵路的發(fā)展；

2)在同樣容量的交-直-交變流器中，載波移相SPWM技術可以降低對電力電子器件耐壓等級的限制，以達到節(jié)省成本的目的。

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