一種新型高壓鏈式逆變器測試系統

曹峰

（日新電機（無錫）有限公司，江蘇 無錫214000）

鐵路牽引供電27.5kV母線電壓具有電壓波動較大、負序不平衡、諧波含量高的特點，如果通過27.5/10 kV 變壓器直接獲得10kV電源，由于電能質量較差，配電所將無法正常運行。高壓鏈式逆變器[1，2]可以完成高壓下DC/AC 變換，對相位、諧波進行治理，將電能質量較差的電源轉換成符合電能質量要求的10kV電源，從而滿足配電所的用電需求。高壓鏈式逆變器通過功率單元級聯實現交流高電壓的輸出，逆變器橋臂由一定數量的功率單元級聯組成，三相橋臂星型連接。

高壓鏈式逆變器大體可以分為整流和逆變兩部分，其中整流部分主要包括多繞組變壓器、功率單元中二極管整流橋和直流支撐電容，逆變部分包括功率單元中H 橋逆變器和LC濾波器。裝置整流部分需要滿足不同短路阻抗且輸入電壓在一定范圍內波動時仍然能夠維持一定的直流電壓，從而實現額定電壓輸出。在設計階段可以利用仿真軟件（例如MATLAB）對裝置的主電路進行初步設計和仿真驗證，而裝置最終需要通過搭建測試系統進行驗證。測試系統首先需要一個電壓幅值和輸出阻抗均可以調整的電壓源，而一般的電網不能滿足這一需求。高壓鏈式逆變器測試中需要輸出額定有功功率，而采用電阻負載的方案需要耗費大量電能，成本較高。此外高壓鏈式逆變器運行時會在輸入側產生一定的無功電流和諧波電流，從而影響電能質量。

針對以上問題，本文搭建一種新型高壓鏈式逆變器測試系統，首先將一高壓鏈式逆變器（以下簡稱電壓源）作為幅值可調的電壓源為被測高壓鏈式逆變器（以下簡稱被測逆變器）提供電壓輸入，并且通過虛擬阻抗算法改變電壓源的輸出阻抗特性從而模擬不同的短路阻抗。測試系統通過有功環流實現被測逆變器的有功功率測試，并且針對電壓源產生的無功電流和諧波電流，通過被測逆變器的無功電流和諧波電流輸出功能進行補償，優化電能質量。

1 高壓鏈式逆變器主電路和控制系統

高壓鏈式逆變器主電路拓撲如圖1 所示，包括軟起接觸器、軟啟動電阻、多繞組整流變壓器、功率單元級聯構成的三相橋臂、LC濾波器、Δ/Υ 變壓器，其各部分功能如下：

圖1 高壓鏈式逆變器主電路拓撲

軟起接觸器和軟啟動電阻配合完成功率單元直流電容的軟起預充電；

多繞組整流變壓器將交流高壓降壓為一定數量的適合功率單元交流輸入低壓，并且完成高壓繞組到低壓繞組以及低壓繞組之間的電氣隔離；

功率單元包括二極管整流橋和H 橋逆變器兩部分，其中前者完成電能由交流到直流的變換，而后者完成電能由直流到交流的變換；

LC濾波器濾除功率單元輸出電壓中的高頻分量；

Δ/Υ 降壓變壓器一方面完成電壓由高壓到低壓的轉換，另外一方面為不平衡負載提供零序電流通路。

受IGBT 耐壓限制，功率單元只能輸出較低的交流電壓，而逆變器交流高壓則通過功率單元級聯實現。三相高壓鏈式逆變器包含ABC三個橋臂，其中每個橋臂均通過一定數量功率單元級聯實現，其首部通過LC 濾波器與Δ/Υ 變壓器相連，尾部則互相連接形成懸空中性點n。

高壓鏈式逆變器控制框圖如圖2 所示，主要包括電壓控制閉環、負載電流前饋以及電感電流閉環。電壓閉環根據交流電壓指令與輸出電壓的差值通過PR 控制器[3，4]得到電流指令，電壓閉環輸出電流指令與負載電流相加得到最終的電流指令。電流閉環根據電流指令與濾波電感電流的差值通過P 控制器得到功率單元的調制指令，從而調整橋臂電壓的幅值和相位實現電流的快速跟蹤，并最終實現裝置輸出電壓的控制。為了降低輸出電壓諧波含量以及減少功率單元損耗，本文中采取載波移相（CPS-PWM）調制策略。

圖2 高壓鏈式逆變器控制系統框圖

2 新型高壓鏈式逆變器測試系統

高壓鏈式逆變器測試系統主電路如圖3 所示，主要由10kV電網電壓、電壓源和被測逆變器三部分組成，其中被測逆變器輸入連接至電壓源輸出，而被測逆變器輸出連接至電壓源輸入后連接至10kV電網，測試系統運行時有功功率從電壓源流入被測逆變器，然后又重新流回電壓源，即采用有功環流的方法對被測逆變器進行測試，從而減小了有功消耗。

圖3 高壓鏈式逆變器測試系統主電路

高壓鏈式逆變器三相輸出電壓如式1 所示，其中x為a、b、c：

式1 中K 為系統增益表征系統對于參考電壓的跟蹤能力，Z為輸出阻抗表征負載電流對于輸出電壓的影響，特殊的在低頻段K近似為1，而Z近似為0，此時輸出電壓ucx與參考電壓ucx_ref基本一致。

電壓源輸出電壓幅值的調整可以通過修改參考電壓幅值來完成，而其輸出阻抗的調節可在在參考電壓中加入如下所示的虛擬阻抗[5，6]，此時低頻段電壓源輸出電壓如式2 所示：

式2 中Zxn為設定輸出阻抗，其由電阻和電感兩部分組成，考慮10kV 電網短路阻抗此處可以簡化為只含有電感。

根據以上分析電壓源控制系統框圖如圖4 所示，相比圖2 只是增加了虛擬阻抗部分。

圖4

被測逆變器采用電流源方式工作，按照電流設定輸出有功電流，從而在測試系統中形成有功環流，此外考慮到測試系統運行時電壓源輸入側會產生一定無功電流和諧波電流，因此被測逆變器還需要完成無功和諧波補償[7，8]。

根據以上分析被測逆變器不僅要輸出有功電流還需要輸出無功電流和諧波電流，考慮電流指令為不同頻率的正弦交流電流，常用的PI 控制器由于在50Hz及其倍頻處增益較小難以實現對交流量的無靜差跟蹤，而基于dq 坐標的有功無功電流解耦控制需要經過多次坐標變換計算量大，比例諧振控制器具有計算簡單并且在諧振頻率處增益較大的優點，本文最終采用比例諧振控制器完成對電流的閉環控制。

3 結論

高壓鏈式逆變器測試系統可以通過有功環流的方式對被測逆變器進行額定有功功率下的測試，具有損耗小的優點，并且增加虛擬阻抗算法的電壓源可以對電網電壓波動以及不同短路阻抗下電網電壓進行模擬，從而對被測逆變器整流部分性能進行完整測試，此外還可以通過被測逆變器的無功和諧波輸出功能補償電壓源運行時產生的無功電流和諧波電流，提高電能質量。