一種應(yīng)用于鐵路配電所供電的高壓鏈?zhǔn)侥孀兤骷捌淇刂撇呗匝芯?/h1>
2019-03-23 02:36孫紹波姚一峰
智能城市 2019年2期
孫紹波 陳 剛 姚一峰
（1. 中國鐵路昆明局集團(tuán)有限責(zé)任公司，云南 昆明 650011；2. 中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031；3. 日新電機(jī)（無錫）有限公司，江蘇 無錫 214112）
隨著我國鐵路建設(shè)的發(fā)展，一大批高標(biāo)準(zhǔn)線路在西部山區(qū)開始建設(shè)，這些線路往往橋隧比例高、地形條件差，地方35、10 kV電源十分薄弱，無法滿足鐵路配電所用電需求。為解決電源薄弱地段鐵路電力變配電所供電電源，需對電力系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模的配套建設(shè)，工程投資巨大，而如果利用鐵路牽引供電解決配電所供電電源，則可減少電力系統(tǒng)配套建設(shè)工程，節(jié)約工程投資。
本文通過一臺三相10 kV 2 MVA逆變器對理論分析進(jìn)行驗證，試驗結(jié)果表明，裝置能夠完成高壓下DC/AC變換，裝置輸出電壓穩(wěn)定且電能質(zhì)量高，具有良好的市場前景。
1 高壓鏈?zhǔn)侥孀兤髦麟娐吠負(fù)浞治?/h2>
高壓鏈?zhǔn)侥孀兤髦麟娐吠負(fù)淙鐖D1所示，包括多繞組整流變壓器、軟啟動電阻、軟起接觸器、功率單元級聯(lián)構(gòu)成的三相橋臂、LC 濾波器、Δ/Υ變壓器。
圖1 高壓鏈?zhǔn)侥孀兤髦麟娐吠負(fù)?/p>
軟啟動電阻以及軟起接觸器對功率單元直流電容預(yù)充電進(jìn)行控制：電容預(yù)充電過程中軟起接觸器斷開，通過軟啟動電阻對直流電容進(jìn)行充電，減小電容充電過程中的電流沖擊；電容充電完成后軟起接觸器閉合，將軟啟動電阻從主電路中切除。
多繞組整流變壓器將10 kV 電網(wǎng)電壓降壓為適合的低壓，從而為功率單元提供電源輸入，此外，還可以實現(xiàn)高壓逆變器與電網(wǎng)之間的電氣隔離。
功率單元主電路拓?fù)淙鐖D2所示，包括二極管整橋、直流電容以及H橋逆變器。二極管整流橋由D1、D2、D3、D4四個二極管組成，將降壓變壓器輸出的交流電壓整流為直流脈動電壓。直流電容作為二極管整理橋與H橋逆變器之間的能量緩沖，保證運行過程中直流電壓的穩(wěn)定，一方面對二極管整流橋輸出的直流脈動電壓進(jìn)行平滑濾波，另一方面吸收來自逆變器的高頻脈沖電流。H橋逆變器由IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4組成，將直流電壓轉(zhuǎn)化為幅值和相位可調(diào)的交流電壓，完成電能的DC/AC變換。
圖2 功率單元主電路拓?fù)?/p>
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(lián)實現(xiàn)。三相高壓鏈?zhǔn)侥孀兤靼珹BC三個橋臂，其中，每個橋臂均通過一定數(shù)量功率單元級聯(lián)實現(xiàn)，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。
逆變器橋臂輸出電壓由各個功率單元輸出電壓疊加組成，含有一定高次分量，因此，需要在橋臂輸出側(cè)設(shè)置低通濾波器。本文在三相橋臂輸出側(cè)設(shè)置LC低通濾波器以濾除高頻分量，從而獲得平滑的正弦輸出電壓。
考慮負(fù)載的復(fù)雜性，高壓逆變器要求具有同時向平衡/不平衡、線性/非線性負(fù)載供電的能力。針對不平衡負(fù)載，低壓逆變器主要有以下三種拓?fù)湫问剑翰迦毽?Υ 變壓器式、三相分裂電容式逆變拓式以及三相四橋臂逆變拓?fù)涫?。針對高壓鏈?zhǔn)侥孀兤?，?jīng)過對比分析，在逆變器輸出側(cè)插入Δ/Υ變壓器實現(xiàn)不平衡負(fù)載下裝置的正常運行：變壓器次級給不平衡負(fù)載所產(chǎn)生的中性電流提供電流通路，而初級則給引起的由負(fù)載不平衡或3的倍數(shù)次諧波零序電流提供環(huán)流通路。高壓鏈?zhǔn)侥孀兤魍ㄟ^Δ/Υ 降壓變壓器將裝置輸出交流高壓降壓為380 V，從而為鐵路配電所供電。
2 高壓鏈?zhǔn)侥孀兤骺刂撇呗?/h2>
本文通過負(fù)載電流前饋的電壓電流雙閉環(huán)控制策略對高壓鏈?zhǔn)侥孀兤鬟M(jìn)行控制，主要包括電壓控制閉環(huán)、負(fù)載電流前饋以及電流控制閉環(huán)。
電流控制閉環(huán)可以選擇濾波電容電流或者濾波電感電流作為反饋信號，其中，由于濾波電容電流具有超前輸出電壓的特性，能夠反映輸出電壓的變化趨勢，從而可以提前校正輸出電壓的變化，但是利用濾波電容電流作為反饋信號無法控制濾波電感電流以及負(fù)載電流，從而無法對裝置過流和短路進(jìn)行控制和保護(hù)，而濾波電感電流等于負(fù)載電流和濾波電容電流的總和，通過控制濾波電感電流就可以間接控制濾波電容電流和負(fù)載電流。綜合以上分析，本文選擇濾波電感電流作為電流閉環(huán)的反饋信號，通過P控制器對電流進(jìn)行控制，控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖如圖3所示。
圖3 控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖
考慮電流閉環(huán)帶寬遠(yuǎn)大于電壓閉環(huán)帶寬，在一定頻率范圍內(nèi)，電流環(huán)閉相可以簡化為比例系數(shù)為1的比例環(huán)節(jié)，簡化后控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖如圖4所示。
圖4 簡化后控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖
簡化后逆變器傳遞函數(shù)如式（1）所示，由式（1）可知隨著負(fù)載電流增加逆變器輸出電壓逐步減小，其變化量與成正比，因此，又被稱為逆變器的輸出阻抗。
由式（1）可知，可以通過增加電壓環(huán)比例系數(shù) 減小負(fù)載電流對輸出電壓的影響，但是電壓環(huán)比例系數(shù)的增加會導(dǎo)致電壓閉環(huán)補(bǔ)償后穿越頻率變大，影響系統(tǒng)對高頻干擾的衰減效果，同時系統(tǒng)的相位裕度變小影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，因此，只能在不影響控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并且不能從根本上消除負(fù)載電流對輸出電壓的影響。
增加負(fù)載電流前饋后，逆變器傳遞函數(shù)框圖如圖5所示。
圖5 增加負(fù)載電流前饋后控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖
增加負(fù)載電流前饋后逆變器傳遞函數(shù)如式（2）所示，由式（2）可知，負(fù)載電流對輸出電壓沒有任何影響。
綜合以上分析，高壓鏈?zhǔn)侥孀兤髡w控制框圖如圖6所示，主要包括電壓控制閉環(huán)、負(fù)載電流前饋以及電感電流閉環(huán)。電壓閉環(huán)根據(jù)交流電壓指令與輸出電壓的差值通過P控制器得到電流指令，電壓閉環(huán)輸出電流指令與負(fù)載電流相加得到最終的電流指令。電流閉環(huán)根據(jù)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(diào)制指令，從而調(diào)整橋臂電壓的幅值和相位實現(xiàn)電流的快速跟蹤，并最終實現(xiàn)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（CPSPWM）調(diào)制策略。
圖6 高壓鏈?zhǔn)侥孀兤骺刂葡到y(tǒng)框圖
3 10 kV高壓逆變器樣機(jī)以及試驗結(jié)果分析
本文通過搭建的10 kV 2 MVA 高壓鏈?zhǔn)侥孀兤鳂訖C(jī)對控制策略的有效值進(jìn)行驗證，逆變器主要參數(shù)如表1所示。逆變器通過調(diào)整濾波電感電流的大小和相位實現(xiàn)幅值10kV并且相位與電網(wǎng)電壓一致交流高壓的穩(wěn)定輸出。
表1 高壓逆變器參數(shù)表
空載下，逆變器輸出電壓以及電流波形如圖7所示，其中曲線1為10 kV電網(wǎng)線電壓（PT變比為100），曲線2為裝置輸出線電壓（PT變比為100），曲線3為裝置濾波電感電流，以下波形中曲線定義與此相一致?？蛰d下逆變器輸出電壓與設(shè)定基本一致。
圖7 空載下裝置輸出電壓以及電流波形
滿載下，無負(fù)載電流前饋時裝置輸出電壓以及電流波形如圖8所示，由圖可知裝置輸出電壓的幅值和相位與設(shè)定存在較大的偏差，負(fù)載電流對裝置輸出電壓有很大的影響。
圖8 滿載且無負(fù)載電流前饋下裝置輸出電壓以及電流波形
滿載下，加入負(fù)載電流前饋時裝置輸出電壓以及電流波形如圖9所示，裝置輸出電壓幅值和相位與設(shè)定基本一致，負(fù)載電流對裝置輸出電壓影響很小。
圖9 滿載且負(fù)載電流前饋下裝置輸出電壓以及電流波形
通過對比圖8和圖9可知，負(fù)載電流前饋策略可以很好地消除負(fù)載電流對輸出電壓的影響，減小逆變器的輸出電阻。
4 結(jié)語
為解決電源薄弱地段鐵路配電所供電困難的問題，本文提出利用高壓鏈?zhǔn)侥孀兤鲗㈦娔苜|(zhì)量較差的鐵路牽引供電轉(zhuǎn)化為符合電能質(zhì)量要求的10 kV電源，從而為鐵路配電所供電。本文對高壓鏈?zhǔn)侥孀兤鞯闹麟娐吠負(fù)湟约翱刂撇呗赃M(jìn)行分析，并通過10 kV 2 MV高壓逆變器樣機(jī)對理論分析進(jìn)行試驗驗證，試驗結(jié)果表明，高壓鏈?zhǔn)侥孀兤骺梢酝瓿筛邏合翫C/AC轉(zhuǎn)換，并且輸出電壓穩(wěn)定且電能質(zhì)量高，能夠滿足鐵路配電站的用電需求。
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圖1 高壓鏈?zhǔn)侥孀兤髦麟娐吠負(fù)?/p>
軟啟動電阻以及軟起接觸器對功率單元直流電容預(yù)充電進(jìn)行控制：電容預(yù)充電過程中軟起接觸器斷開，通過軟啟動電阻對直流電容進(jìn)行充電，減小電容充電過程中的電流沖擊；電容充電完成后軟起接觸器閉合，將軟啟動電阻從主電路中切除。
多繞組整流變壓器將10 kV 電網(wǎng)電壓降壓為適合的低壓，從而為功率單元提供電源輸入，此外，還可以實現(xiàn)高壓逆變器與電網(wǎng)之間的電氣隔離。
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圖2 功率單元主電路拓?fù)?/p>
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(lián)實現(xiàn)。三相高壓鏈?zhǔn)侥孀兤靼珹BC三個橋臂，其中，每個橋臂均通過一定數(shù)量功率單元級聯(lián)實現(xiàn)，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。
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電流控制閉環(huán)可以選擇濾波電容電流或者濾波電感電流作為反饋信號，其中，由于濾波電容電流具有超前輸出電壓的特性，能夠反映輸出電壓的變化趨勢，從而可以提前校正輸出電壓的變化，但是利用濾波電容電流作為反饋信號無法控制濾波電感電流以及負(fù)載電流，從而無法對裝置過流和短路進(jìn)行控制和保護(hù)，而濾波電感電流等于負(fù)載電流和濾波電容電流的總和，通過控制濾波電感電流就可以間接控制濾波電容電流和負(fù)載電流。綜合以上分析，本文選擇濾波電感電流作為電流閉環(huán)的反饋信號，通過P控制器對電流進(jìn)行控制，控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖如圖3所示。
圖3 控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖
考慮電流閉環(huán)帶寬遠(yuǎn)大于電壓閉環(huán)帶寬，在一定頻率范圍內(nèi)，電流環(huán)閉相可以簡化為比例系數(shù)為1的比例環(huán)節(jié)，簡化后控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖如圖4所示。
圖4 簡化后控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖
簡化后逆變器傳遞函數(shù)如式（1）所示，由式（1）可知隨著負(fù)載電流增加逆變器輸出電壓逐步減小，其變化量與成正比，因此，又被稱為逆變器的輸出阻抗。
由式（1）可知，可以通過增加電壓環(huán)比例系數(shù) 減小負(fù)載電流對輸出電壓的影響，但是電壓環(huán)比例系數(shù)的增加會導(dǎo)致電壓閉環(huán)補(bǔ)償后穿越頻率變大，影響系統(tǒng)對高頻干擾的衰減效果，同時系統(tǒng)的相位裕度變小影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，因此，只能在不影響控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下對參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，并且不能從根本上消除負(fù)載電流對輸出電壓的影響。
增加負(fù)載電流前饋后，逆變器傳遞函數(shù)框圖如圖5所示。
圖5 增加負(fù)載電流前饋后控制系統(tǒng)傳遞函數(shù)框圖
增加負(fù)載電流前饋后逆變器傳遞函數(shù)如式（2）所示，由式（2）可知，負(fù)載電流對輸出電壓沒有任何影響。
綜合以上分析，高壓鏈?zhǔn)侥孀兤髡w控制框圖如圖6所示，主要包括電壓控制閉環(huán)、負(fù)載電流前饋以及電感電流閉環(huán)。電壓閉環(huán)根據(jù)交流電壓指令與輸出電壓的差值通過P控制器得到電流指令，電壓閉環(huán)輸出電流指令與負(fù)載電流相加得到最終的電流指令。電流閉環(huán)根據(jù)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(diào)制指令，從而調(diào)整橋臂電壓的幅值和相位實現(xiàn)電流的快速跟蹤，并最終實現(xiàn)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（CPSPWM）調(diào)制策略。
圖6 高壓鏈?zhǔn)侥孀兤骺刂葡到y(tǒng)框圖
3 10 kV高壓逆變器樣機(jī)以及試驗結(jié)果分析
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表1 高壓逆變器參數(shù)表
空載下，逆變器輸出電壓以及電流波形如圖7所示，其中曲線1為10 kV電網(wǎng)線電壓（PT變比為100），曲線2為裝置輸出線電壓（PT變比為100），曲線3為裝置濾波電感電流，以下波形中曲線定義與此相一致?？蛰d下逆變器輸出電壓與設(shè)定基本一致。
圖7 空載下裝置輸出電壓以及電流波形
滿載下，無負(fù)載電流前饋時裝置輸出電壓以及電流波形如圖8所示，由圖可知裝置輸出電壓的幅值和相位與設(shè)定存在較大的偏差，負(fù)載電流對裝置輸出電壓有很大的影響。
圖8 滿載且無負(fù)載電流前饋下裝置輸出電壓以及電流波形
滿載下，加入負(fù)載電流前饋時裝置輸出電壓以及電流波形如圖9所示，裝置輸出電壓幅值和相位與設(shè)定基本一致，負(fù)載電流對裝置輸出電壓影響很小。
圖9 滿載且負(fù)載電流前饋下裝置輸出電壓以及電流波形
通過對比圖8和圖9可知，負(fù)載電流前饋策略可以很好地消除負(fù)載電流對輸出電壓的影響，減小逆變器的輸出電阻。
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