一種基于四象限整流的列供系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計方法

文/李東

1　四象限整流的列供系統(tǒng)

列車供電系統(tǒng)主要功能是將鐵路電網(wǎng)上的高壓單相交流電經(jīng)過機(jī)車內(nèi)的變壓器降壓，再通過整流系統(tǒng)轉(zhuǎn)換為直流600V的電源，用于給客車車廂的用電設(shè)備供電，主要包括客車的空調(diào)，暖氣，生活用電，照明，插頭等。目前，機(jī)車上的列供控制系統(tǒng)主要采用相控整流的方式，只要適當(dāng)控制晶閘管觸發(fā)導(dǎo)通瞬間的相位角，就能夠控制直流輸出電壓的平均值，達(dá)到整流的目的。

有些機(jī)車上，已經(jīng)開始逐步應(yīng)用四象限整流技術(shù)進(jìn)行列供系統(tǒng)的控制。四象限整流是采用PWM控制方式和IGBT全控型器件組成的整流電路，通過對整流電路進(jìn)行控制，使其輸入電流非常接近正弦波，且和輸入電壓相位相同，保證列供的功率因數(shù)近似為1。

四象限整流控制采用外環(huán)電壓環(huán)和內(nèi)環(huán)電流環(huán)的雙閉環(huán)控制方式，電壓控制器的輸出是電流控制器的輸入指令。該指令與電網(wǎng)電壓的整流信號相乘作為電流給定。由于電流給定是與電網(wǎng)電壓信號波形成比例的，所以電流給定信號和輸入電壓同相位。

相控整流使用的是半控型器件，而四象限整流使用的是全控型器件，因此相控整流只需控制好導(dǎo)通時的相位即可，控制相對簡單，但也正因為這樣，達(dá)不到對電流的控制，導(dǎo)致原邊電流畸變嚴(yán)重，而四象限整流通過對全控型器件施加PWM脈沖，利用電壓與電流的雙閉環(huán)負(fù)反饋策略，能夠很好地控制電流畸變，達(dá)到很好的功率因數(shù)。

2　輸出濾波的優(yōu)化選型設(shè)計

采用四象限整流控制的列供系統(tǒng)，在實(shí)際運(yùn)行過程中，空載運(yùn)行時電壓工作正常，但帶上實(shí)際的車廂負(fù)載后，啟動空調(diào)等用電設(shè)備后，輸出電流的波動較大，

分析客車內(nèi)的電路，發(fā)現(xiàn)客車的負(fù)載為了保證輸入電源的品質(zhì)，在空調(diào)逆變器之前加入了電容用于平波，而正常的列供電路輸出側(cè)也有大電容，就會造成兩個電容間形成回路，不停地進(jìn)行充放電，形成二次脈動，導(dǎo)致輸出電流和電壓都存在一個100Hz的波動。簡化的電路如圖1所示，C1和R1為列供側(cè)的支撐電容和電阻，C2為負(fù)載側(cè)的電容，線路的阻抗等效成L，由于L很小，導(dǎo)致C1和C2間存在二次諧振，造成輸出電流較大的波動。

分析等效電路，其中U為直流側(cè)電壓，可以理解為一個600V直流電壓分量Ud和一個100Hz交流電壓分量Uc的疊加。為了計算流過L的電流幅值iL，從R1右側(cè)看，線路阻抗Z就等于R2和C2的并聯(lián)，然后再和L串聯(lián)，則

為了降低iL，公式（1）（2）可以看出，方法1是增大C1，目的是為了降低100Hz交流電壓分量Uc，從而可以降低波動電流iL。方法2是在線路中串入L，可以增大線路阻抗Z，進(jìn)而可以降低波動電流iL。

為了能夠分析電抗和電容對實(shí)際電路的影響，利用matlab搭建仿真模型，對這兩種方案進(jìn)行仿真，負(fù)載盡量采用與實(shí)際接近的參數(shù)，整流器的控制算法采用實(shí)際機(jī)車上使用的控制方式和控制參數(shù)。

當(dāng) C1=30mF，C2=10mF時，L=10uH，此時模擬實(shí)際的工況，得到的仿真波形電流波動的上下限在200A以上，跟實(shí)際基本相符。

當(dāng)加大C1至45mF時，其他量保持不變時，輸出的電壓電流波形如圖2上部兩個波形所示，可以看出增大支撐電容，輸出的電壓和電流波動對比更改前均有減小。

當(dāng)增加L至1mH時，其他量保持不變時，輸出的電壓電流波形如圖2下部兩個波形所示，可以看出電壓和電流的波動均有降低，電流波動在100A以內(nèi)。

為了驗證趨勢，又使用了多組電容和電抗的參數(shù)，進(jìn)行了多次仿真，發(fā)現(xiàn)隨著支撐電容的增加，輸出電流波動基本維持在170A左右，太大的支撐電容反而會導(dǎo)致輸出波動加劇。增大電抗的方式，輸出電流的波動可以維持在100A以內(nèi)，但隨著電抗的加大，對波動的抑制效果沒有明顯的改善，但如果電抗過小，則會導(dǎo)致波動加劇。

3　結(jié)論

圖1：等效電路

圖2：仿真波形

對于機(jī)車的列供系統(tǒng)，四象限的整流控制相對于原有的相控整流技術(shù)，有一定的技術(shù)優(yōu)勢，可以顯著的提高功率因數(shù)，降低占用空間和減小原邊電流畸變，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于存在二次脈動，導(dǎo)致輸出的電流波動較大，為了更好地應(yīng)用四象限的整流技術(shù)，提出了增加電抗和增大支撐電容的兩種方式，都可以提高輸出電源的品質(zhì)，但相對來說，增加電抗的對輸出電流波動的抑制效果要優(yōu)于擴(kuò)大電容。但是電抗的體積較大，在機(jī)車上占用的空間相對于電容大了很多，如果在空間受限的情況下，適當(dāng)提高支撐電容的容值，也可以對輸出電壓和電流的品質(zhì)進(jìn)行一定的改善。故需要結(jié)合實(shí)際情況，選擇優(yōu)化的方案。