一種應用于鐵路配電所供電的高壓鏈式逆變器及其控制策略研究

孫紹波 陳 剛 姚一峰

（1. 中國鐵路昆明局集團有限責任公司，云南 昆明 650011；2. 中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031；3. 日新電機（無錫）有限公司，江蘇 無錫 214112）

隨著我國鐵路建設的發展，一大批高標準線路在西部山區開始建設，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，需對電力系統進行大規模的配套建設，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，則可減少電力系統配套建設工程，節約工程投資。

本文通過一臺三相10 kV 2 MVA逆變器對理論分析進行驗證，試驗結果表明，裝置能夠完成高壓下DC/AC變換，裝置輸出電壓穩定且電能質量高，具有良好的市場前景。

1 高壓鏈式逆變器主電路拓撲分析

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

圖1 高壓鏈式逆變器主電路拓撲

軟啟動電阻以及軟起接觸器對功率單元直流電容預充電進行控制：電容預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，還可以實現高壓逆變器與電網之間的電氣隔離。

功率單元主電路拓撲如圖2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定，一方面對二極管整流橋輸出的直流脈動電壓進行平滑濾波，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，將直流電壓轉化為幅值和相位可調的交流電壓，完成電能的DC/AC變換。

圖2 功率單元主電路拓撲

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。

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，需要在橋臂輸出側設置低通濾波器。本文在三相橋臂輸出側設置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。

考慮負載的復雜性，高壓逆變器要求具有同時向平衡/不平衡、線性/非線性負載供電的能力。針對不平衡負載，低壓逆變器主要有以下三種拓撲形式：插入Δ/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撲式。針對高壓鏈式逆變器，經過對比分析，在逆變器輸出側插入Δ/Υ變壓器實現不平衡負載下裝置的正常運行：變壓器次級給不平衡負載所產生的中性電流提供電流通路，而初級則給引起的由負載不平衡或3的倍數次諧波零序電流提供環流通路。高壓鏈式逆變器通過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 高壓鏈式逆變器控制策略

本文通過負載電流前饋的電壓電流雙閉環控制策略對高壓鏈式逆變器進行控制，主要包括電壓控制閉環、負載電流前饋以及電流控制閉環。

電流控制閉環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載電流，從而無法對裝置過流和短路進行控制和保護，而濾波電感電流等于負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的反饋信號，通過P控制器對電流進行控制，控制系統傳遞函數框圖如圖3所示。

圖3 控制系統傳遞函數框圖

考慮電流閉環帶寬遠大于電壓閉環帶寬，在一定頻率范圍內，電流環閉相可以簡化為比例系數為1的比例環節，簡化后控制系統傳遞函數框圖如圖4所示。

圖4 簡化后控制系統傳遞函數框圖

簡化后逆變器傳遞函數如式（1）所示，由式（1）可知隨著負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比例系數 減小負載電流對輸出電壓的影響，但是電壓環比例系數的增加會導致電壓閉環補償后穿越頻率變大，影響系統對高頻干擾的衰減效果，同時系統的相位裕度變小影響系統穩定性，因此，只能在不影響控制系統穩定性的前提下對參數進行調整，并且不能從根本上消除負載電流對輸出電壓的影響。

增加負載電流前饋后，逆變器傳遞函數框圖如圖5所示。

圖5 增加負載電流前饋后控制系統傳遞函數框圖

增加負載電流前饋后逆變器傳遞函數如式（2）所示，由式（2）可知，負載電流對輸出電壓沒有任何影響。

綜合以上分析，高壓鏈式逆變器整體控制框圖如圖6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P控制器得到電流指令，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（CPSPWM）調制策略。

圖6 高壓鏈式逆變器控制系統框圖

3 10 kV高壓逆變器樣機以及試驗結果分析

本文通過搭建的10 kV 2 MVA 高壓鏈式逆變器樣機對控制策略的有效值進行驗證，逆變器主要參數如表1所示。逆變器通過調整濾波電感電流的大小和相位實現幅值10kV并且相位與電網電壓一致交流高壓的穩定輸出。

表1 高壓逆變器參數表

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。空載下逆變器輸出電壓與設定基本一致。

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定存在較大的偏差，負載電流對裝置輸出電壓有很大的影響。

圖8 滿載且無負載電流前饋下裝置輸出電壓以及電流波形

滿載下，加入負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定基本一致，負載電流對裝置輸出電壓影響很小。

圖9 滿載且負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，負載電流前饋策略可以很好地消除負載電流對輸出電壓的影響，減小逆變器的輸出電阻。

4 結語

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式逆變器將電能質量較差的鐵路牽引供電轉化為符合電能質量要求的10 kV電源，從而為鐵路配電所供電。本文對高壓鏈式逆變器的主電路拓撲以及控制策略進行分析，并通過10 kV 2 MV高壓逆變器樣機對理論分析進行試驗驗證，試驗結果表明，高壓鏈式逆變器可以完成高壓下DC/AC轉換，并且輸出電壓穩定且電能質量高，能夠滿足鐵路配電站的用電需求。